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Auszüge aus der Wasserstoff-Geschichte

  • 1766: Wasserstoff-Entdeckung vom englischen Privatgelehrten H. Cavendish.
  • 1787: Lavoisier/Frankreich 'tauft' den Wasserstoff als 'hydrogène' (griechisch: hydor = Wasser; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner. Um
  • 1800 gelingt dem deutschen Chemiker Johann Wilhelm Ritter als einem der ersten Wissenschaftler die Elektrolyse von Wasser in einem U-Rohr.
  • 1807: Rivaz baut das erste Wasserstoff-Fahrzeug. Die Verbrennung von Wasserstoff befördert einen Kolben aufwärts, und das Eigengewicht zieht eine Zahnstange abwärts, die wiederum über eine Verzahnung das Fahrzeug antreibt.
  • 1838: Entdeckung des Polarisationseffektes: Christian Friedrich Schönbein (1799-1868, Professor an der Universität Basel) erzeugt in Versuchen Elektrizität aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff oder Chlor.
  • 1839: Erfindung der Brennstoffzelle: Sir William R. Grove (1811-1896, walisischer Richter, Freund von Schönbein) deutet den Polarisationseffekt als Umkehrung der Elektrolyse und erkennt das Potential zur Erzeugung elektrischer Energie. Er schaltet mehrere Elemente in Reihe und nennt die Vorrichtung 'Gasbatterie'.
  • 1874: Vision von Jules Verne, dem 'Vater des technischen Zukunftsromans'. Verne lässt in seinem Werk 'Die geheimnisvolle Insel' den Ingenieur Cyrus Smith auf die Frage, womit die Menschheit nach Erschöpfung der natürlichen Brennstoffe heizen werde, sagen: 'Wasser, doch zersetzt in seine chemischen Elemente ... Ich glaube, dass eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff... eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden.'
  • 1898: erste Verflüssigung von Wasserstoff vom britischen Chemiker und Physiker James Dewar in London.
  • 1901: Erstmalige Speicherung von Wasserstoff-Gas in Stahlflaschen von Ernst Wiss in Griesheim.
  • 6. Mai 1937: Der Zeppelin 'Hindenburg' verunglückt in Lakehurst/New Jersey (USA). 200.000 m3 Wasserstoff verbrennen (s. Sicherheit).
  • 1959: Amerikanischer Physiker Francis T. Bacon stellt die erste praxistaugliche Brennstoffzelle zur kontrollierten Energiegewinnung vor (Leistung 6 kW).
  • 1959: erster erfolgreicher Test mit einer 'Pratt and Whitney RL 10' (Sauerstoff/ Wasserstoff-Flugzeugmotor).
  • 1963: Wasserstoff wird in alkalischen Brennstoffzellen in der Raumfahrt für die Bordenergieversorgung und Trinkwasser eingesetzt (Gemini-Mission der NASA).
  • 1965: Antrieb des Bootes 'eta' von Siemens mit Wasserstoff.
  • Ab 1968 wird Wasserstoff bei Apollo-Missionen (Mondflügen) und Space Shuttle-Flügen eingesetzt. Das in den Brennstoffzellen entstehende Wasser dient zur Versorgung der Besatzung. 1975: Experimentier-Fahrzeug mit Wasserstoff-Antrieb von Mercedes-Benz mit Tieftemperatur-Hydrid.
  • 1979: In Europa wird der dreistufige HM7-Raketenmotor entwickelt und erfolgreich in die Europa-Rakete Ariane eingebaut. Die Ariane 5 benutzt Wasserstoff vom Start bis zur Landung.
  • 1980: Der deutsche Physiker Reinhard Dahlberg regt die nach der Ölverteuerung
  • 1979 entstandene Diskussion an, indem er sein Konzept solarer Wasserstoff-Plantagen in tropischen Regionen vorstellt.
  • 1984-1988: Berlin-Flotte (Kombi-Pkw & Transporter von Mercedes-Benz) fährt insgesamt über 1 Mio. km mit Wasserstoff.
  • 1985: Siemens entwickelt eine AFC für den Elektromotor eines VW-Busses (mit 17,5 kW) für das Kernforschungszentrum Karlsruhe und für das U-Boot U1 (100 kW).
  • 1986: Eine Explosion an Bord der Raumfähre kostet sieben Astronauten das Leben ('Challenger-Unglück', s. Sicherheit).
  • 1988: Bei dem umgebauten Verkehrsflugzeug (russische Tupolev TU 155) kann ein Triebwerk wahlweise mit flüssigem Erdgas oder flüssigem Wasserstoff betrieben werden.
  • 1989: 100 kW-Anlage von Siemens für das U-Boot U1 der Bundesmarine.
  • 1989: Deutsch-russisches Entwicklungsprogramm (Cryoplane) mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug (Airbus 310).
  • 1995: Versuche an einer DO 328 (wasserstoffbetriebenes Flugzeug).
  • 2000: BMW baut weltweit die erste Kleinserie (15 Fahrzeuge) von wasserstoffbetriebenen Pkws mit Verbrennungsmotor (BMW 750 hL).
  • 2000: Ein EU-Projekt mit 35 europäischen Firmen nimmt die Arbeiten am Wasserstoff-Flugzeug (CRYOPLANE) wieder auf.

