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Wasserstofffahrzeuge & Fahrzeugtechnik

Fachbericht | Wörter: 1084 | Aufrufe: 8165 | Druckbare Version

Wasserstofffahrzeuge
„Was werden wir später einmal statt Kohle verbrennen?“, fragte der Seemann. „Wasser“, antwortete Smith. „Wasserstoff und Sauerstoff werden für sich oder zusammen zu einer unerschöpflichen Quelle von Wärme und Licht werden, von einer Intensität, die die Kohle überhaupt nicht haben könnte; das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ In seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ lässt der französische Schriftsteller Jules Verne schon im Jahr 1874 den Ingenieur Cyrus Smith die Vision von Wasserstoff als modernen Brennstoff formulieren. Mittlerweile arbeitet die Wissenschaft mit Hochdruck daran, diese Vision in die Wirklichkeit umzusetzen. Wasserstoff dürfte als Brennstoff der Zukunft insbesondere im Zusammenhang mit Brennstoffzellen einige Bedeutung erlangen (Näheres zur Funktionsweise von Brennstoffzellen erfahren Sie hier).

Kleine Wasserstoff-Geschichte
Entdeckt wurde der Wasserstoff im Jahr 1766 vom englischen Privatgelehrten H. Cavendish, seinen Namen erhielt das Element gut 20 Jahre später durch den Franzosen Antoine Laurent de Lavoisier. Er taufte den Wasserstoff als hydrogène (hydor = Wasser; genes = erzeugend). Im Jahr 1800 gelang dem deutschen Chemiker Johann Wilhelm Ritter als einem der ersten Wissenschaftler die Elektrolyse von Wasser in einem U-Rohr. Nur sieben Jahre später baute der Schweizer Issac de Rivaz das erste Wasserstoff-Fahrzeug. Ende des 19. Jahrhunderts konnte der britischen Chemiker und Physiker James Dewar Wasserstoff erstmals verflüssigen. 1901 schaffte es Ernst Wiss, den Wasserstoff in Stahlflaschen zu speichern. Seit 1968 wird Wasserstoff bei Apollo-Missionen (Mondflügen) und Space Shuttle-Flügen eingesetzt. Das in den Brennstoffzellen entstehende Wasser dient dabei zur Versorgung der Besatzung. Bereits seit Mitte der 1970er Jahre experimentiert man nun mit Wasserstoff als Brennstoff für Fahrzeuge. Die Wasserstoff-Geschichte ist aber nicht nur von großen Erfolgen, sondern auch von einigen (vermeintlichen) herben Rückschlägen gekennzeichnet. So verunglückte am 6. Mai 1937 der Zeppelin „Hindenburg" in Lakehurst/New Jersey. Dabei verbrannten 200.000 m³ Wasserstoff. Allerdings war nicht der Wasserstoff für das Unglück verantwortlich, sondern ein Kurzschluss, der die leicht entflammbare Hülle des Zeppelins in Brand setzte. Auch das Unglück der Raumfähre „Challenger" im Jahr 1986 lässt sich, entgegen hartnäckigen Gerüchten, nicht auf den Wasserstoff zurückführen. Verantwortlich für die Explosionen zeichnete vielmehr die defekte Dichtung einer der Hilfsraketen. Sie führte zu einer Stichflamme, die den wasserstoff-gefüllten Haupttank beschädigte.

Wasserstoff-Fakten
Wasserstoff ist das Element, das in unserem Kosmos am häufigsten auftritt. Auf der Erde findet man es in zahlreichen Verbindungen, hauptsächlich als Bestandteil des Wassers. Wie im Wasser tritt der Wasserstoff auch ansonsten hauptsächlich also Molekül, das aus zwei Wasserstoff-Atomen besteht, auf. Auch dieses Molekül ist in der Natur nur recht selten allein zu finden, da es zumeist recht schnell mit einem Sauerstoffatom zu Wasser reagiert.

Der Wasserstoff besitzt noch zwei Isotope (das sind Elemente mit identischen chemischen Eigenschaften aber einer unterschiedlichen Masse): Deuterium, auch schwerer Wasserstoff genannt und Tritium, dass die Bezeichnung überschwerer Wasserstoff führt. Mischt man Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis zwei zu eins, erhält man Knallgas. Bei seiner Entzündung reagiert es mit einem Knall. Diese Reaktion dürfte den Meisten aus dem Chemieunterricht bekannt sein. Dennoch handelt es sich bei Wasserstoff um ein vergleichsweise harmloses Element. Er ist ungiftig, umweltneutral, geruchlos, unsichtbar und geschmacksneutral. Im Freien ist Wasserstoff für gewöhnlich nicht explosiv. Es ist weder radioaktiv noch Krebs erzeugend.

