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Einleitung

Wasserstoff ist das wichtigste, überwiegende Element im Weltall und das neunt häufigste der Erde, mit einem Anteil von ca. 0,9 Prozent. Die am meisten vorkommende chemische Verbindung auf unserem Planeten ist Wasser, welches den größten Anteil Wasserstoff enthält. Er kommt in fast allen organischen und in vielen anorganischen Verbindungen vor und ermöglicht das irdische Leben, so wie wir es kennen.

Um langfristig das Leben in all seinen Fassetten auf unserem Planeten zu ermöglichen, werden wir zwangsläufig unsere gesamte Energieversorgung auf Wasserstoff umstellen müssen und uns von den untragbaren Zwängen der heutigen Stromversorger lösen. Der Energiebedarf der Menschen steigt immer weiter an, hingegen die fossilen Energieträger immer weiter abnehmen oder die Bereitstellung dieser mit untragbaren Kosten verbunden sind. Ein umweltverträglicher Energiekreislauf ist nur durch einen schrittweisen Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft möglich.

Kommerziell wird Wasserstoff seit über 100 Jahren in vielen Bereichen eingesetzt. Er wird größtenteils von der chemischen Industrie als Synthesegas eingesetzt und in Halbleiter-, Glas- und Metallindustrie sowie als Raketentreibstoff verwendet. Derzeit werden weltweit ca. 500-600 Mrd. m³ benötigt.

Eigenschaften

  • farb- geruchs- und geschmacksneutral
  • leichtestes Gas (14,4mal leichter als Luft, Dichte: 0,8988 kg/m³ ), erstes Element im Periodensystem
  • ist brennbar ( spez. Heizwert H' = 10,8 MJ/m³ ......................... )
  • Schmelztemperatur = 14,15K || Siedetemperatur = 20,35K
  • Sehr hohe Wärmekapazität
  • Wasserstoff ist praktisch nur als H2 – Molekül vorhanden

Herstellung

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger und ist als reiner Stoff nicht verfügbar sondern er kommt nur in chemischen Verbindungen vor. Um die Energie des Wasserstoffs nutzen zu können, muss er zunächst mit hohem Energieaufwand aus den Verbindungen herausgelöst werden. Dabei kommen mehrere Technologien zum Einsatz. Derzeit wird der Wasserstoff zum größten Teil noch aus fossilen Energieträgern hergestellt. Hauptsächlich findet die Herstellung durch Dampfreformierung von Erdgas statt, früher wurde durch Vergasen von Kohle Stadtgas hergestellt, welches aus 60% Wasserstoff bestand. Des weiteren entsteht er als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen wie bei der Herstellung von Chlor und in der Mineralölindustrie bei der Raffinerierung.

Weil jedoch diese konventionellen Methoden mit umweltschädlichen Emissionen verbunden sind, wächst die Bedeutung der Wasserstoffherstellung mittels regenerativer Energiequellen. Die derzeit wirtschaftlichste und effizienteste Methode, Wasserstoff zu erzeugen ist die Vergasung von Biomasse. Durch Verbesserung des Verfahrens lassen sich theoretisch alle kohlenwasserstoffhaltigen Stoffe vergasen.

Der einzige Nachteil der Vergasungstechnologie besteht darin, dass neben dem reinen Wasserstoff reines Kohlendioxid entsteht. Der folgende Link beschreibt ausführlich diese Herstellungsform von Wasserstoff und gibt Lösungsansätze, die das Kohlendioxid in aufgebrauchten Erdgas- und Erdölfeldern unter hohem Druck speichern.

Auf http://www.bio-wasserstoff.de/h2/ wird eine sehr interessante Variante vorgestellt, wie man mit der heimisch wachsenden Biomasse auf besonders günstige Art und Weise Wasserstoff in ausreichenden Mengen herstellen kann, und das mit völlig unbhängig von teuren Öl-Importen.

Elektrolyse:
Da die fossilen Primärenergieträger, aus denen Wasserstoff hergestellt werden kann, in absehbarer Zukunft verbraucht sein werden, ist die Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer Primärenergiequellen das zukunftsträchtigste Verfahren um auf saubersten Weg Wasserstoff herzustellen. Bei der Wasserelektrolyse werden unter Verwendung von elektrischem Strom die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.

Speicherung und Transport

Mit Wasserstoff lässt sich auf einfachen und umweltfreundlichen Weg elektrische Energie speichern und transportieren.

Möglichkeiten der Speicherung

  • Hochdruckbehälter
  • Metallhydridspeicher
  • Tiefsttemperatur-Flüssigspeicher (bei 20K)
  • Methanol
  • Nanostrukturen

Die Speicherung bringt mehrere Vorteile mit sich. Da die Herstellung zum größten Teil mit regenerativen Energiequellen erfolgen soll, werden die Energieüberschüsse im Sommer seitens des solaren Strahlungsangebotes für die energiearmen Zeiten nutzbar gemacht. Ein weiterer Vorteil liegt in der mobilen Anwendung, worauf unter Verwendung näher eingegangen wird.