 

 

Wasserstoff Fakten und Daten

Wasserstoff-Eigenschaften

Die Bezeichnung Wasserstoff existiert bereits seit dem Jahr 1787. In diesem Jahr taufte der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als hydrogène (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach Wasser-Bildner.

Wasserstoff (H) tritt hauptsächlich als Molekül auf, da sich meist zwei Wasserstoff-Atome zusammentun zu H2. In der Natur kommt auch das H2-Molekül nur selten allein vor, weil es sich meist sehr schnell ein Sauerstoffatom (O) sucht und zu Wasser (H2O) reagiert.

2 H+ + O2- => H2O

Wasserstoff ist:

  • ungiftig und nicht reizend
  • umweltneutral, nicht wassergefährdend
  • geruchlos
  • geschmacksneutral
  • unsichtbar
  • leicht flüchtig
  • im Freien nicht explosiv
  • nicht radioaktiv
  • nicht krebserzeugend

 Wissenswerte Fakten:

  • Häufigstes Element im Weltall mit etwa 55 % Gewichtsanteil.
  • 1/6000 der Wasserstoff-Atome der Erde sind Schwerer Wasserstoff = Deuterium = D mit 1 Neutron im Atomkern.
  • 1/Billiarden der Wasserstoff-Atome der Erde sind Überschwerer Wasserstoff = Tritium = T mit 2 Neutronen im Kern; Tritium zerfällt nach 12 Jahren in das Helium-Isotop ( He).
  • Kann auch mit anderen Oxidanten als Sauerstoff reagieren, z. B. mit Chlor oder Lachgas.
  • Brennt im ultravioletten Bereich (310 ?m). Kann Sonnenbrand verursachen.
  • 10mal geringere Wärmeabstrahlung bei der Verbrennung im Vergleich zu anderen Brenngasen, wegen des Mangels an Kohlenstoff.
  • Molekül-Aufspaltung: 2 H ßà H2 + 437,6 kJ
  • Verbrennung: H2 + ½ O2 à H2O (+ 289,5 kJ/mol = 0,08 kWh/mol = 40,2 kWh/kgH2)
  • Wasser enthält 11,2 Gew.-% Wasserstoff.
  • Die Entspannung von Wasserstoff bei Normaltemperatur führt zu einer geringfügigen Erwärmung (negativer Joule-Thompson-Effekt). Erst unterhalb des Umkehrpunktes (TU = -73 °C) bewirkt eine Entspannung eine Abkühlung, wie es auch bei den meisten anderen Gasen der Fall ist.
  • Ein Gas-Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1 heißt Knallgas, da es bei einer Entzündung mit einem Knall reagiert. Diese Reaktion wird u.a. in der Chemie zum Nachweis von Wasserstoff verwendet (Knallgas-Probe).  

