Ist Wasserstoff die beste Option, um Erdgas im Haushalt zu ersetzen? Blick auf die Zahlen

In letzter Zeit wird viel über Wasserstoff als Ersatz für Erdgas gesprochen. Der Plan besteht darin, H2 schrittweise in das Erdgasnetz einzuspeisen, wobei das H2 aus Wasser unter Verwendung von „überschüssigem“ erneuerbarem Strom hergestellt wird, sofern dieser verfügbar ist.

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Diagramm mit freundlicher Genehmigung von Lazard

Von Paul Martin, Experte für chemische Prozessentwicklung

In letzter Zeit wird viel über Wasserstoff als Ersatz für Erdgas gesprochen. Der Plan besteht darin, H2 schrittweise in das Erdgasnetz einzuspeisen, wobei das H2 aus Wasser unter Verwendung von „überschüssigem“ erneuerbarem Strom hergestellt wird, sofern dieser verfügbar ist. Aber letztendlich gibt es Leute, die meinen, wir sollten unsere Häuser mit reinem Wasserstoff anstelle von Erdgas versorgen und dabei das gleiche Rohrleitungs- und Verteilungsnetz nutzen, das wir jetzt haben. Ihrer Meinung nach müssten wir nur alle unsere Kessel, Öfen, Herdplatten und Backöfen neu besprühen, und schon wären wir auf dem Weg zu den Rennen. Sie müssen nicht auf all das teure Kapital verzichten – wir wechseln einfach den Treibstoff! Wir werden farb- und geruchlosen Wasserstoff verbrennen und nur Wasserdampf erzeugen, und die globale Erwärmung wird der Lösung einen Schritt näher kommen.

Klingt gut! Wo kann ich mich anmelden?

Warte – nicht so schnell!

Der erste und offensichtlichste Kritikpunkt an diesem System ist die Effizienz. Egal, ob Sie mit Erdgas oder Strom beginnen, das Beste, was Sie tun können, ist, etwa 70 % der zugeführten Energie – niedrigerer Heizwert (LHV) von Methan oder kWh Strom – in LHV von Produktwasserstoff umzuwandeln. I'm besten fall. Wenn die Alternative darin besteht, Erdgas oder Strom direkt zu nutzen, bringt Wasserstoff in dieser Gleichung nur Verluste mit sich.

Offensichtlich besteht die ganze Idee hier darin, die Emissionen fossiler Treibhausgase (THG) zu eliminieren, die mit der Verbrennung an Ihrem Ende der Röhre einhergehen. Wasserstoff bietet die Möglichkeit dazu. Sie können mit Biomethan aus der anaeroben Vergärung beginnen, sodass das CO2, das Sie bei der Herstellung von Wasserstoff ausstoßen, nur ein Teil des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs ist. Oder Sie können das CO2, das bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilem Erdgas in der Wasserstoffanlage entsteht, ganz oder teilweise abfangen, oder indem Sie das Methan pyrolysieren und Kohlenstoff als Nebenprodukt für andere Zwecke als die Verbrennung verkaufen, oder Sie können das CO2 vollständig vermeiden, indem Sie das Methan herstellen Sie versorgen Ihren Elektrolyseur mit Strom aus Wind- oder Solarenergie, Kernkraft, Wasserkraft, Geothermie usw. Dies sind alles Möglichkeiten, mit denen Sie einen fossilen, treibhausgasemissionsfreien Brennstoff für Ihren Brenner erhalten könnten – im Idealfall, vorausgesetzt, Sie können ihn sich leisten.

Sie könnten das Netz natürlich auch mit Methan aus Biogas versorgen – aber obwohl ich davon überzeugt bin, dass Biogas ein wichtiger Brennstoff für die Brennstoffnutzung sein wird, die wir in einer postfossilen Zukunft wirklich brauchen, sollte Ihnen niemand davon überzeugen, dass es so sein wird Genug Biogas, um die bestehenden Erdgasvorräte zu ersetzen – oder auch nur einen kleinen Bruchteil dieser Vorräte. Wenn Sie also Ihre Brenner behalten und keine fossilen Treibhausgase ausstoßen möchten, scheint Wasserstoff Ihre einzige Option zu sein. Und genau das sagt die Erdgasindustrie den Regierungen auf der ganzen Welt.

