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2008 | Buch

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Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik

Erzeugung, Speicherung, Anwendung

verfasst von: Helmut Eichlseder, Manfred Klell

Verlag: Vieweg+Teubner

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Energie und Umwelt

Auszug

Die Zunahme der Weltbevölkerung, die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und deren geografisch ungleiche Verteilung, die steigende Umweltbelastung durch die Emission von Schadstoffen sowie der Klimawandel zählen zu den größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Um unsere künftige Energieversorgung sicherzustellen wird neben der Steigerung der Effizienz und der Nutzung eines breiteren Spektrums an Energiequellen wohl auch die Entwicklung eines Bewusstseins des sparsameren Umgangs mit Energie erforderlich sein.

2. Geschichtliches

Auszug

Wasserstoff wurde schon vom Schweizer Naturforscher Theophrastus Bombastus von Hohenheim, bekannt als Paracelsus (1493–1541), aus der Reaktion von Metallen und Säure hergestellt und beschrieben, allerdings erkannte er Wasserstoff nicht als eigenes Element. Die Bezeichnung „Gas“ geht auf den von Paracelsus benutzten Begriff „Chaos“ für die schäumenden Produkte seiner Versuche zurück.

3. Eigenschaften

Auszug

Wasserstoff ist mit einer Häufigkeit von über 92,7 % das mit Abstand am häufigsten im Universum vorkommende Element. Die Urknalltheorie geht davon aus, dass vor etwa 13,5 Milliarden Jahren Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium durch Kernfusion entstanden sind, die in weiterer Folge alle anderen Atome gebildet haben. Die Häufigkeit von Helium liegt bei 7,2 %, so dass die aller anderen Elemente zusammen nur 0,1 % beträgt. Im Weltall kommt Wasserstoff aufgrund der niedrigen Werte von Temperatur und Druck in seiner atomaren Form vor. Das interstellare Gas besteht fast vollständig aus Wasserstoff, es ist mit ca. 1 Wasserstoffatom pro cm³ so stark verdünnt, dass es als Vakuum betrachtet wird. Wasserstoff bildet den Hauptbestandteil von Sternen, die ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium beziehen.

4. Erzeugung

Auszug

Weltweit werden mehr als 600 Milliarden Nm³ Wasserstoff pro Jahr erzeugt und verbraucht, was mit einem Energiegehalt von knapp 6,5 Exajoule (10¹⁸ J) etwa 1,5 % des globalen Gesamtenergiebedarfs entspricht. Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, wobei eine Reihe von Ausgangsstoffen und verschiedene Primärenergieträger eingesetzt werden.

5. Speicherung und Transport

Auszug

Wasserstoff ist ein bei Normalbedingungen sehr leichtes Gas. Trotz seines hohen gravimetrischen Heizwertes von 120 MJ/kg ist sein volumetrischer Heizwert von 10 MJ/Nm³ sehr gering. Nach der Herstellung stellen Speicherung und Transport von Wasserstoff daher technische Herausforderungen dar. Um möglichst hohe volumetrische Speicherdichten zu erreichen werden folgende Methoden angewendet:

Speicherung und Transport von verdichtet gasförmigem Wasserstoff
Speicherung und Transport von tiefkalt flüssigem Wasserstoff
Speicherung und Transport von Wasserstoff in chemischen oder physikalischen Verbindungen.

6. Brennstoffzelle

Auszug

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Im darauf folgenden Jahr konnte der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove auf dieser Basis die erste Brennstoffzelle entwickeln, siehe Abschnitt Geschichtliches. Die Brennstoffzelle konnte sich jedoch gegen die zeitgleich entwickelten mechanisch angetriebenen Dynamomaschinen zur Stromerzeugung nicht durchsetzen. Ihre Anwendung blieb auf Spezialgebiete beschränkt, so hat sie sich als Energiequelle in der Raumfahrt bewährt. In letzter Zeit wird wieder intensiv an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet.

7. Verbrennungsmotor

Auszug

Das Prinzip des Wasserstoffverbrennungsmotors beruht auf einem konventionellen Verbrennungsmotor (zumeist nach dem Ottoprinzip, was aus den nachfolgenden Ausführungen auch erklärlich wird), welcher durch Änderungen am Gemischbildungssystem, Brennverfahren etc. für ausschließlichen oder bivalenten Betrieb mit Wasserstoff adaptiert und mit Wasserstoff oder wasserstoffreichen Gasen als Kraftstoff betrieben werden kann. Neben den erforderlichen Änderungen des Gemischbildungssystems ist natürlich sicher zu stellen, dass alle Materialien und Komponenten, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen, dafür geeignet sind.

8. Anwendung

Auszug

Etwa die Hälfte des industriell genutzten Wasserstoffs wird im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak verwendet, der als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Stickstoffdünger dient. Ein weiteres Viertel des Wasserstoffs wird in Raffinerieprozessen zur Verarbeitung von Erdöl eingesetzt, insbesondere zur Entschwefelung (Hydrofining) und zum Hydrocracking. Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) bilden auch die Ausgangsstoffe für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Gas, Biomasse oder Kohle nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren sowie für die Erzeugung von Methanol.

9. Normen, Recht und Sicherheit

Auszug

Der gefahrlose Umgang mit Wasserstoff setzt die Kenntnis seiner Eigenschaften und die Beachtung zweckmäßiger Sicherheitsmaßnahmen voraus. Diese Maßnahmen sind in verschiedenen Regelwerken zusammengestellt

Backmatter

Titel: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik
verfasst von: Helmut Eichlseder
Manfred Klell
Verlag: Vieweg+Teubner
Electronic ISBN: 978-3-8348-9503-5
Print ISBN: 978-3-8348-0478-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-9503-5

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Energie und Umwelt

2. Geschichtliches

3. Eigenschaften

4. Erzeugung

5. Speicherung und Transport

6. Brennstoffzelle

7. Verbrennungsmotor

8. Anwendung

9. Normen, Recht und Sicherheit

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