Wasserstoff-Kennwerte

  1. Schmelzpunkt von H2, TSch = -259,15 °C = 13,9 K
  2. Siedepunkt von LH2, TS = -252,76 °C = 20,39 K.
  3. Dichte rLH2 bei 20,3 K und 1.013 mbar = 70,79 g/l
  4. Dichte rGH2 bei 20,3 K und 1.013 mbar = 1,34 g/l
  5. Verdampfungswärme bei TS = 445,4 J/g = 31,5 kJ/l
  6. Heizwert, HU, LH2, 119,97 MJ/kg = 33,33 kWh/kg = 8,495 MJ/l = 2,359 kWh/l
  7. Temperatur am kritischen Punkt, TK = 33 K
  8. Druck am kritischen Punkt, pK = 12,9 bar
  9. Dichte rK, GH2 bei TK = 31,4 g/l
  10. Normalzustand TN = 0 °C, pN = 1.013 mbar
  11. Dichte bei TN = 0,090 g/l
  12. Dichte rGH2 bei 293 K und 1.013 mbar = 0,084 g/l
  13. Dichteverhältnis Gas zu Luft (= 1): = 0,0695
  14. Heizwert HU, GH2, bei TN = 10,8 MJ/Nm3 = 3,0 kWh/Nm3
  15. Zündbereich in Luft = 4,0 bis 79,0 Vol.-%
  16. Zündtemperatur = 560 °C
  17. Verbrennungstemperatur in Luft, TV = 2.045 °C
  18. Verbrennungstemp. bei 29 Vol.-%, TVluft = 2.318 °C (mit Luft)
  19. Verbrennungstemp. bei 29 Vol.-%, TVO2 > 3.000 °C (mit O2)
  20. Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C und 1 bar, = 1,9 W/cmK
  21. Spezifische Wärmekapazität cp bzw. cv = 14.199 J/kgK bzw. 10.074 J/kgK
  22. Diffusionskoeffizient = 0,61 cm2/s
  23. Dynamische Viskosität bei 25 °C, 1 bar = 8,91 x 10-6 Ns/m2

Sicherheit

Im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen (Benzin, Diesel, Erdgas) ist Wasserstoff mindestens genauso sicher, wenn nicht sogar sicherer.
Im Gegensatz dazu wird vielfach angenommen, Wasserstoff wäre hochexplosiv und gefährlich. Verantwortlich für diese weit verbreitete Meinung sind einige Vorurteile (Knallgas-Reaktion, Hindenburg-Unfall, Challenger-Unglück), die sich in der Öffentlichkeit eingeprägt haben.

Sicherlich ist Wasserstoff auch nicht gänzlich ungefährlich, weswegen im Folgenden einige Charakteristika erläutert werden sollen.

Wasserstoff ist ein extrem leichtes Element. Dies gilt sowohl für den gasförmigen als auch für den flüssigen Aggregatzustand. Seine geringe Dichte führt dazu, dass gasförmiger Wasserstoff, wie er bei Umgebungstemperaturen vorliegt, sehr rasch nach oben entweicht, sollte er freigesetzt werden. Im Vergleich zu Luft ist Wasserstoff 14-mal leichter.

Diese Eigenschaft führt dazu, dass die untere Zündgrenze schnell unterschritten wird und kein zündfähiges Gemisch mehr vorliegt. Damit es jedoch gar nicht erst zu einer Freisetzung dieses Kraftstoffes kommt, werden entsprechende vorbeugende Maßnahmen unternommen. Falls dennoch Gas entweicht, muss für eine rasche Verdünnung gesorgt werden. Durch intensive Belüftung bzw. Luftabsaugung kann verhindert werden, dass ein zündfähiges Gemisch entsteht.