Natürlich geben diese Gasunternehmen und Elektrolyseurlieferanten ihre Ratschläge nicht ohne Eigeninteresse. Sie gehen von der Position aus, dass sie im Geschäft bleiben müssen, und Sie müssen Ihre Brenner behalten – fair genug! Die offensichtliche Alternative besteht darin, Ihre Brenner direkt durch Strom zu ersetzen und den verlustbehafteten Wasserstoff-Zwischenhändler auszuschalten, aber das würde sie aus dem Geschäft drängen. Beim Heizen Ihres Zuhauses und sogar bei der Warmwasserbereitung erspart Ihnen eine Wärmepumpe nicht nur den Umwandlungsverlust von 30 % in Wasserstoff, sondern liefert Ihnen auch Wärme im Wert von etwa 3 kWh für jede eingespeiste kWh Strom. Viel, viel effizienter. Aber nicht billig – die Wärmepumpe wird Sie einige Dollar kosten – und während Strom aus erneuerbaren Energien von Tag zu Tag billiger wird, wird Netzstrom immer noch zu einem Vielfachen der Kosten von Erdgas pro Energieeinheit verkauft – wegen der CO2-Steuer unzureichend sind und weil mancherorts immer noch fossile Brennstoffe das Stromnetz versorgen.

Für Ihr Kochfeld bietet ein Induktionsheizgerät sogar eine bessere Leistung als eine Flamme – möglicherweise müssen Sie ein paar Ihrer alten Aluminiumtöpfe und -pfannen wegwerfen, aber ansonsten werden Sie mit dieser Änderung wahrscheinlich sehr zufrieden sein. Und Ihr Ofen kommt mit einer einfachen alten Widerstandsheizung gut zurecht – mit viel besserer Temperaturkontrolle.

Erinnern Sie mich noch einmal daran, wofür wir ein Brenngas genau brauchen? Darauf weiß ich nur eine Antwort: Im Moment ist Erdgas ein sehr, sehr billiger Brennstoff, WENN man die fossilen Treibhausgasemissionen bei der Produktion, Verteilung und Verbrennung außer Acht lässt. Unabhängig davon, wie wir es angehen, wird es ein harter Kampf sein, den Einsatz von Erdgas bei der Hausheizung zu ersetzen – denn die Alternativen werden zumindest anfangs mehr kosten.

Wasserstoff hingegen ist kein billiger Kraftstoff. Und es sollte klar sein, dass es NIEMALS so billig sein kann wie das Erdgas oder der Strom, aus dem es hergestellt wird.

Selbst wenn Sie so nostalgisch an Ihre Gasgeräte hängen, dass Sie sich nicht von ihnen trennen könnten, müsste die Gasindustrie noch einige schwerwiegende Probleme überwinden, die nicht diskutiert werden, bevor Wasserstoff durch das Erdgasnetz fließt.

Wenn wir Wasserstoff herstellen wollen, sei es „blauer“ Wasserstoff aus Erdgas mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung oder „grüner“ Wasserstoff aus Wasser mit erneuerbarem Strom, muss er immer noch vom Herstellungsort zu Ihnen nach Hause gelangen. Und es ist nicht so einfach, einfach zu ändern, was durch die Rohre fließt.

Um Gas wirtschaftlich zu transportieren, muss es komprimiert werden. Und es stellt sich heraus, dass dies das große Problem bei der Wasserstoffverteilung ist – es ist der Grund dafür, dass beispielsweise 85 % des in Europa produzierten Wasserstoffs praktisch keine Strecke bis zum Verbrauchsort zurücklegen, weil er direkt am selben Standort oder direkt nebenan hergestellt wird.

