Wasserstoff als Kraftstoff

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Wasserstoff

von Dipl.-Ing. Sven Geitmann

Eigenschaften von Wasserstoff

Die Bezeichnung Wasserstoff existiert seit 1787. Der Franzose Lavoisier "taufte" den Wasserstoff als "hydrogène" (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner. Wasserstoff selbst ist ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen (H₂).

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 T_S = -252,77 °C = 20,3 K
- Schmelztemperatur T_Sch = - 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 T_max = 2318 °C Verbrennungstemperatur in Luft
- bei 29 % ist T_maxO2 > 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 à 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 wieder abgegeben, die vorher zur Spaltung des Wassers aufgebracht werden mussten. Bei seiner Verbrennung entsteht, abgesehen von Wasser in Form von Wasserdampf, nur noch 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 entsteht 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 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 genau wie Benzin, Diesel, Erdgas oder Propan ein Energieträger. Alle 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 Feuer auch schnell wieder 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 löschen zu wollen. Es ist besser, die Kraftstoff-Zufuhr zu stoppen, so dass 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.

Herstellung von Wasserstoff
Insgesamt werden jährlich in Deutschland ungefähr 20 Mrd. m³ Wasserstoff erzeugt, weltweit sind es etwa 500 Mrd. m³. Dies entspricht sowohl bundesweit als auch weltweit einem Anteil von jeweils 1,5 % des Energiebedarfs. Rund 40 % des momentanen Bedarfs könnte gedeckt werden, indem der Wasserstoff verwendet wird, der in der Industrie als Nebenprodukt anfällt. Zum Teil bleibt dieser Anteil jedoch völlig ungenutzt. Ansonsten wird H2 meist direkt dort produziert, wo es auch benötigt wird. Allerdings wird lediglich 5 % der Gesamtmenge auf dem freien Markt gehandelt.

Tab. 1: Herstellungsmenge von Wasserstoff in Milliarden m³

	Deutschland	Welt
Dampfreformierung von Erdgas oder Naphta	6	190
Partielle Oxidation von Schweröl	3	120
Petrochemie: Benzinreformierung	2,5	90
Petrochemie: Ethylenproduktion	3,6	33
Sonstige chemische Industrie	0,9	7
Chlor-Alkali-Elektrolyse	0,9	10
Kohlevergasung (Koksgas)	2,1	50
Gesamt	19	500

Quelle: DWV

Zur Wasserstoff-Herstellung sind viele unterschiedliche Methoden möglich (s. Tab. 1). Dies umfasst zum einen die Verwendung von fossilen Rohstoffen als Ausgangsprodukt und zum anderen die Elektrolyse, die lediglich Wasser und Strom benötigt. Alle Verfahren haben jedoch gemein, dass sie mehr oder weniger viel Energie benötigen.
Soll der Wasserstoff nach seiner Erzeugung flüssig gespeichert werden, muss er auf -254 °C (= 20 K) abgekühlt und verflüssigt werden. Heutige Verflüssigungsanlagen leisten ungefähr 10 bis 15 Tonnen Wasserstoff pro Tag. Zur Verflüssigung wird ungefähr 1/3 der im Wasserstoff gespeicherten Energie benötigt.

Energiebereitstellung
Die Herstellung sowie die Aufbereitung von Wasserstoff benötigen Energie. Momentan wird diese Energie noch hauptsächlich aus fossilen Energiequellen bezogen. Dies bedeutet jedoch, dass 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 machen würde. Es stellt sich demnach die Frage, weshalb dies trotzdem gemacht wird und ob diese Praxis weiter geführt werden sollte.
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", dass 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, um dann diese elektrische Energie zu nutzen, um durch Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Heut zu tage 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 Herstellung 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.

Verbrennungsmotor
Grundsätzlich ist ein Wasserstoff-Motor ähnlich aufgebaut wie ein Otto-Motor, da beide über eine Fremdzündung verfügen. In einem Diesel-Motor wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch soweit verdichtet, bis es aufgrund des Druck-Anstiegs und der Erwärmung zu einer Selbst-Entzündung kommt. Wegen der hohen Zündtemperatur von Wasserstoff (560 °C, Diesel 250 °C) eignet er sich jedoch nicht für das Diesel-Prinzip. Der entscheidende Zündfunke muss von einer Zündkerze erzeugt werden. Bei der Leistungsregelung (Gasgeben) ist es unwesentlich, ob das Dieselmotor-Prinzip (Qualitätsregelung) oder das Ottomotor-Prinzip (Quantitätsregelung) gewählt wird. Herkömmliche Techniken der Kraftstoff-Zufuhr können ebenso vom Otto-Motor übernommen werden wie die Zylinderkopf-Konstruktion.