Außerdem muss verhindert werden, dass Sauerstoff in ein Wasserstoff-System eindringt, weil dann innerhalb dieses Systems ein zündfähiges Gemisch vorliegen könnte. In diesem Fall ist die obere Zündgrenze von Bedeutung und sollte nicht unterschritten werden. Von Vorteil ist hierbei, dass es sich bei allen Wasserstoff-Systemen um Drucksysteme handelt, so das eher etwas herausströmt als hinein.

Sollte nichts desto trotz Wasserstoff in die Umgebung entwichen sein, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein, bevor es zu einer Entzündung kommen kann.

  1. Es muss ein zündfähiges Gemisch vorliegen. Dies beinhaltet, dass auch Sauerstoff vorhanden sein muss. Der Zündbereich von Wasserstoff in Luft reicht von 4,0 bis 79,0 Vol.-%.
  2. Es muss eine ausreichend hohe Zündenergie zugeführt werden. Die minimale Energie-Menge, zur Entzündung eines Gemisches, liegt für Wasserstoff bei 0,017 mJ. Dieser Wert liegt etwa zehnmal niedriger als bei anderen Kraftstoffen. Dieser Unterschied allein sagt jedoch noch nichts über die Gefährlichkeit des Kraftstoffes aus, da alle Kraftstoff/Luft-Gemische sehr leicht entzündbar sind.

Kommt es trotz diverser Sicherheitsmaßnahmen tatsächlich zu einer Entzündung, sollten die speziellen Eigenschaften von Wasserstoff berücksichtigt werden.

  • Für das menschliche Auge sind die Flammen tagsüber so gut wie nicht sichtbar, da sie im ultravioletten Bereich strahlen.
  • Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist relativ hoch, so dass sich die Flammen zwar schnell ausbreiten, ein Feuer aber auch schnell wieder vorbei ist.
  • Wegen der geringen Stoff-Dichte steigt das Gas sehr schnell auf. Gasgemische in der Nähe der unteren Zündgrenze weisen jedoch eine ähnliche Dichte auf wie Luft, so dass sie sich kurzfristig auch seitwärts 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 löschen zu wollen. Es ist besser, die Kraftstoff-Zufuhr zu verhindern, so dass dem Feuer die Nahrung ausgeht, und gleichzeitig umliegende Objekte mit Wasser zu kühlen.
  • Für den Menschen ist gasförmiger Wasserstoff nicht toxisch, das heißt beim Einatmen besteht keinerlei Gefahr. Nur wenn soviel GH2 in der Luft sein sollte, dass der prozentuale Sauerstoff-Anteil zu weit reduziert (< 15 %) oder der Wasserstoff-Anteil zu groß wird (> 30 %), kann es zu Atemnot und sogar Erstickung führen.

Wasserstoff Verbrennung

Die aus dem Schulunterricht allseits bekannte Knallgas-Reaktion veranlasst vielfach zu der Vermutung, Wasserstoff sei hochexplosiv und gefährlich. Zu einer derartigen Reaktion kommt es jedoch nur, wenn gleichzeitig mehrere Voraussetzungen erfüllt sind. 

Für die Verunglückung des Zeppelins Hindenburg in Lakehurst/New Jersey (USA) am 6. Mai 1937 wird vielfach der vorhandene Wasserstoff verantwortlich gemacht. Tatsächlich waren 200.000 m3 Wasserstoff vorhanden, die auch verbrannt sind. Die Ursache für dieses Unglück war jedoch eine elektrostatische Aufladung infolge des Gewitters, die zu einer Entzündung der leichtentflammbaren Umhüllung des Zeppelins führte. Die Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff ermöglichten vielmehr eine Rettung von 62 der 97 Passagiere.

Eine Explosion an Bord der Raumfähre Challenger kostet im Jahr 1986 sieben Astronauten das Leben ("Challenger-Unglück"). Die Ursache war jedoch nicht Wasserstoff, sondern eine defekte Dichtung einer Hilfsrakete mit Festtreibstoff. Die austretende Stichflamme beschädigte den wasserstoffgefüllten Haupttank. Erst das führte zu einem Leck und letztlich zur Explosion.

