today – historical
Engineering science book: The fuel cell system – developing hydrogen applications holistically
The use of hydrogen and fuel cells is hotly debated in the energy policy debate. Is hydrogen the champagne or the hope of the energy transition? Do hydrogen cars impress with their long range or does the efficiency of fuel cell technology still need to be increased?
This book presents the fuel cell system in a holistic manner. It is dedicated to the technological interaction of hydrogen (energy carrier) and fuel cells (energy converters) and their roles in the overall structure of renewable energy systems. In addition, it provides basic knowledge about the development and construction of hydrogen systems – from devices to large-scale systems.
E. Wagner: Das System Brennstoffzelle, HANSER, 2023
Potential analysis: Green hydrogen – opportunities and risks
A widespread distribution of individual large-scale plants AND many small green hydrogen production plants holds enormous potential – especially for German medium-sized businesses. At a Barksdale GmbH sales conference, the ecological and economic conditions as well as the technical characteristics of hydrogen were discussed. This opens up new, promising business areas for the manufacturer of hydrogen pressure sensors.
Customer: Barksdale GmbH, Reichelsheim, Hesse (Germany)
Time: May/June 2023
Consulting project: Agricultural operation with green hydrogen
Demand planning: Conception of an island farm for the independent regenerative electrical supply of a farm with hundreds of dairy cows (with high consumption for cooling, automatic feeders, etc.). The electrical supply comes from a large PV system with battery storage, biogas plant and electrolyzer for the production of green hydrogen. This should be dried, compressed and filled into commercially available compressed gas steel cylinders (with pressures of 200 or 300 bar). The plan is to sell it in standard metal boxes by truck to gas dealers or hydrogen filling stations.
Customer: Becker in Ernzen
Time: May/June 2021
Research project: regenerative alkaline fuel cell (AFC)
Herausforderung: Erforschung von Gasdiffusionselektroden mit Raney-Nickel-Katalysatoren zur hocheffizienten bidirektionalen Energiewandlung zwischen elektrischer Energie und Wasserstoff. Untersucht wurden mikro-thermomechanische Wirkungsweisen sowie der praktische Versuch mit einer kleinen alkalischen Brennstoffzelle mit Elekrolytspalt im Elektrolyse- wie im Brennstoffzellenbetrieb. Es wurden Speicherwirkungsgrade (round-trip-efficioency) von bis zu 70 Prozent erzielt.
Projektpartner: Gaskatel GmbH (Kassel) und Frankfurt University of Applied Sciences
Veröffentlichung: E. Wagner, H.J. Kohnke, Fuel Cells, 2020, 20, No. 6, pp. 718-729
Forschungsprojekt: Syntropie-Kennzahl
Kerngedanke: Niederwertige Wärmeenergie (Entropie), strebt stets eine Maximierung der Unordnung an. Geordnete Energieformen (Exergie) wie mechanische Energie oder elktrischer Strom beinhalten neben der physikalischen Energie zusätzlich eine bisher nicht quantifizierte Form von Hochwertigkeit, Komplexität oder Information (Syntropie). Wird die Exergie in einer dissipativen Struktur (z.B. ein Wirtschaftsunternehmen) abgewertet und Entropie produziert, so entfaltet sich die Syntropie und wird durch einen Informationsgewinn (mit Überraschungseffekt) sichtbar. Die Syntropie-Kennzahl (Syntropie-Index) gibt an, wie effizient eine Struktur Information aus Energieströmen generieren kann. Sie ist daher auch kennzeichnend für die Anpassungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Energiesystemen.
Veröffentlichung: E. Wagner, Ökologisches Wirtschaften 3, 2018
Forschungsprojekt: Mikro-Holzgasbrenner
Holzpellets enthalten auf natürlichem Wege gespeicherte Sonnenenergie. Sie weisen eine hohe Energiedichte auf und sind als Schüttgut im Handel kostengünstig erhältlich. Erhitzt man die kleinen Presslinge über eine bestimmte Temperatur hinaus, so setzen sie ein leicht brennbares Holzgas frei. Auf Grund dieser Vorteile haben sich bereits eine Reihe von Heizgeräten für Wohn- und Gewerbergebäude etabliert. Die Heizleistung dieser Anlagen reicht von rund 5 kW bis zu 100 kW. Doch auch für den mobilen Bereich ergeben sich interessante Anwendungsmöglichkeiten des erneuerbaren Brennstoffes. Hierfür ist allerdings ein Down-Scaling gegenüber herkömmlichen Geräten um den Faktor 10 erforderlich. In einem aktuellen Forschungsprojekt wurde nun ein Prototyp eines kompakten Pellet-Holzgasbrenners aufgebaut. Die Leistung läßt sich in einem Bereich zwischen 500 und 2000 Watt sehr gut einstellen. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt neben der Neukonzeption der mechanischen Verfahrenstechnik in der Konstruktion des Brennraumes, der thermischen Prozessführung und der sensorgesteuerten Regelung. Unanbhängiges Forschungsprojekt von ennoble power.