Deutschland und alle weiteren Industrieländer haben eine sehr gut ausgebaute Erdgas-Infrastruktur. In absehbarer Zukunft wird anstelle Erdgas Wasserstoff durch die Rohre strömen. Es muss kein zusätzliches Leitungssystem für Wasserstoff erbaut werden. Damit man der steigenden Nachfrage an Wasserstoff gerecht werden kann, müssen Wasserstoff-Fabriken in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung erbaut werden. Küstennahe Wüsten- und Steppengebiete der dritten Welt eignen sich hervorragend für die Errichtung solcher Fabriken. Dadurch werden Verteilungskriege um Ressourcen (siehe Irak) vermieden und den Menschen in den Entwicklungsländern wird eine Perspektive geboten. Der dort unter günstigen Bedingungen hergestellte Wasserstoff kann mittels Pipelines und Tankern, welche mit Wasserstoff angetrieben werden, in der Welt verteilt und verkauft werden.

Verwendung

Die nun zur Verfügung stehende chemische Energie hat ein sehr breites Einsatzfeld. Mit der zunehmenden Urbanisierung und dem weiter fortschreitenden Drang nach individueller Mobilität wird ein auf Wasserstoff basierendes Verkehrsystem unverzichtbar. In der Raketentechnik hat der Treibstoff der Zukunft schon vor vielen Jahren Einzug erhalten und wird sich auch im Verkehrsflugzeug durchsetzen. Die größten Automobilhersteller (MAN, Neoplan, Renault, Peugeot, Toyota, Honda, Nissan, Mazda, Ford, GM, BMW, Volkswagen, Volvo und Daimler Chrysler) haben schon Möglichkeiten in ausgereiften Fahrzeugen aufgezeigt.

Nicht nur im Verkehrswesen wird immer mehr Mobilität gefordert, auch mobile Computer und Unterhaltungselektronik verbreiten sich immer mehr und es wird immer mehr Energie im nicht stationären Bereich benötigt. Die Kapazität und Lebensdauer der derzeit verwendeten Akkumulatoren wurden immer weiter verbessert, doch in absehbarer Zeit wird man hier an die Grenzen der Technik stoßen. In der Zukunft wird die benötigte Energie von kleinen Brennstoffzellen bereitgestellt.

Die dezentrale Energieversorgung mit Großkraftwerken für Strom und Wärme werden in Zukunft überflüssig. Der mit den vorhandenen Erdgas-Leitungen leicht verfügbare Wasserstoff wird genutzt, um elektrische und thermische Energie dort zu erzeugen, wo sie benötigt wird. Damit werden die teuren und materialintensiven Hochspannungs-Überlandleitungen überflüssig.

Wasserstoff-Nutzung mittels:

  • Brennstoffzelle
  • Verbrennungsmotor
  • Gasturbine
  • Blockheizkraftwerk
  • Brennwertkessel

Verbrennungsmotoren, die Wasserstoff als Treibstoff nutzen, sind mit speziellen Modifikationen dem herkömmlichen 4-Takt-Otto-Benzinmotor gleich. Flüssiger und gasförmiger Wasserstoff ist in einem mit Verbrennugsmotor betriebenen Fahrzeug verwendbar. Gasturbinen für den Betrieb mit Wasserstoff umzurüsten ist prinzipiell möglich. Diese können in Flugzeugen oder in größeren dezentralen Kraftwerken zur Energieerzeugung eingesetzt werden. Aktivitäten auf dem Gebiet "wasserstoffbetriebene Flugzeuge" gibt es seit Anfang der Achtziger. Tupolev stellte 1988 das erste wasserstoffbetriebene Flugzeug TU154 vor. Um die Entwicklung auf dem Gebiet voranzutreiben, entstand Anfang der Neunziger zwischen Tupolev und Daimler-Crysler Aerospace eine Kooperation namens Cryoplane.

Die Brennstoffzelle

In der Brennstoffzelle sehen wir das größte Potenzial für die Zukunft und deshalb wird im Folgenden näher auf diese Technik eingegangen.

Das Prinzip der Brennstoffzelle (BSZ) ist ca. 180 Jahren alt und von dem Engländer Sir William Grove(1811-1896) sowie von einem schweizerischen Naturforscher Christian Schönbein (1799-1869) unabhängig von einander entdeckt worden. Es ist die Umkehrung der Elektrolyse, die zur Wasserstoff-Herstellung verwendet wird.

Brennstoffzellen wandeln unter Abgabe von Wärme chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Dabei wird die Kathode von Sauerstoff und die Anode von Wasserstoff-Gas umspült. Für den Betrieb von bestimmten Brennstoffzellen reicht der in der Luft enthaltene Sauerstoff vollkommen aus. Die folgenden Reaktionen beschreiben das Prinzip einer BSZ.

Anode

:   2 H2 --> 4 H+ + 4 e-

Kathode

:   O2 + 4 H+ + 4 e- --> 2 H2O

Gesamtreaktion

:   2 H2 + O2 --> 2 H2O     + Wärme + Elektrizität

In der Brennstoffzelle werden die Anode und Kathode, von einer nicht elektrisch leitenden Membran getrennt. Die beiden Elektroden (Anode, Kathode) sind mit einer Katalysatorschicht (meist Platin) belegt. An diesem Katalysator werden die Wasserstoffmoleküle aufgespalten, wobei dann die Elektronen in der Elektrode zurückbleiben und die Protonen durch die Membran wandern können. Der Stromfluss zwischen den Elektroden kann nur über einen Verbraucherstromkreis außerhalb der BSZ hergestellt werden. Die Elektrolyt-Membran ist für die H+ - Protonen durchlässig, sodass diese zur Kathode wandern und dort mit dem Sauerstoff und den "benutzten" Elektronen zu Wasser reagieren können.

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