Erdgas ist etwa 8,5-mal so dicht wie Wasserstoff, und dichte Gase lassen sich leichter (energieeffizienter) bewegen als weniger dichte. Wasserstoff gleicht diese Tatsache teilweise dadurch aus, dass es pro Masseneinheit eine höhere Energiedichte aufweist – etwa dreimal so viel wie Erdgas. Aber leider hängt die Arbeit (mechanische Energie), die zum Antrieb eines Kompressors erforderlich ist, linear von der Anzahl der Mol Gas ab, die wir komprimieren, und nicht von deren Masse oder Volumen an sich. Es hängt auch, schwächer und komplexer, vom Verhältnis der spezifischen Wärmen des Gases ab – was, wie sich herausstellt, einen geringfügigen Unterschied macht (zugunsten von Erdgas), der mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis zunimmt. Wenn wir jedoch den LHV von Wasserstoff pro Mol mit dem LHV von Erdgas pro Mol vergleichen, stellen wir fest, dass Erdgas etwa das 2,9-fache der Energiedichte in molaren Einheiten aufweist. Anders ausgedrückt: Es dauert ungefährdreimal so viel Energie um die Wärmeenergie im Wert von einem MJ zu komprimieren, wenn Sie sie als Wasserstoff bereitstellen, als wenn Sie sie als Erdgas bereitstellen. Und das erklärt zumindest teilweise, warum wir Wasserstoff nicht viel per Pipeline transportieren. Stattdessen transportieren wir Erdgas dorthin, wo Wasserstoff benötigt wird, und bauen dort eine Wasserstoffanlage. (Den Beweis finden Sie am Ende des Artikels.)

Diese dreifache Steigerung der Kompressionsarbeit kostet nicht nur Energie, sondern würde auch einen Gasversorger viel Geld kosten, da jeder Kompressor in seinem Netzwerk durch eine neue Einheit mit dreimal so viel Leistung ersetzt werden müsste. und auch körperlich größer – mit 3-facher Saugverdrängung. Und da Wasserstoff so bekanntermaßen austritt, ist der Wasserstoffvolumenstrom bei einem bestimmten Wärmestrom in der Pipeline usw. höher, und die Kompressoren müssten völlig andere Maschinen sein – und zwar deutlich teurere.

Wasserstoff liegt bereits, runde Zahlen, bei etwa 37 % im besten Fall bei der Zykluseffizienz, wenn er mit Strom beginnt und endet. Während Erdgas und Strom pro Energieeinheit ungefähr die gleichen Kosten und die gleiche Effizienz bei der Verteilung haben, wird Wasserstoff etwa das Dreifache dessen kosten, was Erdgas an verlorener Energie kostet, allein um das Gas zu transportieren. Und da die nachgeschalteten Anlagen bei der erneuten Stromerzeugung nur zu 50–60 % effizient sind, müssen Sie etwa doppelt so viel Wasserstoffenergie an den Zielort transportieren, um die gleiche Aufgabe zu erfüllen, als wenn Sie stattdessen Strom transportieren würden. Dabei werden die zusätzlichen Kapitalkosten außer Acht gelassen, die ebenfalls aufgewendet werden müssten.

Man könnte meinen, dass man eine zusätzliche Strafe erleiden würde, wenn man Wasserstoff durch Rohrleitungen transportiert, sobald man den gewünschten Druck erreicht hat – das war sicherlich mein erster Eindruck. Aber wie sich herausstellt, ist die Antwort auf diese Frage ziemlich komplex und hängt davon ab, unter welchen Bedingungen Sie die Berechnungen durchführen. Wasserstoff ist weniger dicht, weniger viskos und pro Masseneinheit energiereicher als Erdgas. Aber wenn Sie die Druckabfallberechnungen bei den Geschwindigkeiten und Druckabfällen durchführen, die in Pipelines verwendet werden, die Gase über große Entfernungen transportieren (wo Druckabfälle in der Größenordnung von 5 psi pro Meile Rohr liegen, statt 5 psi pro 100 Fuß Rohr). (das könnte in den Rohrleitungen einer Chemiefabrik typisch sein), Wasserstoff und Erdgas kommen bei einer gegebenen Rate an LHV-Wärme, die pro Stunde durch ein Rohr gegebener Größe abgegeben wird, nahezu gleichmäßig heraus.