Wird die Freisetzung von Wasserdampf zum Problem?

Häufig wird die Frage gestellt, ob denn nicht der viele Wasserdampf, der in einer zukünftigen Wasserstoff-Wirtschaft freigesetzt würde, zu Problemen führe.

Wasserdampf ist ein ganz natürlicher Bestandteil der Erd-Atmosphäre. Die Wasserdampf-Emissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen lediglich bei 0,005 % dieser natürlichen Vorkommen. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen in regionalen Ballungsräumen würde ein auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampf-Emissionen nur im Promillebereich der natürlichen Vorkommen freisetzen.

Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre vorkommende klima-relevante Gas, aber wesentlich weniger klima-aktiv als beispielsweise CO2.

Ähnliches gilt für auftretende H2-Emissionen. Werden Szenarien der Wasserstoff-Nutzung und daraus realistische Wasserstoffgas-Emissionen abgeleitet, dann würden die H2-Emissionen um maximal bis zu 5 % ansteigen.

Sollten im Jahr 2050 etwa 1 Mrd. Straßen-Fahrzeuge unterwegs sein, wovon 10 bis 20 % mit LH2 betrieben würden, so entstünden hieraus zusätzliche H2-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. t/Jahr.

In den letzten Jahren lag die jährlich H2-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. t H2/Jahr als deutlich oberhalb davon.

Flüssiger Wasserstoff - Materialanforderung

Besonders bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der damit verbundenen niedrigen Temperatur auf besondere Sorgfalt bei der Materialwahl zu achten.

Kalt-Versprödung
Wie diese Bezeichnung schon erahnen lässt, ist die Kalt-Versprödung begründet in den niedrigen Temperaturen, die viele Materialien spröde und hart macht. Je niedriger die Temperatur ist, desto empfindlicher werden die Substanzen gegen äußere Einflüsse wie Stoß oder Verformung. 

Unabhängig von der Kalt-Versprödung gibt es noch ein ganz spezielles Material-Problem im Zusammenhang mit dem Medium Wasserstoff.

Wasserstoff-Versprödung
Für die Wasserstoff-Versprödung von Metallen gibt es zwei verschiedene Ursachen:

  • Die H2-Versprödung bei Umgebungstemperatur wird durch atomaren Wasserstoff hervorgerufen, der in Metallgitter eindringen kann. Diese Art der Versprödung tritt speziell an der Oberfläche infolge von äußeren Krafteinwirkungen auf, weil der Zusammenhalt des Metallgitters bei plastischer Verformung geschwächt ist.
  • Bei Temperaturen oberhalb von 200 °C kann es zu einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff oder anderen Bestandteilen von legiertem Stahl kommen. Dabei handelt es sich um eine irreversible Umstrukturierung des Metallgitters (Bildung von Blasen oder Rissen), die ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Undichtigkeit
Ein weiteres Problem ist eine mögliche Undichtigkeit, die an Verbindungsstellen und Dichtungen auftreten kann, obwohl diese Stellen eigentlich wasser- und luftdicht sind. Wasserstoff-Moleküle sind jedoch sehr klein und können deswegen durch engste Ritzen und Spalten entweichen.

Ortho-Wasserstoff und Para-Wasserstoff

Wasserstoff-Moleküle treten in zwei verschiedenen chemischen Zuständen auf. 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. 

Bei Umgebungstemperatur kommt Ortho-Wasserstoff dreimal häufiger vor als Para-Wasserstoff. Unterhalb von -200 °C hingegen liegt fast ausschließlich Para-Wasserstoff vor. 
Die Umwandlung von einem zum anderen Zustand ist ein sehr langsamer Prozess und kann sich ohne die Anwesenheit von Katalysatoren über mehrere Tage hinstrecken. Die Umwandlungswärme beträgt 715,8 kJ/kg.
Ein Gemisch aus 25 % Para- und 75 % Ortho-Wasserstoff wird n-Wasserstoff genannt.

Wasserstoff Unternehmen

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