Chemical Energy Storage

501 Pages·2013·6.676 MB·English

by  Robert Schlögl

De Gruyter Graduate
Schlo¨gl (Ed.) • Chemical Energy Storage
Also of Interest
Biorefinery
From Biomass to Chemicals and Fuels
Michele Aresta, Angela Dibenedetto, Franck Dumeignil (Eds.), 2012
ISBN 978-3-11-026023-6, e-ISBN 978-3-11-026028-1
Nanocarbon-Inorganic Hybrids
Next Generation Composites for Sustainable Energy Applications
Dominik Eder, Robert Schlögl (Eds.), 2013
ISBN 978-3-11-026971- 0, e-ISBN 978-3-11-026986-4
Microalgal Biotechnology:
Potential and Production
Clemens Posten, Christian Walter (Eds.), 2012
ISBN 978-3-11-022501-3, e-ISBN 978-3-11-022502-0
Microalgal Biotechnology:
Integration and Economy
Clemens Posten, Christian Walter (Eds.), 2012
ISBN 978-3-11-029827-7, e-ISBN 978-3-11-029832-1
Chemistry of High-Energy Materials
Thomas M. Klapötke, 2nd Ed., 2012
ISBN 978-3-11-027358-8, e-ISBN 978-3-11-027359-5
Green
TheInternationalJournalofSustainableEnergyConversionandStorage
Martin Stutzmann (Editor-in-Chief)
ISSN 1869-876X, e-ISSN 1869-8778
Chemical Energy
Storage
Edited by Robert Schlo¨gl
DE GRUYTER
Editor
Prof. Dr.Robert Schlögl
Fritz HaberInstitute of theMax PlanckSociety
Department of InorganicChemistry
Faradayweg4-6
14195Berlin
Germany
[email protected]
ISBN 978-3-11-026407-4
e-ISBN978-3-11-026632-0
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
ACIPcatalogrecordforthisbookhasbeenappliedforattheLibraryofCongress.
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©2013WalterdeGruyterGmbH,Berlin/Boston.
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Coverimage:Istockphoto/Thinkstock
∞Printedonacid-freepaper
PrintedinGermany
www.degruyter.com
Contents
AuthorIndex . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. xv
1.1 TheSolarRefinery . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 1
RobertSchlögl
1.1.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 1
1.1.2 The Roleof Chemistryin theEnergyChallenge .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 5
1.1.3 ChemicalReactions andCatalysis . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 7
1.1.4 The Designof CatalystsandProcesses . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 16
1.1.5 The BiologicalOrigin of OurPresent EnergySystem. . . .. . . . .. . . . . .. . . 17
1.1.6 ChemicalEnergyStorage:One Long-TermSolution . . . .. . . . .. . . . . .. . . 20
1.1.7 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 30
1.2 EnergyStorageStrategies . . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 35
FerdiSchüth
1.2.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 35
1.2.2 General Considerations. .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 35
1.2.3 Heat(Cold) Storage . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 37
1.2.4 Grid-Scale Storageof Electrical Energy .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 39
1.2.4.1 Storageon theTransmissionGrid Scale .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 40
1.2.4.2 Storageon Distribution andMedium-Voltage Grid Scale.. . . . .. . . . . .. . . 43
1.2.5 EnergyStoragefor Mobile Applications.. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 44
1.2.5.1 ChemicalCompounds. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 45
1.2.5.2 Traction Batteries. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 46
1.2.6 SystemsConsiderations. .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 47
1.3 EnergyandSociety:A Practical Guide . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 49
GerhardHofmann
1.3.1 Notes . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 57
1.3.2 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 57
2.1 BiofuelsDerivedfromRenewable Feedstocks . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 59
ReginaPalkovits andWilliam R.H.Wright
2.1.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 59
(cid:2)
vi Contents
2.1.2 Sourcesof Biomass. . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 59
2.1.3 Lignocellulose asFeedstock. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 62
2.1.4 Bioethanol asSustainable Biofuel.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 63
2.1.5 Biodieselas Potential Biofuel. . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 66
2.1.6 Productionof Biofuel via ChemicalTransformations of Lignocellulose . .. . . 68
2.1.7 ControlledTransformations of Carbohydratesinto HydrocarbonFuels . .. . . 72
2.1.8 ControlledTransformations of Carbohydratesinto Novel Biofuels . . . . .. . . 76
2.1.8.1 TransformationsBased on LA. . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 77
2.1.8.2 Biofuel CompoundsBased on5-HMF . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 79
2.1.9 ControlledTransformations of Lignin intoPotential Fuel Compounds . .. . . 81
2.1.10 Summary. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 82
2.1.11 Acknowledgment . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 82
2.1.12 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 82
2.2 BiomassConversiontoChemicals.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 87
Armin BrandnerandPeterClaus