Das ändert sich an verschiedenen Stellen im Verteilungssystem, und in erster Näherung ergibt sich ein DurchschnittEine vorhandene Gasleitung kann etwa 90 % der Energie in Form von Wasserstoff transportieren, die sie transportieren könnte, wenn sie mit durchschnittlichem Erdgas gespeist würde es wurde dafür entworfen. Die Geschwindigkeit wird etwa dreimal höher sein, aber die Dichte ist 1/8,5-mal so hoch, und zusammen mit der geringfügig niedrigeren Viskosität heben sich die Faktoren nahezu gegenseitig auf. Da jedoch jede kWh Energie, die durch Reibung in der Pipeline verloren geht, von einem Kompressor stammen muss, bedeutet dies immer noch, dass Wasserstoff etwa dreimal so viel pro Energieeinheit kostet, um in einer Pipeline von der Quelle zum Ziel zu gelangen.

Wie ich meinen Lesern verspreche, überarbeite ich meine Artikel, wenn sie mir neue Dinge beibringen oder auf meine Fehler hinweisen. Und ein sachkundiger Kontakt machte mich auf dieses ziemlich große Problem aufmerksam, das auf die geringere Energiedichte von Wasserstoff pro Volumeneinheit zurückzuführen ist. Als „Line Pack“ bezeichnet man die im Rohrleitungssystem selbst gespeicherte Erdgasmenge. Und wenn wir den Druck des Verteilungssystems nicht erhöhen – was ohne neue Rohre nicht möglich ist –, verlieren wir diesen Speicher. Ein typisches Gassystem kann offenbar allein mit dem in den Leitungen gespeicherten Gas einen durchschnittlichen Bedarf von etwa drei bis vier Stunden bewältigen. Reiner Wasserstoff, der nur ein Drittel der Energiedichte pro Volumeneinheit hat, würde diese Zeit auf etwa eine Stunde reduzieren. Das könnte einen enormen Unterschied in der Zuverlässigkeit des Verteilungssystems, der Häufigkeit und Dauer von Ausfällen und der Fähigkeit des Netzes in seiner jetzigen Form bedeuten, Nachfrageschwankungen zu bewältigen – den großen Anstieg, wenn alle nach Hause kommen, ihre Öfen oder Boiler aufdrehen und sich umdrehen zum Beispiel auf ihren Kochfeldern.

Mir ist bereits bewusst, dass Unterteilungen manchmal über die Geschwindigkeit hinauswachsen, mit der die Gasversorger neue Leitungen zu ihnen installieren können. Dementsprechend verdampfen einige Energieversorger flüssiges Erdgas aus Tanks an Stellen unterhalb des „Engpasses“, um die Öfen und Kochfelder während der Spitzenzeiten am Laufen zu halten. Dies mit Wasserstoff zu tun, wäre sehr teuer und sehr gefährlich, wenn man bedenkt, dass flüssiger Wasserstoff etwa 40 % der im Wasserstoff enthaltenen Energie benötigt, um ihn zu verflüssigen, und bei 24 Kelvin (24 Grad über dem absoluten Nullpunkt) siedet – flüssiges Methan siedet bei milden 112 Kelvin oder -161°C) – und in flüssiger Form sind es immer noch nur 71 kg/m3 – Methan liegt im Vergleich zur Flüssigkeit bei etwa 600 kg/m3.

Wenn Sie es nicht zu stark erhitzen, kann Wasserstoff problemlos mitgeführt werdenBaustahl Rohrleitungen – sogar bis zu ziemlich hohen Drücken. Die viel diskutierte „Wasserstoffversprödung“ spielt bei Rohrleitungen aus weichem Weichstahl oder niedriglegiertem Stahl, wie sie in den meisten Rohrleitungen von Chemieanlagen verwendet werden, keine Rolle.

