Wasserstoff

Wasserstoff weist als zukünftiger Energieträger einige Vorteile auf. Es ist das am häufigsten in der Natur vorkommende Element – die meisten Fixsterne bestehen Großteils aus Wasserstoff – und ist somit theoretisch unbegrenzt verfügbar.

EIGENSCHAFTEN

Wasserstoff ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses Gas, das ca.14,4mal leichter als Luft ist. Es ist das Element mit der geringsten Dichte, daher diffundiert Wasserstoff leicht durch poröse Trennwände, aber auch durch Metalle wie Platin. Das Element Nr. 1 hat nach Helium die tiefste Schmelz- und Siedetemperatur. In der Regel kommt Wasserstoff in einer zweiatomigen Molekülform vor (H2). Es existieren drei natürliche Isotope: Ein normales Wasserstoffatom (Isotop Protium) besteht aus einem Proton und einem Elektron. Dagegen besitzt schwerer Wasserstoff (Isotop Deuterium) zusätzlich ein Neutron und überschwerer Wasserstoff (Isotop Tritium) zwei Neutronen. Das Isotop Deuterium hat im natürlichen Wasserstoff einen geringen Anteil von ca. 0,015%. Während reiner Wasserstoff für den menschlichen Organismus nicht giftig wirkt, gelten der schwere Wasserstoff und das schwere Wasser (Deuteriumoxid) als stark giftig.

Wasserstoffatome kommen in gebundener Form in zahlreichen Verbindungen vor, z.B. in Wasser oder in organischen Verbindungen wie Kohlenwasserstoffen (Methan, Ethan, Benzol), Alkoholen (Methanol, Ethanol), Aldehyden, Säuren, Fetten, Kohlenhydraten und Eiweißen. Wasserstoffatome sind im menschlichen Körper sehr häufig vertreten und an vielen wichtigen Stoffwechselprozessen wie der Verdauung beteiligt.

Wasserstoffmoleküle treten in zwei verschiedenen chemischen Zuständen auf, Ortho- und Para-Wasserstoff. Diese unterscheiden sich in der Orientierung ihres atomaren Spins. Der Spin bezeichnet den Drehimpuls der Elementarteilchen eines Atoms. Ortho-Wasserstoff weist einen parallel Spin auf, während Para-Wasserstoff über einen antiparallelen Spin verfügt. Para-Wasserstoff hat eine geringere spezifische Wärmekapazität als Ortho-Wasserstoff. Bei Umgebungstemperatur kommt Ortho-Wasserstoff dreimal häufiger vor als Para-Wasserstoff. Ein Gemisch aus 25% Para- und 75% Ortho-Wasserstoff wird Normal-Wasserstoff (n-H2) genannt. Unterhalb von –200 °C liegt fast ausschließlich Para-Wasserstoff vor. Das Gemisch aus Para- und Ortho-Wasserstoff, das sich entsprechend dem jeweiligen thermodynamischen Zustand einstellt, wird Gleichgewichts-Wasserstoff genannt. Die Umwandlung von einem zum anderen Zustand ist ein langsamer Prozess, der sich ohne die Anwesenheit von Katalysatoren über mehrere Tage hinstrecken kann. Mittels magnetokalorischer Verfahren kann eine Umwandlung von Ortho- in Para-Wasserstoff in mehreren Stufen erfolgen, bis ein Para-Wasserstoffgehalt von über 95 % erreicht ist. 

An der Luft verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme zu Wasser: 

2 H2 + O2 =>2 H2O H = 572 kJ/mol 

Gemische mit Sauerstoff oder mit Chlorgas explodieren bei Zündung sehr heftig und werden als Knallgas-Gemische bezeichnet. Im Labor erfolgt der Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgasprobe. Diese Probe dient auch zur Überprüfung, ob in einem Gas ein Knallgasgemisch vorliegt. Ertönt ein lauter pfeifender Knall, handelt es sich um Knallgas, bei einem harmlosen, dumpfen Geräusch ist nur reiner Wasserstoff im Reagenzglas. Mit Alkali- oder Erdalkalimetallen bildet Wasserstoff in exothermen Reaktionen Hydride.

HERSTELLUNG

Zur Herstellung von Wasserstoff sind eine Reihe von Verfahren im Einsatz. Da Wasserstoff in der Natur nur in gebundener Form vorkommt, ist zu seiner Gewinnung der Einsatz von Primärenergie erforderlich. Weltweit werden etwa 500 Mrd. Normkubikmetern Wasserstoff pro Jahr umgesetzt, 40 % davon fallen in der chemischen Industrie als Nebenprodukt an, etwa bei der Herstellung von Chlor mittels der Chlor-Alkali-Elektrolyse oder aus Rohölraffinerieprozessen. Etwa 20% des Wasserstoffs werden zur Energieerzeugung verwendet.

Der weitaus größte Teil des erzeugten Wasserstoffs stammt aus fossilen Energiequellen, aus der katalytischen Dampfspaltung von Methan (Erdgasreformierung), der partiellen Oxidation von Schweröl (Diesel) oder der Vergasung von Kohle. Bei diesen auf kohlenstoffhaltigen Ausgangskomponenten basierenden Herstellungsverfahren entsteht CO2. Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, das mit Natronlauge oder Schwefelsäure elektrisch leitfähig gemacht wurde, erlaubt bei Nutzung von Wind- Wasser- oder Sonnenenergie eine regenerierbare emissionsfreie Energiekette. Ebenso emissionsfrei aber teuer lässt sich Wasserstoff aus einer Reihe chemischer Reaktionen mit Wasser gewinnen, etwa aus der Reaktion von Alkalimetallen und Wasser. Weitere Herstellungsverfahren befinden sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium, wie die autotherme Reformierung, das Kværner-Verfahren, die Vergasung von Biomasse oder organischen Abfällen sowie die Hochdruckelektrolyse. Ebenfalls erforscht werden Verfahren zur Wasserstoffgewinnung durch biologische Prozesse.