2.2.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 87
2.2.2 Classificationof Biomass.. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 88
2.2.2.1 Lignocellulose . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 89
2.2.2.2 Lipids . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 94
2.2.2.3 Proteins.. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 98
2.2.3 SelectedKeyChemicals. .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 98
2.2.3.1 Cellulose . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 98
2.2.3.2 Glycerol . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 99
2.2.4 TechnologiesandRequirementsforChemicalProductionfromBiomass....... 103
2.2.5 EconomicConsiderations . . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 104
2.2.6 Outlook.. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 105
2.2.7 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 105
2.3 ThermalConversionofBiomass . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 109
NikolaiDeMartini, AtteAho, MikkoHupa,andDmitryYu.Murzin
2.3.1 Torrefaction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 112
2.3.2 Pyrolysis . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 112
2.3.2.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 112
2.3.2.2 PyrolysisReactors . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 113
2.3.2.3 Biomass.. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 114
2.3.2.4 Compositionof Bio-Oil. .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 114
(cid:2)
Contents vii
2.3.2.5 Utilization of Bio-Oil . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 115
2.3.2.6 Upgradingof Bio-Oil . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 115
2.3.3 Gasification. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 116
2.3.3.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 116
2.3.3.2 GasificationReactors . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 117
2.3.3.3 EnergyinGasification. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 118
2.3.4 Combustion. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 118
2.3.4.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 118
2.3.4.2 EnergyinCombustion . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 119
2.3.4.3 Co-combustion. .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 119
2.3.5 Summary. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 120
2.3.6 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 121
2.4 BiomasstoMineralized Carbon:Energy Generation
and/orCarbon Sequestration. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 125
MarkusAntonietti
2.4.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 125
2.4.2 HTC. . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 126
2.4.2.1 HTCof BiomassWastefor EnvironmentallyFriendly
CarbonSequestration . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 126
2.4.2.2 HTCfor“Carbon-Negative Materials”. .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 127
2.4.3 MineralizedBiomassas EnergyCarrier. .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 129
2.4.3.1 “Biocoal”andItsComparison to OtherBiofuels,Biogas andBioethanol.. . . 129
2.4.3.2 CarbonFuel Cells . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 132
2.4.4 Discussion andConclusion . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 133
2.4.5 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 133
3.1 ElectrochemicalConcepts:A Practical Guide. . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 135
KarlDoblhofer
3.1.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 135
3.1.2 Electrodesin Electrolytes.. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 137
3.1.3 Energeticsof ElectrodeReactions.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 138
3.1.4 The ElectrochemicalCell.. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 140
3.1.4.1 The Concept . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 140
3.1.4.2 ChemicalandElectricEnergy . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 142
3.1.4.3 The MaximumElectricEnergyProduced andthe Equilibrium
CellVoltage. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 144
3.1.5 ConcentrationDependence of E: The NernstEquation. . .. . . . .. . . . . .. . . 145
3.1.5.1 The NernstEquation . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 145
3.1.5.2 ConcentrationCells . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 147
(cid:2)
viii Contents
3.1.6 The TemperatureDependence of the Equilibrium CellVoltage, E. . . . . .. . . 148
3.1.7 Conclusion. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 148
3.1.8 Acknowledgment . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 149
3.1.9 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 150
3.2 Water-Splitting ConceptualApproach . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 151
JanRossmeisl
3.2.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 151
3.2.2 Fundamentals . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 151
3.2.3 Standard (Reversible)Hydrogen Electrode . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 152
