HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

            STARTSEITE                  Wissen           Verlag           Media           Shop           über uns          Impressum          Kontakt

Wissen / Wasserstoff   



H2 als Kraftstoff       Eigenschaften       Herstellung       Reinigung       Speicherung       Betankung

H2-Motor       Vergleich       Ausblick       Ergebnisse       Literatur    


Eigenschaften von Wasserstoff - Steckbrief

Wasserstoff tritt in der Regel unter Umgebungsbedingungen als Molekül bestehend aus zwei Wasserstoffatomen (H2) auf. Die Bezeichnung Wasserstoff existiert seit 1787. Der Franzose Lavoisier "taufte" den Wasserstoff als "hydrogène" (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner.

physikalisch

- ungiftig und nicht reizend
- umweltneutral, nicht wassergefährdend
- geruchlos
- geschmacksneutral
- unsichtbar, fast unsichtbare Flamme
- flüchtig, leichter als Luft
- entweicht durch kleinste Öffnungen
- versprödende Wirkung auf einige Materialien
- nicht korrosiv
- nicht radioaktiv
- nicht krebserzeugend

chemisch

- Siedetemperatur TS = -252,77 °C = 20,3 K
- Schmelztemperatur TSch = - 258,6 °C = 14,4 K
- Dichte bei 20,3 K und 1013 mbar = 70,79 g/l
- Gasdichte bei 20,3 K und 1013 mbar = 1,34 g/l
- Gasdichte bei 273,15 K und 1013 mbar = 0,089 g/l
- Wasserstoff ist 15mal leichter als Luft
- Molekular-Gewicht = 2,016 g/mol
- Verdampfungswärme = 445,4 kJ/kg
- unterer Heizwert: 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 10,78 MJ/Nm3 = 3,0 kWh/Nm3
- oberer Heizwert: 141,80 MJ/kg = 39,41 kWh/kg = 12,75 MJ/Nm3 = 3,5 kWh/Nm3
- Zündgrenzen in Luft: untere 4,0 - 4,1 Vol%; obere 75,0 - 79,2 Vol.-%
- Selbstentzündungs-Temperatur:585 °C
- Minimale Zündenergie in Luft: E = 0,02 mJ
- bei 29 % ist Tmax = 2318 °C Verbrennungstemperatur in Luft
- bei 29 % ist TmaxO2 > 3000 °C Verbrennungstemperatur mit reinem Sauerstoff
- max. Flammgeschwindigkeit: 346 cm/s
- Häufigstes Element im Weltall, stellt über 90 % aller Atome, rund ¾ der gesamten Masse
- Wasser enthält 11,2 Gew.-% Wasserstoff
- 1/6000 Atome sind "Schwerer Wasserstoff" = Deuterium = D = zusätzlich 1 Neuton im Atomkern
- 1/1Billiarden Atome sind "Überschwerer Wasserstoff" = Tritium = T = zusätzlich 2 Neutronen im Kern

Aus den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs lässt sich für den Verbraucher bei sorgfältiger Handhabung und entsprechenden sicherheitstechnischen Maßnahmen kein höheres Gefahrenpotential als bei der Speicherung herkömmlicher Energieträger ableiten.



Verbrennung

Reaktionsgleichung bei der Verbrennung (Oxidation) von Wasserstoff:

H2 + 0,5 O2 ⇒ H2O + Energie

Die freiwerdende Energiemenge beträgt: 289,5 kJ/mol = 0,08 kWh/mol = 40,2 kWh/kg H2

Kommt Wasserstoff mit Luftsauerstoff in Kontakt und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, verbrennt beides gemeinsam zu Wasser. Dabei werden bis zu 90% der Energie, die vorher zur Spaltung des Wassers aufgebracht werden mussten, wieder abgegeben. Bei seiner Verbrennung bildet sich, abgesehen von Wasser in Form von Wasserdampf, nur eine sehr kleine Menge Stickoxid durch die Reaktion mit Luftstickstoff. Es entstehen keine Kohlenwasserstoffe, keine Schwefeloxide, kein Kohlenmonoxid, nicht einmal Kohlendioxid (CO2), welches bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen freigesetzt wird und für den Treibhauseffekt verantwortlich gemacht wird.