Allerdings bestehen Erdgaspipelines – insbesondere Pipelines, die Erdgas über weite Strecken oder unter Wasser transportieren – nicht aus Weichstahl. Sie bestehen aus härteren, stärkeren Stählen – und diese Stähle sind vielen Berichten zufolge anfällig für Wasserstoffversprödung oder andere wasserstoffbedingte Schadensmechanismen, insbesondere in ihren Schweißnähten und Wärmeeinflusszonen – selbst bei relativ moderaten Drücken und Temperaturen.

Glaubwürdigen Berichten von Erdgasversorgungsunternehmen wie diesem hervorragenden zufolge müssten die meisten Hoch- und Mitteldruck-Erdgasverteilungssysteme vollständig ersetzt werden, um reinen Wasserstoff verarbeiten zu können. (Siehe Seite 12 dieser Referenz, wo dies in ebenso vielen Worten gesagt wird – und diese Leute, denen die Rohre gehören, sollten es am besten wissen!) Das sind enorme Kosten – insbesondere für den Wechsel zu einem Kraftstoff, der möglicherweise besser ist sowieso durch Strom ersetzt.

Beachten Sie, dass Wasserstoffschäden und Wasserstoffversprödung komplexe metallurgische Themen sind und dass entstehender Wasserstoff (Wasserstoffatome, die durch elektrochemische Vorgänge wie bei Korrosion erzeugt werden) Schäden verursacht, die molekularer Wasserstoff nicht verursachen kann, bis eine Kombination aus hohem Druck und hoher Temperatur dies ermöglicht. Aber die Berichte über H2-Kompatibilitätsprobleme bei Pipelines, die für Erdgas verwendet werden, werden von Leuten, die sich mit diesem Thema viel besser auskennen als ich, recht gut belegt.

Das Niederdruckverteilungssystem besteht größtenteils aus Rohren aus kohlenstoffarmem Stahl und HDPE, durch die Sie problemlos Wasserstoff leiten können. Aufgrund der geringen Dichte und des hohen Diffusionsvermögens von Wasserstoff kann jedoch aus Rohrleitungen, die so ausgelegt sind, dass kein Erdgas austritt, viel Wasserstoff austreten. Und leider sind übelriechende Stoffe wie die Thiole (Mercaptane), die in Erdgas zur Erkennung von Lecks verwendet werden, nicht mit Wasserstoff kompatibel, und insbesondere nicht mit Wasserstoff, der zur Versorgung von PEM-Brennstoffzellen, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden, verwendet wird. Die Katalysatoren in diesen Brennstoffzellen reagieren äußerst empfindlich auf solche Schwefelverbindungen. Angesichts des extrem großen Explosionsbereichs von Wasserstoff – jede Mischung zwischen 4 % und 75 % Wasserstoff in der Luft ist explosiv – scheint das Fehlen eines übelriechenden Mittels zur Erkennung von Lecks ein sehr schwieriges Problem für die Verteilung dieses Kraftstoffs an Haushalte und Unternehmen zu sein.

Die ersten Projekte versuchen allesamt, diese Probleme zu lösen, indem sie Erdgas etwas H2 beimischen, anstatt den großen Sprung zu reinem Wasserstoff zu wagen. Und wenn man davon hört, „20 % des Erdgases durch Wasserstoff zu ersetzen“, könnte man meinen, dass das einen großen Unterschied machen würde!

Denk nochmal.

Eine 20-prozentige Mischung von H2 in Erdgas ist eine 20-prozentige Mischung nach Volumen. Dieses Gemisch hat nur 86 % der Energie eines durchschnittlichen Erdgases, was bedeutet, dass Sie 14 % verbrennen müssten.mehr Gasvolumen um die gleiche Anzahl Joule oder BTU Wärme zu erzeugen. Die Einsparungen bei den Treibhausgasemissionen betragen nicht annähernd 20 % – allein bei der Verbrennung liegen sie eher bei 6 % und unter Berücksichtigung der oben erwähnten Kompression und des Druckverlusts sogar noch geringer. Eine solche Reduzierung würde hitzeempfindliche Benutzer bereits zum Schreien bringen, vergessen Sie also, auf 30 % H2 umzusteigen! Bei einer gegebenen zugeführten Energiemenge würde eine 20-prozentige Mischung aus Wasserstoff und Erdgas 13 % mehr Energie für die Komprimierung benötigen und etwa 10 % mehr Druck pro Rohrlängeneinheit verlieren, als wenn man bei Erdgas bleiben würde – weil Gas muss schneller strömen und ist dennoch nicht dicht genug, um dies zu kompensieren. Diese Faktoren würden einen Teil Ihrer Treibhausgasemissionseinsparungen zunichtemachen. Und während Industrienutzer geschützt wären – sie zahlen pro BTU oder Joule LHV oder HHV, die vom Gasunternehmen geliefert werden – könnten einige Nutzer zu kurz kommen, da sie stattdessen pro Volumeneinheit zahlen.