3.2.4 The CathodeHalf-Cell Reaction .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 153
3.2.5 The AnodeHalf-CellReaction. . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 154
3.2.5.1 Free EnergyDiagram. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 155
3.2.5.2 TafelEquation and ΔGOER. . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 156
3.2.5.3 ScalingRelations . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 158
3.2.5.4 UniversalScalingandTrends in Activity . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 159
3.2.6 Conclusion. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 161
3.2.7 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 161
3.3 FuelCells. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 163
PeterStrasser
3.3.1 WhatIsaFuel Cell?. . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 164
3.3.2 Components of aFuel Cell . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 165
3.3.3 PerformanceCharacteristics of aFuel Cell . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 170
3.3.4 The Electrocatalysisof OxygenReduction atFuel CellCathodes . . . . . .. . . 173
3.3.4.1 UnderstandingtheElectrodePotential Dependence of the ORR .. . . . . .. . . 173
3.3.4.2 UnderstandingandPredictingTrends in ORR Activity
onTransition-Metal Catalysts . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 174
3.3.4.3 Nanostructured PtCore-Shell Electrocatalysts fortheORR . . . .. . . . . .. . . 177
3.3.4.4 Noble-Metal-Free ORRPEMFC Electrocatalysts . . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 182
3.3.5 Conclusions. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 182
3.3.6 Acknowledgments. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 183
3.3.7 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 183
3.4 MolecularConceptsofWaterSplitting: Nature’sApproach . . . . .. . . . . .. . . 185
Nicholas CoxandWolfgang Lubitz
3.4.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 185
(cid:2)
Contents ix
3.4.2 WaterOxidation.. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 187
3.4.2.1 PSII . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 187
3.4.2.2 GeometricStructure of the WOC.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 190
3.4.2.3 Electronic Structure of theWOC.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 192
3.4.2.4 Function of theWOC. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 194
3.4.2.5 SuggestedMechanisms of O–OBond Formation.. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 195
3.4.2.6 Summary: Principlesof Photosynthetic WaterSplitting. . .. . . . .. . . . . .. . . 197
3.4.2.7 CurrentWater-Splitting Catalysts.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 198
3.4.3 HydrogenProduction andConversion . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 199
3.4.3.1 Classificationof Hydrogenases. . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 200
3.4.3.2 Structure of [NiFe]and[FeFe] Hydrogenases . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 200
3.4.3.3 Intermediate StatesandReactionMechanisms. . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 203
3.4.3.4 OxygenSensitivity andTolerance.. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 209
3.4.3.5 DesignPrinciples of Hydrogenases. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 210
3.4.3.6 MolecularCatalystsforH Conversion andProduction. .. . . . .. . . . . .. . . 211
2
3.4.4 Conclusions. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 213
3.4.5 Acknowledgments. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 214
3.4.6 Notes . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 214
3.4.7 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 215
3.5 Batteries: ConceptsandSystems. .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 225
DominikSamuelis andJoachimMaier
3.5.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 225
3.5.2 SecondaryBattery Systems . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 228
3.5.3 Lithium Batteries . . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 232
3.5.4 Thermodynamicsof Electrochemical EnergyStorage . . . .. . . . .. . . . . .. . . 236
3.5.5 Kineticsof EnergyStorage . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 239
3.5.6 Materials Optimization: Adjusting Screws. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 240
3.5.7 Outlook.. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 244
3.5.8 Acknowledgments. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 244
3.5.9 Note. . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 245
3.5.10 References. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 245
4.1 ChemicalKinetics: A PracticalGuide . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 249
SebastianArndtandReinhardSchomäcker
4.1.1 Theory .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 249
4.1.1.1 Introduction. . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 249
4.1.1.2 Courseof aCatalyticReaction . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 249
4.1.1.3 ReactionKinetics. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . 251