Flüchtiger Wasserstoff
Wasserstoff ist sehr leicht flüchtig. Dies spiegelt sich im großen Diffusionskoeffizienten sowie dem großen Dichteunterschied zu Luft wieder. Gelangt gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung, durchmischt er sich sehr schnell mit Luft und unterschreitet dementsprechend rasch die untere Zündgrenze. Der hohe Diffusionskoeffizient und die geringe Viskosität haben ihre Ursache in den sehr kleinen Molekülen. Dies bewirkt zum einen, dass er sich sehr rasch mit Luft vermischt, aber zum anderen auch einfach durch engste Spalten entweichen kann. Wird kalter flüssiger Wasserstoff freigesetzt, erwärmt sich dieser durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz gegenüber Luft relativ schnell, so dass er verdampft. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie bei Benzin entsteht somit nicht, und es breiten sich auch keine brennbaren Dämpfe am Boden aus. Falls jedoch ein großer Tankbehälter schlagartig seinen gesamten Inhalt freisetzt oder eine LH2-Leitung für flüssigen Wasserstoff abreißt, so dass sich doch eine Lache bildet, verdampft diese sehr schnell (0,4 bis 0,8 mm/s). Wasserstoff ist ein Energieträger genau wie Benzin, Diesel, Erdgas oder Propan. All diese Energieträger, egal welcher Art, verfügen über ein gewisses Gefahrenpotential, weil sich Energie nicht so einfach kontrollieren lässt. Die Risiken, die mit der Speicherung von Energie verbunden sind, sind bekannt. Sie gelten im Allgemeinen als so gering, dass die Handhabung der Energiespeicher kaum eingeschränkt wird. Trotzdem gibt es gewisse Regeln, die aus Sicherheitsgründen eingehalten werden sollten. Werden die Sicherheitsmaßnahmen nicht eingehalten, kann es zu Unfälle kommen. Die meisten Unfälle können demnach auf grobe Fahrlässigkeit zurückgeführt werden.


Wasserstoff verfügt über spezielle Eigenschaften:
- Für das menschliche Auge sind die Flammen kaum sichtbar, da sie im ultra-violetten Bereich strahlen.
- Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist relativ hoch, so dass sich die Flammen schnell ausbreiten und ein Brand somit schnell vorbei ist.
- Wegen der geringen Dichte steigt das Gas sehr schnell auf. Gasgemische in der Nähe der unteren Zündgrenze weisen jedoch eine ähnliche Dichte wie Luft auf, so dass sie sich kurzfristig auch horizontal bewegen können.
- Die Mindest-Zündenergie ist relativ gering.
- Die Hitze-Abstrahlung ist relativ gering, weil keine glühenden Kohlenstoff-Partikel vorhanden sind, die Wärme abstrahlen könnten. Dadurch besteht die Gefahr, unbeabsichtigt in die unsichtbare, kaum wahrnehmbare Flamme zu greifen.
- Es wird kein Rauch oder Qualm erzeugt, solange nicht andere Substanzen mitbrennen.
- Es ist nicht ratsam, ein Feuer zu löschen. Es ist besser, die Kraftstoff-Zufuhr zu stoppen, damit dem Feuer die Nahrung ausgeht, und gleichzeitig umliegende Objekte mit Wasser zu kühlen. Sollte ein Löschversuch unternommen werden, könnte die Flamme eventuell zwar gelöscht werden, es könnte aber noch weiterhin Wasserstoff ausströmen, der sich dann eventuell etwas später woanders wieder entzündet oder eine Explosion auslöst. Außerdem ist es schwierig, eine Flamme zu löschen, die fast unsichtbar ist.