Eine weitere Ausrede, die wir für die Notwendigkeit von Wasserstoff als Ersatz für Erdgas hören, ist „Hochtemperatur-Industrieheizung“. Aus irgendeinem Grund scheinen die Leute einfach anzunehmen, dass wir, weil wir einige Geräte derzeit durch die Verbrennung von Kraftstoffen betreiben, nicht stattdessen Strom nutzen können. Die Beispiele der Stahl- und Zementherstellung werden häufig angeführt, aber es gibt noch viele andere.

Hier muss ich das einbringen, was ich beruflich mache. Ich entwerfe und baue Pilotanlagen, bei denen es sich um Prototypen zum Testen neuer chemischer Prozesse handelt. Diese Anlagen können von winzigen Laboreinheiten bis hin zu recht großen Anlagen reichen, die für den Durchschnittsbürger wie jede andere echte Chemiefabrik aussehen würden. Aber das Einzige, was einer Pilotanlage fast ausnahmslos fehlen wird, istjegliche abgefeuerte Ausrüstung . Es gibt Ausnahmen, aber abgesehen von der Funktion der Entsorgung von Abfallströmen brennbarer Materialien wird jede Funktion, die in einer kommerziellen Chemieanlage mit befeuerten Geräten ausgeführt wird, mithilfe von Elektrizität und nicht in einer Pilotanlage erledigt. Warum das? Viele Gründe:

1) Elektrizität ist weitaus sicherer und leichter zu kontrollieren als Feuer, insbesondere im kleinen Maßstab. Elektrische Heizung sorgt für eine schnelle und genaue Steuerung und reduziert Hot Spots, verringert Risiken für Baumaterialien usw.

2) Strom kostet als Wärmequelle mehr als Kraftstoff, aber die Energiekosten einer Pilotanlage sind für ihre Betreiber selten der wichtigste Faktor.

3) Befeuerte Heizgeräte benötigen im Allgemeinen Luftemissionsgenehmigungen und erfordern möglicherweise Rauchgastests – Kosten, die die Pilotanlage durch den Einsatz elektrischer Heizung vermeidet.

4) Um einen Strom mit einem Brenner auf hohe Temperaturen zu erhitzen, verlässt das Gerät ein Rauchgas mit hoher Temperatur. Chemiefabriken nutzen dieses heiße Rauchgas, um zahlreiche andere Ströme aufzuheizen, damit es nicht in den Abfall gelangt – oder sie nutzen es, um Dampf zu erzeugen, um Geräte anzutreiben oder Dinge heiß zu halten. In einer Pilotanlage lohnt sich die Mühe einer solchen Wärmeintegration einfach nicht

5) Befeuerte Geräte sind teurer als elektrisch beheizte Geräte

6) Wenn Sie höchste Temperaturen benötigen, ist eine elektrische Heizung manchmal die einzig mögliche Option.

Bei der Stahlerzeugung besteht der eigentliche Bedarf an Wasserstoff überhaupt nicht zum Heizen – Elektrolichtbogenöfen für die Stahlerzeugung erfreuen sich bereits großer Beliebtheit. Wasserstoff wird benötigt, um das aus Kohlenkoks hergestellte chemische Reduktionsmittel Kohlenmonoxid zu ersetzen, das zur Reduktion von Eisenoxid zu Eisenmetall verwendet wird. Da sich auch Methoden zur direkten elektrochemischen Reduktion in der Entwicklung befinden, ist es möglich, dass wir Stahl auch ganz ohne den Einsatz von Wasserstoff herstellen könnten.

