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Titel:

Wasserstoff Energieträger der Zulkunft


  Note: 1   Klasse: 9









Arbeit: Wasserstoff

Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1 und gehört in die 1. Hauptgruppe des Periodensystems. Sein physikalisches Symbol ist H. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, dass etwa 15mal leichter als Luft ist. Damit ist er das leichteste Element überhaupt. Wie die meisten gasförmigen Elemente hat der Wasserstoff zweiatomige Moleküle. Schmelz- und der Siedepunkt des Wasserstoffes liegen niedriger als bei anderen Substanzen, denn Wasserstoff schmilzt bei -259.2 °C und siedet bei -252.8 °C. Wasserstoff hat eine Dichte von 0.0899 g/l. In flüssigem Zustand hat der Wasserstoff eine Dichte von 70 g/l, in diesem Zustand ist er farblos. Der Wasserstoff zeigt in festem Zustand metallische Eigenschaften, in flüssigem und gasförmigem Aggregatzustand ist er nichtmetallisch.

Wo liegen die Stärken und Schwächen von Wasserstoff?
Wasserstoff ist ein sehr aussichtsreiches Medium für die Energiespeicherung und den Energietransport der Zukunft. Der Grund dafür ist, dass in der Zukunft die erneuerbaren Energiequellen, wie Sonnenenergie, Wasserkraft, Windenergie, usw. massiv an Bedeutung gewinnen werden. Da diese Energiequellen sehr unregelmäßig Strom produzieren, braucht es ein Medium, welches diese Energie speichert. Bei Energieüberschuss könnte Energie in Form von Wasserstoff gespeichert und bei Energiemangel wird es wieder freigesetzt. So könnte man einen Kreislauf aufbauen, der eine saubere Bewirtschaftung der Energie ermöglicht.

Wasser kann unter Energieeinwirkung in seine zwei Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden.

Die Verbrennung von Wasserstoff vereint zwei Vorteile: einen sehr hohen Wirkungsgrad und einen verhältnismäßig geringen Schadstoffausstoß. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen kann Wasserstoff nicht in reiner Form gefunden und abgebaut werden, er ist in der Natur nicht in reiner Form vorhanden. Die häufigste Wasserstoffverbindung ist Wasser, von welchem er 11,2% Gewichtsanteil ausmacht. Der Wasserstoff ist somit kein primärer Energieträger. Er muss zuerst von einem anderen Element abgespalten werden. Diese Spaltung braucht aber viel Energie. Genauer gesagt, die Energie, die man vom Wasserstoff bei seiner Verbrennung erhalten will, muss man zuerst anwenden, um ihn in ungebundener Form zu erhalten. Dies ist gegenüber den fossilen Brennstoffen ein gewaltiger Nachteil, denn diese sind schon fast in ihrer Anwendungsform vorhanden. Dazu kommt, dass der Wasserstoff bei Zimmertemperatur eine sehr kleine Dichte hat, d.h. er braucht ein sehr großes Speichervolumen. Um dieses Volumen zu verringern, muss der Wasserstoff in flüssiger Form vorliegen. Der Siedepunkt von Wasserstoff liegt bei –273°C. Um diese Temperatur zu erhalten braucht es wiederum viel Energie. Die Handhabung von Wasserstoff ist auch bedeutend komplizierter als die von Benzin.
Wenn man flüssigen Wasserstoff ohne spezielle thermische Vorkehrungen handhabt, entsteht ein gewaltiger Energieverlust. Es braucht somit neue Systeme, welche den Druck- und einen Temperaturabfall minimieren.
Um den Wasserstoff industriell nutzbar zu machen, gibt es demnach noch erhebliches zu tun. Technisch ist der Aufbau einer Energiewirtschaft des Wasserstoffs jedoch möglich.