Gebrauchsmuster: Heizegrät, DE202018001770U1
Konzeptstudie: Wasserstofftankstelle
Die nächste Generation der Elektromobilität wird neben hochstromfähigen Akkumulatoren auch Brennstoffzellen mit an Bord führen. Hiermit kann in einem kontinuierlichen Fließprozess elektrische Energie für das Laden der Akkus oder den direkten Antrieb bereit gestellt werden. Die Reichweite der Fahrzeuge kann auf diese Weise gut verdreifacht werden. Nach einer Studie von McKinnsey werden bereits im Jahr 2025 mehrere Hunderttausend Brennstoffzellen PKW auf Deutschlands Strassen unterwegs sein. Wasserstoffgas kann vergleichbar mit herkömmlichem Benzin – unter Druck – getankt werden. Hierfür stehen jedoch erst gut ein Dutzend öffentliche Tankstellen in Deutschland bereit. In einer aktuellen Konzeptstudie wurde nun eine wirtschaftlich interessante Allternative aufgezeigt: Mit einer kleinen Geräte-Einheit kann mit Strom aus der Solarstromanlage der Sprit für den täglichen Pendelverkehr im eigenen Carport kostengünstig produziert werden. Für eine spezielle Verdichtersteuerung und Ventiltechnik wurde ein Patent vom DPMA erteilt. Unabhängige Studie von ennoble power.
Patent: DE102016208889A1
Grundlagenforschung: Verdampfung an der 3-Phasen-Kontaktlinie
In einer komplexen Siedeapparatur werden einzelne Dampfblasen auf der Oberseite einer dünnen Heizfolie erzeugt. Auf der Rückseite der Heizfolie lässt sich mittels einer IR-Kamera der Temperaturabdruck des anwachselnden Blasenfusses darstellen. Hier existiert die so genannte Mikrozone, ein sehr schmaler Bereich an der 3-Phasen-Kontaktlinie zwischen Heizwand, Flüssigkeit und Dampf. Nach theoretischen Modellen von P. Stefan kommt es auf einer Ausdehnung von wenigen Mikrometern zu einer sehr starken lokalen Verdampfung. In den Versuchen konnte, nach Lösen des inversen Wärmeleitproblems, einen ringförmigen Bereich mit extrem hoher Wärmestromdichten bildhaft dargestellt werden. Um das Blasenwachstum und damit die Geschwindigkeit des Blasenfusses deutlich zu verlangsamen wurden einige Versuche in der Schwerelosigkeit durchgeführt. Diese fanden an Bord eines umgebauten A300 im Rahmen einer ESA Parabelflug-Campagne statt.
Veröffentlichung: Hochauflösende Messungen beim Blasensieden von Reinstoffen und binären Gemischen, Sahker-Verlag, Aachen 2009, Doktorarbeit am Fachgebiet für Technische Thermodynamik, TU Darmstadt
NODE Nachwuchspreis: 1. Platz 2007
Beim NODE Nachwuchspreis für nachhaltige Technik und Architektur in Rechenzentren wurden innovative Konzepte zur Kühlung von Server-Racks in Rechenzenren gesucht. Die „Konzeptskizze eine solar basierten Energiesystems für Hochleistungs-Rechenzentren“ stellte hierbei einen ganzheitlichen Ansatz vor, bei dem unterschiedliche Energieformen entsprechend ihrer optimierten Verwedung eingesetzt wurden. Die Konzeptskizze erzielte hierbei den Ersten Platz und wurde in Frankfurt am Main mit einem Preisgeld von 5.000 € dotiert.
Sponsor: SCHNABEL AG
Beratungsprojekt: green-i-tower
Moderne Rechenzentren verwalten, speichern und verarbeiten riesige Datenmengen in so genannten Server-Racks. Nebenbei wird bei diesen Prozessen auch eine große Menge Wärme produziert, die aufwendig abgeführt werden muss. So müssen Rechenzentren häufig über ein Drittel ihrers Energiebedarfs für Vetnilation und Kühlung aufwenden. Um dem zu entgegnen wurde der Green-i-Tower konzipiert: Ein Mega-Rechenzentrum in Form eines hohen Turmes, in dem die Server-Racks auf jeder Ebene ringförmig um einen Frischluftschacht angeordnet sind. Durch die hierbei entstehende vertikale Thermik kann auf ein Großteil der Ventilatoren verzichtet werden. Da in einer äußeren Glashülle zusätzlich warme Luft nach oben strömt, können – nach dem Prinzip eines Aufwindkraftwerks – Turbinen zur Stromerzeugung in der Spitze des Turms angetrieben werde. Es wurden insbesondere die Thermodynamik und Strömungsmechanik im Aufwindkraftwerk berechnet.
Auftraggeber: Dipl. Ing. Architekt Bernhard Lenz, Fachbereich Architektur, TU Darmstadt, FG Entwerfen und Gebäudetechnologie.
Forschungsprojekt: Alkalische Brennstoffzellen
Alkalische Elektrolyse- und Brennstoffzellen bieten einige Vorteile gegenüber PEM-Brennstoffzellen: Sie haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad und sie können mit verhältnismäßig günstigen Materialen hergestellt werden. Für die Katalysatoren können statt Platin, Raney-Nickel und Kohlenstoff eingesetzt werden und statt Nafion-Membranen kommt einfache Kalilauge zum Einsatz. In einem Forschungsprojekt wurden daher mehrere alkalische Brennstoff- und Elektrolysezellen konstruiert und hinsichtliche einer Anwendung für kleiner Verbraucher analysiert. Hierzu wurden Gasdiffusionselektroden eingesetzt, die von der Firma Gaskatel in Kassel gestiftet wurden. Die Zellen wurden unter anderem in einem Versuchsstand für Studentenpraktika eingebaut.
Projektpartner: Gaskatel GmbH (Kassel), TU Darmstadt, Fachgebiet für Regenerative Energien