In vielen anderen Anwendungen könnte eine elektrische Heizung problemlos eingesetzt werden, um die Verbrennung von Brennstoffen überflüssig zu machen. Allerdings wären dafür Änderungen an größeren Ausrüstungsteilen erforderlich, was mit erheblichen Kosten verbunden sein könnte. Aber wenn die Alternative darin besteht, ein Vielfaches dieser Kosten für aus Strom hergestellten Wasserstoff auszugeben, können diese Einsparungen eine ganze Menge Kapital decken.

Wenn man mit einem frischen Blatt Papier und ohne Feuerraum auf dem Kopf an die Sache herangeht, könnten die meisten Anwendungen in der Industrieheizung derzeit aus Kostengründen mit Feuer bedient werden (weil Brennstoffe billiger sind, solange man fossiles CO2 in die Atmosphäre abgeben kann). lässt sich problemlos auf Elektroheizung umrüsten.

Alles, was wir wirklich brauchen, ist, die Preise für fossile Kohlenstoffemissionen so hoch und dauerhaft zu bepreisen, dass sich die damit verbundenen Kapitalinvestitionen für die betroffenen Industrien wirtschaftlich lohnen.

Ein weiteres Argument, das ich häufig höre, ist, dass wir aufgrund der doppelten Belastung durch einen höheren Energiebedarf für die Heizung und eine geringere Solarstromproduktion im Winter Wasserstoff benötigen werden, um das Defizit auszugleichen. Wir müssen im Sommer große Mengen Wasserstoff herstellen und ihn bis zum Winter in Salzkavernen speichern. Während gespeicherte Brennstoffe irgendeiner Art wahrscheinlich ein nützlicher Teil eines Notfallplans in jeder post-fossilen Zukunft sind, ist es für mich keine logische Konsequenz, dass nur weil es möglich ist, Wasserstoff für diesen Zweck zu verwenden, dies tatsächlich energetisch oder energieeffizient wäre wirtschaftlicher Sinn. Methan, sei es aus Biogas oder sogar aus fossilem Erdgas, scheint die logischere Wahl als zu speicherndes Gas zu sein, da wir bereits über strategische und Notvorräte für Erdgas verfügen. Und wir könnten genauso gut Biogas-Methan für ein Jahr speichern, wie wir einen Weg finden könnten, im Sommer überschüssigen Wasserstoff herzustellen.

Das größte wirtschaftliche Problem von grünem Wasserstoff als Energiespeichermedium sind die Kosten für Elektrolyseure und Speichergeräte – und wie wir in diesem Artikel gesehen haben, werden auch die Vertriebskosten nicht so niedrig sein, wie manche erwarten. Die Multiplikation des niedrigen Kapazitätsfaktors einer Wind- oder Solaranlage mit einem anderen saisonalen Kapazitätsfaktor von beispielsweise 0,5 oder weniger führt nicht zu niedrigen Kapitalkosten pro kg gespeichertem Wasserstoff. Dieser gespeicherte Brennstoff wäre in der Tat sehr teuer, selbst wenn der Strom selbst recht billig wäre.