Wenn nach den Energieträgern der Zukunft gesucht wird, ist oft von Wasserstoff die Rede. Dabei muss jedoch klar sein, dass es sich bei Wasserstoff nicht um eine Energiequelle handelt, die so genutzt werden kann wie heute z.B. das Erdöl, sondern nur um einen Energieträger, mit dessen Hilfe man Energie speichern und transportieren kann. Man darf dabei jedoch nicht vergessen, dass Erzeugung, Lagerung und Transport niemals verlustfrei sind.
Auch wenn die Verbrennung praktisch emissionsfrei, frei von umweltschädlichen Verbrennungsrückständen, ist, da als Reaktionsprodukt nur Wasser entsteht, kann Wasserstoff nur so umweltfreundlich sein, wie die Energiequelle, die bei seiner Erzeugung eingesetzt wurde.
Obwohl Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element des Universums ist, gibt es noch jede Menge Unwissenheit was Eigenschaften, Handhabung und Gefahrenpotentiale angeht. Die meisten Menschen denken bei dem Wort Wasserstoff an die Knallgasreaktion oder die Explosion der Raumfähre 'Challenger'.
Verwendung von Wasserstoff
Wasserstoff wird auch in Zukunft ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie bleiben. Allerdings wird seine Rolle als Energieträger mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Nach einer Studie der Deutschen Shell ist zu erwarten, dass im Jahre 2050 etwa 50 % der Weltenergieerzeugung aus erneuerbaren Quellen kommen werden (wobei der Absolutverbrauch erheblich ansteigen wird); davon wiederum werden 50 % voraussichtlich in Wasserstoff umgewandelt werden, um zum Verbraucher zu kommen.
• Stationäre Anlagen:
• In der Energiewirtschaft bahnt sich eine Wende zur nicht zentralen Erzeugung an. Ab 2002 werden kleine Brennstoffzellenanlagen vermarktet werden, die den Grundbedarf eines Mehrfamilienhauses decken können. Zur Zeit werden sie wegen der vorhandenen Infrastruktur, der Gesamtheit staatlicher und privater Anlagen, in der Regel mit Erdgas versorgt, das intern reformiert wird. Auf lange Sicht jedoch wird der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur zu erwarten sein.
• Im Rahmen des zentralen Versorgungsnetzes können Elektrolyseure für die Lastregelung eingesetzt werden. Statt Kraftwerke in bedarfsschwachen Zeiten abzuschalten, kann die überschüssige Energie zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden.

• Mobile Anlagen: Die gesamte Fahrzeugindustrie arbeitet in Erwartung immer schärferer Vorschriften über die Emissionen, die Verbrennungsrückstände, von CO2 intensiv an derzeit noch als alternativ geltenden Treibstoffen und Antrieben.
• Wasserstoff kann verwendet werden, um Verbrennungsmotoren anzutreiben.
• Die anderen Firmen setzen eher auf Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle.
So weit es sich um Busse oder andere Nutzfahrzeuge handelt, wird der Wasserstoff komprimiert, zusammengepresst, oder tiefkalt verflüssigt mitgeführt. Bei PKW wollen viele Hersteller zumindest in den ersten Modellen Methanol tanken, das an Bord reformiert, hergestellt, wird.