Energiebereitstellung
Die Erzeugung sowie die Aufbereitung von Wasserstoff benötigen Energie. Momentan wird diese Energie noch hauptsächlich aus fossilen Energiequellen bezogen. Dies bedeutet, dass dadurch die natürlichen Ressourcen weiter dezimiert werden und zudem die Schadstoff-Belastungen weiter steigen. Die eigentlichen Vorteile von Wasserstoff kommen somit nicht voll zum Tragen, weswegen eine derartige Wasserstoff-Wirtschaft derzeit kaum Sinn macht.
Die Sonne spendet unserem Globus Tag für Tag die zehntausendfache Menge des Energiebedarfs der gesamten Erdbevölkerung. Daraus resultiert das erste Konzept von einer "solaren Wasserstoff-wirtschaft", das bereits in den fünfziger Jahren entwickelt wurde. Hinter diesem Begriff verbirgt sich die Idee, dass mit Hilfe der Sonnenenergie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden kann. Der Wasserstoff selber dient lediglich als Energiespeicher, um Energie zu transportieren. An anderer Stelle kann der Prozess z.B. in einer Brennstoffzelle wieder umgekehrt werden. Die Sonnenenergie kann über Photovoltaik zuerst in Strom umgewandelt werden, damit dann diese elektrische Energie genutzt werden kann, um durch Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen.
Heutzutage gibt es bereits Solaranlagen, die auf direktem Weg Wasserstoff erzeugen können. In diesem Fall wird die Sonnenenergie derart stark gebündelt, dass ausreichend hohe Temperaturen erreicht werden, um Wasser zu spalten. In diesem Fall würde ein Umwandlungsschritt wegfallen, wodurch der Wirkungsgrad steigt.
Zur Erzeugung von Wasserstoff ist relativ viel Energie notwendig, da dieses Element eine hohe Bindungsenergie besitzt. Die Sauerstoffatome sind nur sehr schwer von den Wasserstoffatomen zu trennen. Deswegen kommt Wasserstoff in der Natur so gut wie nie allein vor, da sich das H2-Molekül immer ein Sauerstoffatom sucht und zu Wasser reagiert (oxidiert). Würde man für diesen Vorgang Energie benutzen, die aus Primärenergieträgern erzeugt worden ist, wäre dies langfristig betrachtet nicht sinnvoll. Es ist ökologisch betrachtet unsinnig, Kohle zur Energiegewinnung unter Schadstoff-Ausstoß zu verbrennen, um mit der daraus gewonnenen Energie Wasser aufspalten zu können, damit dann Wasserstoff als "schadstofffreier Energieträger" genutzt werden kann. Mit Hilfe der Sonnen- oder Windenergie stünde jedoch ein nahezu schadstofffreies Verfahren zur Verfügung.
Die Verfahren zur Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen sind zunehmend auf dem Vormarsch. Der Anteil der Windenergie bei der Stromerzeugung liegt in Deutschland mittlerweile bei ungefähr 2,5 %. Im Jahr 2000 lag die Kapazität aller deutschen Windkraftanlagen bei 6.114 MW (1999: 1.668 MW). Damit liegt die BRD vor den USA (2.500 MW) und Spanien (2.100 MW) sowie Dänemark (2.000 MW). Andere Möglichkeiten sind die Nutzung von Biogas, Holzvergasung, Wasser-Kraftwerke (Staudämme, Gezeitenkraftwerke), Erdwärme (Geothermie) usw. Unter den erneuerbaren Energien rangiert die Wasserkraft mit 68 % an erster Stelle gefolgt von Windkraft mit 19%, Müllverbrennung 9 % und Fotovoltaik 0,06 %.
Verständlicherweise kann die Energie-Versorgung nicht von heut auf morgen umgestellt werden. Konventionelle Kraftwerke können nicht ohne weiteres stillgelegt werden (vertraglich zugesicherte Rest-Laufzeiten), und regenerative Energien verfügen noch nicht über das notwendige Volumen, eine etwaige Lücke umgehend schließen zu können. Deswegen ist eine Übergangszeit sinnvoll, in der auf ein Energie-Mix zurückgegriffen wird. Auf diese Art können ausreichend Erfahrungen mit den neuen Techniken gesammelt werden, wodurch wiederum allmählich Kosten gesenkt werden können. Der Wechsel von fossilen Energieträgern zum Wasserstoff kann dann stattfinden, wenn der Kraftstoff sowie die damit einhergehende Technik einigermaßen bezahlbar ist.
In der Zwischenzeit kann die Wasserstoff-Technik mit Hilfe von fossilen Energieträgern immerhin lokal, also dort, wo sie angewandt wird, schadstoffarme Energie bereitstellen. Natürlich darf nicht verschwiegen werden, dass dann durchaus immer noch Schadstoffe freigesetzt und fossile Ressourcen weiter dezimiert werden. Für die Übergangszeit erscheint dieser Weg jedoch die einzig plausible Möglichkeit zu sein. Innerhalb der folgenden Jahre wird sich dann voraussichtlich allmählich die Wasserstoff-Technik wirtschaftlicher gestalten, so dass immer weniger auf fossile Energieträger zurückgegriffen werden muss. Die endlichen Ressourcen können dann zunehmend besser geschont und die so genannten erneuerbaren Energiequellen vermehrt eingesetzt werden.