Verfahren zur Wasserstoff-Herstellung Derzeit gibt es einige verschiedene Verfahren zur Wasserstoff-Herstellung. Einige von Ihnen wollen wir nun kurz vorstellen: Die Dampfreformierung hält momentan den größten Anteil mit circa 50%. Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffe, die in der Natur häufig auftreten, vom Wasserstoff getrennt. Das geschieht in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird mit Wasserdampf unter Wärmezufuhr ein wasserstoffreiches Gasgemisch erzeugt. In der zweiten Stufe wird dieses Gasgemisch schrittweise immer weiter gereinigt, bis der Wasserstoff übrig bleibt.

Bei der partiellen Oxidation wird Erdgas oder ein schwerer Kohlenwasserstoff (Heizöl) mit Sauerstoff versetzt. Hier enthält das Ergebnis dieser Reaktionen, ähnlich wie bei der Dampfreformierung, einen großen Anteil an Kohlenmonoxid, der in einem weiteren Verfahren entfernt werden muss. Die autotherme Reformierung stellt eine Kombination aus den beiden eben vorgestellten Verfahren dar. Dabei werden sie so miteinander kombiniert, dass der Vorteil der Oxidation (Bereitstellung von Wärmeenergie) sich mit dem Vorteil der Dampfreformierung (höhere Wasserstoffausbeute) optimal ergänzt. Somit ist der Wirkungsgrad dieses Verfahrens höher als er Wirkungsgrad der beiden anderen Verfahren.

Wie in so vielen Gebieten des täglichen Lebens hat die Natur ebenfalls einen Weg zur Wasserstoff-Herstellung gefunden. Bei der biochemischen Herstellung übernehmen Grünalgen die Wasserstoff-Produktion. Sie verfügen über Enzyme, die einen so genannten Wasserstoff-Metabolismus aufweisen. Freiwillig machen die Algen ihren Job allerdings nicht. Man muss sie dazu zwingen, z.b., indem man sie verstärkt Schwefel aussetzt. Die Alge schaltet darauf ihren Stoffwechsel auf Sparflamme, ein Teil der Photosynthese läuft aber ganz normal weiter und erzeugt große Mengen energiereicher Verbindungen. Diese können die Zellen im Sparmodus aber gar nicht verwerten. Sie „entsorgen" schließlich die überschüssige Energie in Form von Wasserstoff. Auf diese Weise kann ein Kubikmeter Algenkultur (Grünalgen) etwa 15.000 l Wasserstoff pro Jahr erzeugen. Es gibt auch einige spezielle Bakterien, die auf ähnliche Art und Weise Wasserstoff produzieren. Der Fachbegriff für diese Form der Wasserstoff-Erzeugung ist Hydrogenase. Die Elektrolyse dürfte das wohl bekannteste Verfahren zu Gewinnung von Wasserstoff sein. Bei ihr wird Wasser mithilfe elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.

Wasserstoff-Speicherung
Eine Zeit lang gab es Bedenken, die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für Automobile und andere Fahrzeuge könne daran scheitern, dass es keine hinreichend sichere Möglichkeit gebe, den Wasserstoff zu speichern. In diesem Bereich hat sich aber insbesondere in den letzten Jahren viel getan, sodass man diese Bedenken mittlerweile als acta legen kann. Im Moment sieht es so aus, dass drei Speicherverfahren die aussichtsreichsten Kandidaten für die endgültige Lösung des Wasserstoff-Speicherproblems sind: Die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern, die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern oder die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden. Im letztgenannten Fall bildet der Wasserstoff spezielle Metallverbindungen und kann bei Bedarf aus diesem Verbindungen wieder freigesetzt werden. Bei steigendem Volumen werden Hydridtanks indes schnell sehr schwer, was sie zumindest für mobile Anwendungen nur bedingt tauglich erscheinen lässt.


Wasserstoff Autos tanken
Das Netz an Wasserstoff-Tankstellen ist in Deutschland noch nicht sonderlich ausgebaut. Derzeit gibt es knapp 20 derartiger Tankstellen hierzulande. Wer sich über ihre Standorte und über den Ausbau des Wasserstoff-Tankstellen-Netzes in Deutschland informieren möchte, kann das im Internet auf der Seite H2Stations.org machen.

Wasserstoff-Anwendungen
Bisher beschränkte sich die Nutzung von Wasserstoff in erster Linie auf industrielle Prozesse in Raffinerien oder bei der Fetthärtung und auf die Herstellung von Düngemitteln Kunststoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln. Künftig soll der Wasserstoff aber vermehrt im privaten Bereich zum Einsatz kommen. Das kann überall dort, wo Brennstoffzellen verwendet werden der Fall sein. Man macht sich dabei große Hoffnungen darauf, mithilfe des Wasserstoffs den Strom für Elektrofahrzeuge gewinnen zu können. Es gibt aber auch Bestrebungen, Wasserstoff direkt als Treibstoff für Verbrennungsmotoren einzusetzen.

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