Die Brennstoffzelle
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie - analog zur Batterie. Anders als bei Batterien entlädt sich eine Brennstoffzelle aber nicht und sie kann auch nicht aufgeladen werden: Sie arbeitet kontinuierlich, solange von außen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) zugeführt werden. Dabei liegt der Wirkungsgrad heutiger Brennstoffzellen maximal bei etwa 70-85%, also weitaus höher als der Wirkungsgrad üblicher Kraftwärme-Maschinen wie beispielsweise Dampfturbinen mit 30 oder 35%.
Eine Brennstoffzelle enthält
• eine Anode, an der der Brennstoff zuströmt und
• eine Kathode, an der das Oxidationsmittel zuströmt.
Die beiden Elektroden, die Übergangsstellen von metallischen Leitern in Leitung durch Ionen in elektrischen Stromleitern (Anode/Kathode), sind durch einen elektrolytischen (Elektrolyse: Trennung der in Flüssigkeiten gelösten chemischen Verbindungen durch elektrischen Strom) Ionenleiter voneinander getrennt. Bei einer klassischen Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle lässt ein elektrochemischer Vorgang in der hauchdünnen Membran nur Protonen, also positiv geladene Wasserstoff-Ionen (H+), passieren. Die Elektronen der Wasserstoff-Atome werden beim Durchgang abgelöst und bleiben zurück, während die Wasserstoff-Ionen mit den Sauerstoffteilchen auf der anderen Seite reagieren. Durch den Elektronenüberschuss auf der Wasserstoffs-Seite und Elektronenmangel auf der Sauerstoff-Seite des Elektrolyts, Ionenleiters, bilden sich Plus- und Minuspol (Kathode/Anode), an denen elektrische Energie entnommen werden kann. Die Energie stammt aus der Reaktion der Wasserstoffteilchen mit den Sauerstoffteilchen.
Als Abfallprodukt entsteht an der Anode lediglich unbedenkliches Wasser bzw. Wasserdampf. Ingenieurmäßig muss hier noch für eine kontinuierliche Abführung gesorgt werden, damit die Zelle nicht überflutet wird.
Die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Spezielle Typen erlauben weiterführende Anwendungen (Die englische Bezeichnung lautet übrigens "fuel cell"):
• Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)
Diese Brennstoffzelle ist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, die bei Temperaturen von etwa 1000°C arbeitet. Bei diesen Temperaturen ist der Feststoffelektrolyt ("Solid Oxide") in der Lage, Sauerstoffionen zu transportieren. Geeignete Brennstoffe sind in diesem Fall neben reinem Wasserstoff auch Kohlenmonoxid, Methan oder Erdgas. An der Kathode wird Luft oder Sauerstoff zugeführt. Die hohe Arbeitstemperatur solcher Brennstoffzellen erlaubt die direkte Zufuhr von Methan als Brennstoff, der nicht den Einsatz eines teuren Platinkatalysators, ein Stoff der durch Bildung von Platin eine chemische Reaktion ermöglicht, an der Anode erfordert. Diese Zellen sind außerdem relativ unempfindlich gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff, z. B. Schwefel- und Phosphorverbindungen - diese würden die Wirksamkeit der anderen Brennstoffzellentypen beeinträchtigen.
Als Einsatzbereich solcher Brennstoffzellen bietet sich die Stromerzeugung in Kraftwerken an.

• Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC)
Mit 80-100°C typischer Betriebstemperatur, einschließlich der Möglichkeit diese Zelle bei Raumtemperatur zu betreiben, muss dieser Typ den Niedertemperaturbrennstoffzellen zugeordnet werden. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Betriebstemperatur eignet sich dieser Brennstoffzellentyp für mobile Anwendungen.

