Vorlesungsmanuskript ET-EW 2011.pdf - von Prof. Dr.-Ing. H. Alt, FH ...

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1. Stoffliche Umwandlungsarten zur elektrischen Energieerzeugung
1.1 Chemische Umwandlungsprozesse
1.1.1 Kohleverbrennung (Oxidation des Kohlenstoffs, Prozesstemperatur 525 °C bis 700 °C)
C + O2 ⇒ CO2 + 393 kJ/12g C thermische Energie
Atomgewichte: 12 + 32 = 44
Daraus folgt:
1kg C ergibt 1000g
393kWs
kWh
W = ⋅ = 9,
10 bei
44
GCO 2 = kg = 3,
67kg
CO2
12g
s kg C
12
3600
h
Die energiebezogene CO2-Emission beträgt somit:
kg CO2
3,
67
kg C g CO2
gCO2 =
= 403
kWh kWh
9,
1
kg C
Für Steinkohle gilt: C + O2 ⇒ CO2 + 8,14 kWh/kg Kohle
Die CO2 Emission bei der Stromerzeugung mit η= 50 % beträgt 900 g/kWh
1.1.2 Erdgasverbrennung (Oxidation des Kohlenstoffs und Wasserstoffs,
Prozesstemperatur 800 °C)
CH4 + 2 O2 ⇒ CO2 + 2 H2O + 886 kJ/16g CH4 therm. Energie
Atomgewichte: 16 + 64 = 44 + 36
1kg CH4 ergibt W
1000g
886kWs
kWh
⋅ = 15,
38
16g
s kg CH
3600
4
h
44
GCO 2 = kg = 2,
75kg
CO
16
Mit der Dichte von CH4:
kg
CH 0,
72
4 3
m
= ρ folgt: WV kWh
= W ⋅ ρ CH = 11,
1
4 3
m
Die energiebezogene CO2-Emission beträgt somit:
kg CO2
2,
75
kg CH 4
gCO2 =
kWh
15,
38
kg CH 4
g CO2
= 178,
8
kWh
Für Erdgas gilt: CH4 + 2 O2 ⇒ CO2 + 2 H2O + 11,0 kWh/m 3 CH4
Die CO2 Emission bei der Stromerzeugung mit η= 50 %: 393 g/kWh
D:\FH AKE\Vorlesungsmanuskript ET-EW 2011.doc
= bei 2
1.1.3 Brennstoffzelle (umgekehrte Elektrolyse, "kalte Verbrennung", Oxidation des Wasserstoffs
in einer PEM - Zelle (Proton Exchange Membran), Prozesstemperatur 80 °C)
2 H2 + O2 ⇒ 2 H2O + 572 kJ/4g H2 therm. Energie
1kg H2 ergibt: 1000g
572kWs
kWh
W = ⋅ = 39,
72 ohne CO2-Emission
4g
s kg H
3600
2
h
Mit der Dichte von H2:
kg
kWh
ρ CH = 0,
0899 folgt: W 3,
57
4
3
V = W ⋅ ρ CH = 4
3
m
m
Atomgewichte: 4 + 32 = 36
Für Wasserstoff gilt: 2 H2 + O2 ⇒ 2 H2O + 3,5 kWh/m 3 H2
Positive Wasserstoffionen H + (Protonen) wandern in der Zelle durch eine gasdichte Elektrolytmatrix
von der Anode (Wasserstoffzufuhr mit der Anodenreaktion: H2 - 2e - = 2H + ) zur Kathode
(Sauerstoffzufuhr mit der Kathodenreaktion: 2H + + 2e - + 1/2 O2 = H2O). Der Ladungsausgleich
erfolgt im äußeren Stromkreis durch einen Elektronenfluss von der Anode zur Kathode entsprechend
einem elektrischen Stromfluss von der Kathode (+ Pol) zur Anode (- Pol). An der Kathode
wird Wasser als Reaktionsprodukt abgeführt. (Zellenspannung 1,23 V). Die langfristige Funktionstüchtigkeit
der Zelle erfordert sehr reinen Wasserstoff.
Für stationäre Anwendungen SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) mit keramischem Elektrolyt (O 2- Ionen,
die von der Kathode zur Anode wandern) und einer Prozesstemperatur von 900 °C.