Kosten
Die Bestimmung des aktuellen Preises von Wasserstoff ist ein sehr schwieriges Unterfangen, weil er je nach Herstellungsverfahren sehr stark variiert. Dabei spielt sowohl die Produktionsmethode als auch der Weg der Energie-Erzeugung eine wesentliche Rolle. Momentan liegt der Liter-Preis für Wasserstoff je nach Herstellungsverfahren durchschnittlich bei 0,50 Euro, was knapp 2,- Euro für einen Liter Benzin entsprechen würde. Als Vergleichsgrundlage wird hierbei das so genannte Benzin-Äquivalent herangezogen. Für die Umrechnung wird die vorgegebene Energiemenge an Wasserstoff mit der gleichen Energiemenge von Benzin gleichgesetzt. Man erhält dann als Ergebnis, dass ein Liter Benzin etwa die vierfache Menge Wasserstoff entspricht.



Anwendungsgebiete
Bei der praktischen Anwendung von Wasserstoff als Kraftstoff muss unterschieden werden zwischen der bisherigen Anwendung als Industriegas und der zukünftigen Anwendung als potentieller Energieträger in einer solaren Wasserstoff-Wirtschaft.
Bisher beschränkte sich die Nutzung von Wasserstoff (meist als Gas) auf industrielle Prozesse in Raffinerien oder bei der Fetthärtung und auf die Herstellung von Düngemitteln (Ammoniak-Synthese), Kunststoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln.
Wenn jedoch von der Nutzung der zukünftigen Wasserstoff-Technologie die Rede ist, ist damit die Verbrennung entweder in Hubkolben-Motoren oder in Brennstoffzellen gemeint. Allein die Brennstoffzelle umfasst ein sehr großes Anwendungsgebiet. Neben dem Verbrennungsmotor gibt es ansonsten nur noch die katalytischen Brenner als einsetzbare Energiewandler.

Grundsätzlich ist der Einsatz von Brennstoffzellen bei Klein- und Kleinstverbrauchern ebenso möglich wie bei großen Kraftwerken. Pilotanlagen zur Versorgung gesamter Häuserkomplexe existieren ebenso wie Demonstrationsobjekte für Laptops, Handys, Staubsauger oder Fahrräder.



Ausblick
In der Bevölkerung nimmt die Neugier zum Thema Brennstoffzelle und Wasserstoff-Technik stetig zu, und dementsprechend reagiert auch der Markt. Seitens der Industrie sind mittlerweile immense Anstrengungen bei der Erforschung und Entwicklung dieser neuen Technologie unternommen worden, und erste Erfolge können bereits verbucht werden. Die ersten Brennstoffzellen sind schon käuflich auf dem Markt zu erwerben, wenn auch noch zu überhöhten Preisen. Die primären Einsatzgebiete umfassen dabei Camping, Segelyachten und Notstrom-Aggregate. Es werden weitere Systeme folgen, die für die Haus-Energieversorgung eingesetzt werden können. Darüber hinaus werden kleine Exemplare die Energiezufuhr für Laptops, Mobiltelefone usw. übernehmen. Erst danach wird der Einsatz in Kraftfahrzeugen folgen.



Wasserstoff kann durchaus sicher
gehandhabt werden,
solange seine speziellen Eigenschaften -
manchmal besser, manchmal schlechter
und manchmal nur anders
im Vergleich zu anderen Kraftstoffen -
berücksichtigt werden.



Diese Seite umfasst einige Ausschnitte aus dem Buch von Dipl.-Ing. Sven Geitmann:
"Wasserstoff und Brennstoffzellen" (1. Auflage, 2002)
Aktueller Informationen zum Nachlesen beim: Hydrogeit Verlag

Top

 

© Hydrogeit