Beispiele für Brennstoffzellen
• Apollo-Raumfahrtprogramm: Eingesetzt werden Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen mit Ionenaustausch-Membranen, eingespannten Häutchen zum Transport bestimmter Stoffe, oder immobilisierten Phosphorsäureelektrolyten, Phosphorsäure in denen der Ladungstransport durch Ionen stattfindet, seit den 60er Jahren - z.B. im Apollo-Raumfahrtprogrammen der USA, weil sie mit geringer Masse der Brennstoffzelle und der benötigten Gase große Mengen elektrischer Energie erzeugen können. Das Wasser ist zudem ein willkommenes "Abfallprodukt" für die Astronauten.
• NECAR von DaimlerChrysler: 1994 stellte DaimlerChrysler mit dem NECAR 1 das erste Brennstoffzellen-Auto der Welt vor. Der Antrieb war noch so groß und schwer, dass er in einen Kleintransporter untergebracht werden musste. Doch die Entwicklung ließ die Produkte - bei wachsender Leistung - rasch schrumpfen. Die Firma Ballard in Kanada hat als Hersteller der Brennstoffzellen großen Anteil an diesem Fortschritt.
Beim NECAR 4 passte fünf Jahre später (1999) die gesamte Brennstoffzelleneinheit in den Boden eines Autos. Eine optimale Lösung: Damit liegt der Schwerpunkt des Fahrzeugs nämlich tiefer und die Lasten sind gut verteilt. Der NECAR 4 verwendet außerdem die PEM-FC-Technik (siehe Seite 8).
Im November 2000 erschien die Neuentwicklung NECAR 5. Das Fahrzeug wird mit Methanol betankt. Mittels eines sogenannten "Reformers" wird daraus dann der notwendige Wasserstoff gewonnen. Methanol hat den Vorteil ganz normal gezapft werden zu können. Jede Tankstelle könnte ihn praktisch ab sofort verkaufen. Für die Umwelt ist dieses ein Kompromiss. Denn NECAR 5 lässt eben nicht nur Wasserdampf aus dem Auspuff, sondern auch Kohlendioxid.
Laut DaimlerChrysler bieten Brennstoffzellen die Reichweite konventioneller, herkömmlicher, Verbrennungsmotoren und die emissionstechnischen Vorteile von Elektrofahrzeugen. Anders als bei Elektrofahrzeugen, die über Nacht an die Ladestation angeschlossen werden müssen, braucht man zum Tanken aber nur wenig Zeit. Und doch ist das Fahrzeug so geräuscharm wie ein Elektrofahrzeug und hat nur wenige sich bewegende Einzelteile.
• Toyota baut in sein Brennstoffzellenauto weder Druckflaschen noch Tiefkühltanks ein, sondern einen Metallhydrid-Speicher. Er bindet Wasserstoff in einem feinporigen Kristallgitter. Auch das ist teuer und aufwendig.
• Cryoplane, das Flugzeugprogramm der DaimlerChrysler Aerospace AG (Hamburg), will spätestens 2002 mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug in der Luft sein. Spätestens 2010 sollen die ersten Passagiere von Frankfurt nach München befördern werden können, ganz ohne Kerosin in den Tanks.
• Eine einzige vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Freiburg) 1998 entwickelte kleine Patrone reicht aus, um ein handelsübliches Notebook zehn Stunden lang mit Strom aus einer Mini-Brennstoffzelle zu versorgen. Die Kosten sollen bei größeren Stückzahlen deutlich unter denen herkömmlicher Lithium-Akkus liegen.
• Vaillant hat die Vision eines Brennstoffzellen-Heizgerätes, das Strom und Wärme erzeugen kann. Der Verkaufsstart soll 2003 sein.
• Statt Kraftwerke in bedarfsschwachen Zeiten abzuschalten, kann die überschüssige Energie zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden, der entweder als solcher vermarktet oder wieder zur Stromerzeugung benutzt wird. Entsprechende Pläne gibt es zum Beispiel bei den HEW.
• Wasserstoff kann verwendet werden, um Verbrennungsmotoren anzutreiben; diese Entwicklungslinie wird von BMW verfolgt. Bei der Verbrennung des Wasserstoffs im Motor wird wieder Sauerstoff verbraucht. Die dabei frei werdende Energie wird für den Antrieb genutzt, und aus dem Auspuff entweicht dann wieder Wasser - der eigentliche Ausgangsstoff.
• Busse mit Brennstoffzellen werden in vielen Städten bereits getestet. Sie tanken einfach im Depot. Auch für andere Fahrzeugflotten wie Kurierdienste oder Taxis ist das möglich.


Zusammenfassung
Eigenschaften von Wasserstoff:
Aggregatzustand Gasförmig
Farbe Farblos
Geruch Geruchlos
Dichte bei 20°C 0,0899 g/l
Schmelztemperatur -259,3 °C
Siedetemperatur -252,6 °C
Brennbarkeit Brennbar; unterhält die Flamme nicht
Im Gemisch mit Sauerstoff... ... bildet er ein explosives Gemisch (Knallgas)
Vorkommen Im Universum primär; auf der Erde als Verbindung
Herstellung 1) Durch Vermischen von unedlen
Metallen und Säuren
2) Durch Energieeinwirken auf Wasser
entsteht Wasserstoff und Sauerstoff
3) In der Industrie aus Erdgas und
Wasser
Verwendung • Aufarbeitung von Erdöl
• Chemische Industrie
• Raketentreibstoff
• Energieträger
• Reduktionsmittel, Mittel zur Entfernung von Sauerstoff aus Verbindungen (denn Sauerstoff und Wasserstoff würden reagieren)

Die Kursiv geschriebenen Eigenschaften sind für den weiteren Verlauf wichtig
Vorteile von Wasserstoff:

• Erneuerbare Energiequellen (Sonnenenergie; Wasserkraft; Windenergie etc.) gewinnen an Bedeutung
• Diese Quellen liefern unregelmäßig Strom, d.h. benötigt wird ein Medium zur Speicherung
• Wasserstoff ist dafür ideal, denn bei Energieüberschuss speichert er – bei Energiemangel gibt er die Energie ab
• Verbrennung vereint 2 Vorteile: einen sehr hohen Wirkungsgrad und einen verhältnismäßig geringen Schadstoffausstoß




Nachteile von Wasserstoff:
• Nicht in reiner Form vorhanden, d.h. muss abgespalten werden. Abspaltung benötigt gleiche Energie wie man bei Verbrennung gewinnt.
• Wasserstoff hat kleine Dichte, und damit großes Speichervolumen. Um Speichervolumen zu verringern, muss Wasserstoff flüssig sein. Man benötigt viel Energie.
• Wird flüssiger Wasserstoff ohne thermische Vorkehrungen gehandhabt, entsteht ein Energieverlust. Es braucht neue Systeme, welche den Druck- und Temperaturabfall minimieren.