SPEICHERUNG

Aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs stellt die Speicherung bei ausreichender Energiedichte technische und wirtschaftliche Herausforderungen dar. Üblich sind Verfahren wie die Speicherung von verdichtetem gasförmigem Wasserstoff, tiefkalt flüssigen Wasserstoff und die Speicherung von Wasserstoff in chemischen oder physikalischen Verbindungen.
Gasförmiger Wasserstoff wird auf Drücke von 200 bar bis 900 bar hoch verdichtet und als CGH2 (compressed gaseous hydrogen) in Druckbehältern gespeichert. Es gibt 4 Arten von Druckbehälter die von einfachen Stahlflaschen bis hin zu Vollverbundflaschen (CFK) reichen.
Um höhere Energiedichten zu erreichen, wird Wasserstoff verflüssigt und als LH2 (liquid hydrogen) tiefkalt gelagert. Da die Kondensation von Wasserstoff bei Umgebungsdruck erst bei -252,85 °C eintritt, ist der Aufwand für die Verflüssigung hoch und muss energetisch optimiert werden.
Leider hat sich in der Vergangenheit das Gerücht etabliert, dass Wasserstoff nicht dauerhaft speicherbar ist. Dies bezieht sich ausschließlich auf die Speicherung als tiefkalten Flüssigwasserstoff, weil dieser verdampft und abgeblasen wird (Boil off). Seit Jahrzehnten wird Wasserstoff in Bündeln (Gestell bestehend aus 12 Gasflaschen) abgefüllt und so auf Dauer gespeichert und gelagert. Des Weiteren kann Wasserstoff wie im Projekt W2H in die Erdgasleitung miteingespeist werden (unter Berücksichtigung des gesetzlich vorgeschriebenen Maximalanteils) und so das Erdgasnetz als Speicher verwenden.

 

ANWENDUNG

Unsere heutige Energieversorgung basiert hauptsächlich auf der Nutzung von begrenzt vorhandenen Vorräten an fossilen Brennstoffen, die aus einer Reihe kurz- bis langkettiger Kohlenwasserstoff-Verbindungen bestehen. Die Energiegewinnung durch Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Substanzen in Luft, die seit der Nutzbarmachung des Feuers die technische Entwicklung der Menschheit begleitet, verursacht verfahrensbedingt die Bildung des Treibhausgases Kohlendioxid und verschiedener Schadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Ruß. 

Wasserstoff kann in Verbrennungskraftmaschinen weitgehend schadstofffrei verbrannt werden, es entstehen weder Kohlenmonoxid, Kohlendioxid noch Kohlenwasserstoffe, die Emission von Stickoxiden kann gering gehalten werden. Nutzt man Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, liefert er in einer „kalten Verbrennung“ elektrische Energie ohne die Abgabe von Schadstoffen oder Lärm. Um Wasserstoff als Energieträger zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen oder als Fahrzeugantrieb in Brennstoffzellen oder in Verbrennungskraftmaschinen industriell nutzbar zu machen, sind jedoch noch eine Reihe wirtschaftlicher und technischer Fragen zu lösen.

 

Literatur & Links

Fachliteratur

Eichlseder, H., Klell, M.: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik. Erzeugung, Speicherung, Anwendung. 3. Auflage,  Verlag Teubner+Vieweg, Wiesbaden, ISBN 9783834817549, 2012

Klell, M.: Storage of Hydrogen in Pure Form. In: Hirscher, M. (Hrsg.): Handbook of Hydrogen Storage. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, ISBN 9783527322732, 2010

Pischinger, R., Klell, M., Sams, Th.: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine.  3. Auflage, 1. Band der Reihe Der Fahrzeugantrieb. Hrsg. Helmut List,  Springer- Verlag Wien New York, ISBN 9783211992760, 2009

 

Klell, M.: Höhere Thermodynamik. Vorlesungsskript der Technischen Universität Graz, 2016

Klell, M.: Wasserstoff in der Energie- und Verkehrstechnik. Vorlesungsskript der Technischen Universität Graz, 2015

 

 

Veröffentlichungen

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Eichlseder, H.; Klell, M.; Schaffer, K., M.; Leitner, D.; Sartory, M.;: CO2-frei Mobilität mit einem multivalenten Fahrzeug für variablen Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb. – in: 11.Symposium Energieinnovation, Graz, 2010

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Eichlseder, H.; Klell, M.; Schaffer, K.M.; Leitner, D.; Sartory, M.: Potenzial eines Fahrzeugs für variablen Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb. – in: ATZ/MTZ-Konferenz Energie „CO2 – Die Herausforderung für unsere Zukunft“., München, 2010

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Klell, M.; Eichlseder, H.; Schaffer, K.; Leitner, D.; Sartory, M.: Potential of Synergies in a Vehicle for Variable Mixtures of CNG and Hydrogen. In: SAE technical papers SP-2251, 2009, pp 19-28

Schaffer, K.M.; Eichlseder, H.; Leitner, D.; Klell, M.; Sartory, M.: Synergiepotenzial eines Fahrzeugs mit variablem Erdgas/Wasserstoff-Mischbetrieb. – in: Gasfahrzeuge – Die Schlüsseltechnologie auf dem Weg zum emissionsfreien Antrieb?., Berlin, 2008

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