Zusammenfassend scheint es mir ziemlich klar zu sein, dass die Rolle von Wasserstoff als Ersatz für Erdgas mehr mit der Notwendigkeit zu tun hat, dass Gasproduktions- und -verteilungsunternehmen im Geschäft bleiben, indem sie etwas zu verkaufen haben, als mit einem tatsächlichen Vorteil bei den Treibhausgasemissionen oder einem erheblichen technischen Bedarf . Und wenn sie die notwendigen Investitionen komplett aus eigenem Nickel tätigen wollen, um über ein ausgebauten Netz wirklich grünen oder sogar „blauen“ Wasserstoff als Ersatz für Erdgas bereitzustellen, ist das vielleicht für mich in Ordnung. Bedauerlicherweise scheint es ziemlich klar zu sein, dass ihre Obergrenzen in der Hand liegen und sie sich an den öffentlichen Sektor wenden, um die notwendigen Infrastrukturinvestitionen zu finanzieren. Ich persönlich bin der Meinung, dass man damit gutes Geld schlechtem hinterherwerfen würde.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS: Dies sind meine persönlichen Meinungen, die auf meinen Kenntnissen und meiner Praxis im Bereich Chemieingenieurwesen der letzten 30 Jahre basieren. Meine Meinung ist meine eigene und darf nicht mit der Meinung meines Arbeitgebers Zeton Inc. oder seiner Kunden verwechselt werden. Sie werden nur durch den aufrichtigen Wunsch motiviert, uns von fossilen Brennstoffen zu befreien und dadurch fossile Treibhausgase und toxische Emissionen, die mit ihrer Verbrennung einhergehen, zu eliminieren, und zwar zu möglichst geringen Kosten und Auswirkungen auf die Gesellschaft. Meine Kommentare sind in keiner Weise durch persönliche finanzielle Interessen meinerseits oder meines Arbeitgebers oder seiner Kunden motiviert. Jeder Artikel, den ich schreibe, wird wahrscheinlich den einen oder anderen meiner Kunden verärgern – darauf können Sie sich verlassen!

Ich habe mein Bestes gegeben, um in dem, was ich gesagt habe, korrekt zu sein, und habe meine eigenen bestätigenden Berechnungen durchgeführt. Ich kann jedem, der danach fragt, Hintergrundinformationen dazu liefern. Aber ich bin ein Mensch und daher anfällig für Fehler. Ich behaupte auch keinen Moment, dass ich alles über dieses Thema weiß, mit dem manche Leute ihr ganzes Berufsleben verbracht haben. Wenn Sie mir anhand von Referenzen oder zuverlässigen Beispielen zeigen können, wo ich bei meinen Analysen oder Berechnungen einen Fehler gemacht habe, überarbeite ich meinen Artikel dankbar, um diese neuen Erkenntnisse meinerseits widerzuspiegeln.

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ANHANG:

Hier ist die verkürzte Logik dahinter, warum es dreimal so viel Kompressorenergie braucht, um eine bestimmte Menge H2-LHV zu bewegen, als um die gleiche Anzahl J oder BTU Erdgas-LHV zu bewegen.

Wobei a und b Konstanten sind, die für jedes Gas unterschiedlich sind, sich aber zwischen H2 und Erdgas nur geringfügig unterscheiden, und r das Kompressionsverhältnis ist, d. h. P2/P1, P1 der anfängliche absolute Druck und V1 das anfängliche Volumen, die Arbeit von Die adiabatische Kompression wird durch eine Formel der folgenden Form angegeben:

W = a P1V1(1-r(1/r)^b)

Gemäß dem idealen Gasgesetz gilt P1V1 = nRT1, wobei n die Anzahl der Gasmole, R die ideale Gaskonstante und T1 die Anfangstemperatur ist.

Nimmt man die Gase 1 und 2 mit nahezu gleichen Werten von a und b (um Ergebnisse zu vermeiden, die mit r variieren) und nimmt sie bei gleichem Anfangsdruck, gleichem Volumen und gleicher Temperatur, so lässt sich zeigen, dass:

W1/W2 = ~n1/n2

Wasserstoff hat einen molaren LHV von 240 kJ/mol, und mittelschweres Erdgas könnte einen LHV von 695 kJ/mol haben. Das Arbeitsverhältnis beträgt daher ~2,9:1 für Wasserstoff gegenüber Erdgas, wenn wir eine konstante Anzahl von kJ LHV pro Kompressionshub oder pro Zeiteinheit bewegen würden.

Die tatsächlichen Werte von a und b (bezogen auf das Cp/Cv-Verhältnis) für H2 und Erdgas bei kommerziell bedeutenden Verdichtungsverhältnissen passen dieses Verhältnis von 2,9:1 auf etwa 3:1 an.

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