Die Brennstoffzelle
Um die Vorteile des Wasserstoffs zu nutzen wurde die Brennstoffzelle, eine Vorrichtung zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, entwickelt. Diese arbeitet ständig, wenn Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei 70-85%. Eine Brennstoffzelle enthält
• eine Anode, an der der Brennstoff zuströmt und
• eine Kathode, an der das Oxidationsmittel zuströmt.
Bei einer klassischen Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle lässt ein elektrochemischer Vorgang in der hauchdünnen Membran nur Protonen, also positiv geladene Wasserstoff-Ionen (H+), passieren. Durch den Elektronenüberschuss auf der Wasserstoffs-Seite und Elektronenmangel auf der Sauerstoff-Seite des Elektrolyts, Ionenleiters, bilden sich Plus- und Minuspol (Kathode/Anode), an denen elektrische Energie entnommen werden kann. Die Energie stammt aus der Reaktion der Wasserstoffteilchen mit den Sauerstoffteilchen. Wasser bleibt an der Anode zurück.

Beispiele für Brennstoffzellen
Viele Firmen haben sich mit der Entwicklung der Brennstoffzellen und mit Methoden um diese in stationären und mobilen Anlagen zu nutzen.

• Das Apollo Raumfahrt-Programm: Eingesetzt werden Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen mit Ionenaustausch-Membranen oder immobilisierten Phosphorsäureelektrolyten, weil sie mit geringer Masse der Brennstoffzelle und der benötigten Gase große Mengen elektrischer Energie erzeugen können. Das Wasser ist zudem ein willkommenes "Abfallprodukt" für die Astronauten.
• NECAR von DaimlerChrysler: 1994 stellte DaimlerChrysler mit dem NECAR 1 das erste Brennstoffzellen-Auto der Welt vor. Der Antrieb war noch so groß und schwer, dass er in einen Kleintransporter untergebracht werden musste. Doch die Entwicklung ließ die Produkte - bei wachsender Leistung - rasch schrumpfen.
Beim NECAR 4 passte fünf Jahre später (1999) die gesamte Brennstoffzelleneinheit in den Boden eines Autos. Eine optimale Lösung: Damit liegt der Schwerpunkt des Fahrzeugs nämlich tiefer und die Lasten sind gut verteilt. Der NECAR 4 verwendet außerdem die PEM-FC-Technik (siehe Seite 8).
Im November 2000 erschien die Neuentwicklung NECAR 5. Das Fahrzeug wird mit Methanol betankt. Mittels eines sogenannten "Reformers" wird daraus dann der notwendige Wasserstoff gewonnen. Methanol hat den Vorteil ganz normal gezapft werden zu können. Jede Tankstelle könnte ihn praktisch ab sofort verkaufen. Für die Umwelt ist dieses ein Kompromiss. Denn NECAR 5 lässt eben nicht nur Wasserdampf aus dem Auspuff, sondern auch Kohlendioxid.
• Cryoplane, das Flugzeugprogramm der DaimlerChrysler Aerospace AG (Hamburg), will spätestens 2002 mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug in der Luft sein.
• Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme: Eine kleine Patrone soll die herkömmlichen Lithium-Akkus, für z.B. Notebooks ersetzen.

Viele weitere Firmen, vor allem Autohersteller, interessieren sich für den Energieträger Wasserstoff und für die Brennstoffzelle. Der Durchbruch wäre die Brennstoffzelle als Standard-Antrieb aller Kraftwagen und die Versorgung mit Wasserkraft, Sonnen-, und Windenergie in Form des Energieträgers Wasserstoff. Und dieser Durchbruch ist vielleicht gar nicht mehr so weit entfernt wie man denkt, doch bis dahin kann man leider nur spekulieren.









Quelle:




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