Re: eine Einordnung bitte

DerWoDa schrieb am 10.12.2023 23:58:

Ich kann nur eine Abschätzung abgeben:

In der verlinkten Studie Fig.1 findet sich eine TEM-Aufnahme der Partikel. Der Partikeldurchmesser beträgt ca. 25 nm.

Weitere Annahmen:

a) Durchschnittliche Dichte der Partikel 20g/cm³ (Gold 19,x Platin 21,x)
b) Der Zwischenraum wird mit 2nm angegeben, dieser wird von 2 benachbarten Partikeln "geteilt".
c) wir gehen vereinfachen von Zylindern mit d=25nm aus (ändert nicht allzuviel am Ergebnis)

Aus b) folgt ein Flächenbelegung von 25²/26² * Kreispackungsfaktor (ca. 77%) = ca. 70%

Jetzt berechnen wir die Fläche, welche mit 1g Katalysator belegt wird

Fläche = Masse / (Schichtdicke * Flächenbelegung * Dichte)

Fläche = 1g / (25nm *0,7 *20g/cm³) = 1/(25*10⁻7 cm *0,7 *20/cm³)= 28.500 cm² = 2,85 m²

Jetzt berechnen wir aus 139 mmol und der Molaren Dichte von H2 (= 1g /mol), dass innerhalb einer Stunde 0,139 g Wasserstoff erzeugt werden. Dieser besitzt einen Heizwert von 33,3 kWh/kg.

Es werden also je Stunde auf einer Fläche von 2,85 m² unter Einsatz von Katalysatoren mit Materialwert von ca. $50,-- etwa 4,7 Wh Energie "erzeugt".

Einordnung des Ergebnisses & Fehlerabschätzung:

Wir sind von Zylindrischen Partikeln ausgegangen, deren Dicke dem Durchmesser entspricht. Da die Dicke in die Berechnung mit einfließt bedeutet eine Halbierung der Dicke eine Verdopplung der Fläche und umgekehrt. Dies wäre ungünstig in Bezug auf den Flächenverbauch.

Die Materialkosten auf 10 Jahre bei 1000 Sonnenstunden je Jahr betragen $50,-- / 47 kWh = ca. 1$ je kWh. Die 10 Jahre sind eine Annahme, es könnten auch 1 Jahr oder 100 Jahre sein.

Vergleich: Eine Solarzelle liefert auf 1m² ca. 200-250 Wh. Ein H2-Elektrolyseur kommt auf einen Wirkungsgrad von ca. 50%. Damit lassen sich auf 2,8m² ca. 300 Wh H2-Äquivalent generieren. 2,85 m² Solarmodule kosten ca. 250€. Entsprechend über 10 Jahre bei 1000 Sonnenstunden/a -> 250€ / 3.000 kWh = €0,08 /kWh

Damit erzeugt Solarzelle -> Elektrolyseur etwa 60 mal mehr Energie je Fläche

Die Kosten je kWh sind mit Solarzelle -> Elektrolyseur etwa bei 8-9% je kWh. Wobei im Solarzellenszenario noch die Kosten für den Elektrolyseur hinzukommen, beim Katalysatorszenario die Kosten für die Erzeugung der Nanopartikel, die Beschichtung des Substrats, usw.

Alles über den großen Daumen gepeilt und Abend um 23:30h geschrieben - ich hoffe ich habe mich nicht verrechnet, falls doch bitte in Antwort schreiben.

Gruß
DWD

P.S.:

Zwar ist Telepolis kein Wissenschaftsmagazin, diese Abschätzung ist jedoch nicht sonderlich kompliziert und für einem Umweltingenieur, dessen Studium in der DDR (harte Schule) sicherlich nicht einfach war, kein Problem. Vielleicht wollte er halt mal "gute Nachrichten" bringen (was ich sehr Schätze!!!). Ich persönlich finde, dies kann man auch tun und gleichzeitig darauf hinweisen, dass die Technik sich noch deutlich verbessern muss.

Eine bessere Analyse wäre folgende Fragen den Autoren zu schicken:

a) Spielt der Partikel-Gap (Abstand) eine Rolle? Falls ein kleinerer Gap die Ausbeute erhöht, wie stehen die Chancen, dass man das technisch hinbekommt? -> potentiell geringerer Materialverbrauch und vorallem Flächenverbrauch.

Der Partikelabstand ist entscheidend. Der Mechanismus ist ein Energietransfer (Energie~1/r), kein Elektronenübergang via Tunneln. Der Energietransfer steigt mit kleinerem Au-Partikelradius. Technisch ist fraglich, ob dann diese geordnete Superstruktur noch herstellbar bleibt.

b) Kommt es nur auf die Fläche und nicht die Schichtdicke an? Könnten also deutlich dünnere Schichten den gleichen Effekt erzielen? -> geringer Materialverbrauch

Das Entscheidende ist die Oberfläche der Partikel. Offenbar braucht man eine Oberfläche als Träger. Grundsätzlich ist ein anderes Design denkbar. Der Vorteil ist wohl. das Au unf Pt-Partikel elektronisch voneinander isoliert sind, und keine direkte Kontaktfläche besitzen.

c) Was kostet die Herstellung der Partikel? Ist das Verfahren skalierbar? Was ist nötig eine Skalierbarkeit herzustellen? Wo liegen die Probleme?

Ich rate mal auf eine chemische Route, die dann eher leicht skalierbar ist. Fragwürdiger ist für mich die Langzeitstabilität des Ensembles, während es arbeitet. Was passiert, wenn eine strömende Flüssigkeit darüber geleitet wird.

Skeptisch bin ich ob der Verwendung von Al- und Mg-Nanopartikeln, da ihre Resonanzlage nicht im VIS-Bereich liegt und sie als sehr unedle Metalle viel schwieriger zu stabilisieren sind. Ich denke aber, die Autoren werden schon irgendwelche Vorstellungen zu Mg und Al haben.