Für die Gemisch-Aufbereitung gibt es genau wie beim konventionellen Benzin-Motor zwei unterschiedliche Verfahren. Bei der äußeren Gemischbildung wird gasförmiger Wasserstoff mit geringem Überdruck in das Ansaugrohr eingeblasen. Dabei handelt es sich immer um GH2, auch wenn im Kraftstoff-Tank flüssiger Wasserstoff gespeichert wird. Der tiefkalte Kraftstoff wird in der Regel auf dem Weg vom Tank zum Motor erwärmt und entspannt, so dass er dort gasförmig ankommt. Die Vorteile der äußeren Gemischbildung liegen in der Einfachheit des Aufbaus und im geringen, erforderlichen Einblas-Druck. Nachteile sind eine im Vergleich zu Benzin- bzw. Dieselmotor verringerte volumetrische Leistungsausbeute des Motors sowie ein teilweise unregelmäßiger Verbrennungsablauf.
Bei der inneren Gemischbildung wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Druck (80 bis 120 bar) direkt in den Brennraum eingeblasen. Dort wird er mit dem Luft-Sauerstoff gemischt und mit einer Zündkerze entzündet. Hinsichtlich der Ausbreitung des eingespritzten Kraftstoffes und des anschließenden Mischungsprozesses sind erhebliche Unterschiede gegenüber der Einspritzung von Diesel-Kraftstoff zu verzeichnen. Dies kommt unter anderem durch den gasförmigen Zustand des Kraftstoffes, den großen Dichte-Unterschied zwischen Kraftstoff und Luft sowie die erheblich größere Flammen-Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wasserstoff. Ein hoher Einblas-Druck ist notwendig, um den Kraftstoff in möglichst kurzer Zeit einspritzen zu können. Ansonsten kann es zu Fehlzündungen und zu einer klopfenden Verbrennung kommen. Das Mischungsverhältnis von Wasserstoff zu Luft kann stöchiometrisch (Luftverhältnis Lambda = 1) sein oder darüber liegen. Die volumetrische Leistungsausbeute bei dieser Art der Gemischbildung ist ähnlich hoch wie beim Dieselmotor. Der Nachteil der inneren Gemischbildung ist jedoch ein relativ hoher technischer Aufwand.

Speicherung
Eine Speicherung ist notwendig, weil Wasserstoff nicht immer an Ort und Stelle erzeugt werden kann, wo er gebraucht wird. Außerdem stimmt in Mitteleuropa das Energieangebot der Sonne nur schlecht mit dem Energiebedarf überein. Im Sommer, wenn weniger Energie benötigt wird, scheint die Sonne stark. Im Winter, wenn deutlich mehr Energie verbraucht wird, scheint sie jedoch nur begrenzt. Zudem gibt es starke tageszeitliche und wetterbedingte Schwankungen der Sonneneinstrahlung. Ähnliches gilt für die Windenergie oder andere alternative Konzepte. Es muss jedoch für eine gute Energieversorgung möglich sein, auch kurzfristig hohe Energiemengen zur Verfügung zu stellen in sogenannten Spitzenzeiten.

Die Speicherung eines jeden Energieträgers ist immer mit Risiken verbunden, weil sich Energie nicht so einfach einsperren lässt. Energie will frei sein. Kein anderes Lebewesen als der Mensch versucht, Energie hochkomprimiert zu horten. In der Natur ist es eher so, dass viel Energie auf wenig Raum Leben zerstört. Viel Energie bedeutet immer auch viel Wärme bzw. viel Bewegung, und das ist nur schwer mit den uns bekannten Lebensformen vereinbar.
Kraftstoff-Tanks sind dementsprechend extrem hohen Belastungen ausgesetzt. Sie müssen Energie mit möglichst hoher Dichte speichern, müssen zum Teil hohe Temperatur-Unterschiede aushalten und außerdem (bei mobilen Behältern) eine Beförderung mit ihren Erschütterungen und Schwingungen ermöglichen.
Ehemalige Bedenken, dass Wasserstoff sich nicht als Kraftstoff für Fahrzeuge eignen würde, weil die Speicherung noch nicht zufriedenstellend geklärt sei, sind längst Vergangenheit. In den letzten Jahren hat sich jedoch speziell in diesem Bereich sehr viel getan. Es gibt mittlerweile neue Techniken zum Aufbau von Wasserstoff-Tanks. Es gibt Materialien, die auch stärkster Belastung standhalten. Und das Brenn- bzw. Explosions-Verhalten von Wasserstoff ist zunehmend besser bekannt.
Im Laufe der Entwicklung von Speichermedien für Wasserstoff gab es eine Vielzahl von Methoden, denen zum Teil hervorragende Aussichtschancen zugesprochen wurden. Teilweise wird an einigen Verfahren immer noch geforscht, andere Projekte wurden eingestellt. Es ist vor diesem Hintergrund durchaus möglich, dass durch diese Weiterentwicklung bereits totgesagte Verfahren wieder hervorgeholt werden.

Zur Zeit gibt es jedoch nur maximal drei wirklich aussichtsreiche Speichermethoden:
- die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,
- die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
- die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden.

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 überteuerten 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. Bis zum Jahr 2020 sollen etwa 50 % der abgesetzten BMW-Fahrzeuge über einen Wasserstoff-Antrieb verfügen. Demgegenüber gibt Opel einen Anteil von ca. 10 % und DaimlerChrysler mit 10 bis 20 % bis zum Jahr 2010 an.

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.

Der Autor Sven Geitmann hat auch zwei Bücher zu dieser Thematik veröffentlicht:

Wasserstoff & Brennstoffzellen Die Technik von morgen! ISBN 3-8311-3273-9

Wasserstoff- & Brennstoffzellen-Projekte ISBN 3-8311-3280-1

Beide erschienen im Hydrogeit-Verlag, Berlin 2002

Kontakt: http://www.hydrogeit.de, kontakt @ hydrogeit.de, Tel/Fax: 033055-21322/20

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