Lade Inhalt...

Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe

Examensarbeit 1998 88 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik

Leseprobe

Inhalt

1 Aufgabenstellung

2 Kurzfassung

3 Geschichte

4 Aktueller Stand
4.1 Energieverbrauch
4.2 Schadstoffe
4.3 Die Entwicklung
4.4 Alternative - fossile Energien

5 Wasserstoff
5.1 Eigenschaften
5.2 Herstellung

6 Antriebe
6.1 Der Wasserstoff-Motor
6.1.1 Motorentechnik
6.1.2 Gemischbildung
6.1.3 Beispielmotoren
6.1.4 Kosten
6.1.5 Emissionen
6.2 Brennstoffzelle
6.2.1 Funktionsweise
6.2.2 Angewandte Technik
6.2.3 PEM
6.2.4 Reformer
6.2.5 Kosten

7 Speicherung
7.1 Tanks
7.2 Betankung

8 Vergleiche
8.1 allgemein
8.2 Antriebe
8.3 Energiebilanz
8.4 Energieumwandlungskette
8.5 Energiedichte
8.6 Emissionen

9 Ausblick
9.1 Die weitere Entwicklung
9.2 Amerika
9.3 Wasserstoff-Haus

10 Ergebnisse

11 Literaturverzeichnis

12 Abkürzungen

1. Aufgabenstellung

Im wesentlichen auf der Basis einer Literaturstudie ist der Stand der Technik herauszuarbeiten, wie Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden kann. Dabei werden vermutlich der Einsatz im Verbrennungsmotor, in der Gasturbine und schließlich in der Brennstoffzelle jeweils einen Schwerpunkt bilden.

Die einzelnen Prinzipien sind zu analysieren und möglichst vergleichend zu bewerten.

Es sollte auch auf die Möglichkeiten zur Wasserstoffgewinnung und zur Wasserstoffspeicherung im Fahrzeug (Tankproblem) eingegangen werden. Bezüglich der Abgasqualität und der Wirkungsgrade (Kraftstoffverbrauch) sollte möglichst ein Vergleich mit den konventionellen Fahrzeugantrieben (Otto- und Dieselmotor) angestellt werden.

2. Kurzfassung

Im Rahmen der Diskussion um neue Energieformen, Energiesteuer und alternative Antriebskonzepte stellt sich die Frage, inwieweit neue Verfahren zur Energieerzeugung bereits vorhanden sind und, wenn ja, ob diese in Konkurrenz mit herkömmlichen Antriebsarten treten könnten.

Heute gängige Kraftstoffe auf Erdölbasis (Benzin bzw. Diesel) dezimieren die natürlichen Ressourcen und erzeugen darüber hinaus Schadstoffe, die nachteilig für Mensch und Natur sind. Energiespeicher für Fahrzeugantriebe werden jedoch bis auf weiteres notwendig sein, um den Personen- und Gütertransport zu Land, zu Wasser und in der Luft zu ermöglichen. Es wird zur Zeit an der weiteren Optimierung der herkömmlichen Antriebsarten gearbeitet. Bei der Verbesserung der angewandten Techniken und damit dem Heraufsetzen der Wirkungsgrade gibt es jedoch Grenzen. Nach Expertenmeinung könnte der Benzinverbrauch der Neuwagenflotten in den nächsten zehn Jahren um 30% reduziert werden. Der Schadstoffausstoß wird damit zwar verringert, aber nicht völlig eingestellt werden, und die natürlichen Ressourcen werden weiter reduziert. Es bleibt folglich die Notwendigkeit, nach anderen praktikablen Möglichkeiten und neuen Techniken in diesem Bereich zu suchen.

Auf den ersten Blick erscheint Wasserstoff (H2) ein geeigneter Energiespeicher, der den Weg in eine schadstoffreie Zukunft weisen könnte. Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der Verbrennung wird relativ viel Energie frei, und es entstehen keine Schadstoffe.

Erste Versuche waren erfolgreich, und Wasserstoff scheint durchaus für den mobilen Fahrzeugantrieb geeignet zu sein. Auf den zweiten Blick gibt es jedoch auch Probleme. Wasserstoff ist mit Sauerstoff hochexplosiv, die Erzeugung von H2 ist aufwendig, und die Speicherung sowie die Betankung sind problematisch. Dann, auf den dritten Blick, zeigt sich, daß die Schwierigkeiten zu bewältigen sind und in den letzten Jahren weitgreifende Fortschritte gemacht wurden.

Mittlerweile ist die Technik auf einem Entwicklungsstand, auf der es Prototypen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in der dritten oder vierten Generation gibt. Vielerorts laufen Projekte, in denen unterschiedliche Modelle ihre Tauglichkeit im Alltag unter Beweis stellen sollen. Die Anzahl der Veröffentlichungen und Studien zu diesem Thema nimmt stetig zu.

Vor zehn Jahren wurde damit angefangen, Wasserstoff als Energieträger ernstzunehmen. Einige der Ideen von damals sind gescheitert, andere sind in Ansätzen verwirklicht worden. Die Speicherung von H2 in Metallhydriden oder die Bindung an Toluol gehören zu den nicht so aussichtsreichen Varianten. Chancenreicher ist die Nutzung von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren sowie die "kalte Verbrennung" von H2 in Brennstoffzellen. In Bezug auf die Aufgabenstellung muß an dieser Stelle erwähnt werden, daß in dieser Arbeit nicht auf die Gasturbine eingegangen wird, da zur Zeit kaum nennenswerte Anwendungsmöglichkeiten existieren.

Beim Vergleich der neuen Antriebsverfahren mit konventionellen Verbrennungskraftmaschinen erscheint die Wasserstofftechnik nicht konkurrenzfähig, da einzelne Komponenten zu teuer sind und die Herstellung von H2 nicht auf ökologische Weise möglich ist. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab, so zeigt sich, daß bis zum Jahre 2004 die Serienreife von Pkw und Bussen mit Wasserstoffmotor oder Brennstoffzellenantrieb möglich ist. Die Kosten für diese Modelle wären vergleichbar mit heutigen Fahrzeugen.

Unter Berücksichtigung der gesamten notwendigen Infrastruktur scheint eine Umstellung der Energiewirtschaft in den nächsten 30 bis 50 Jahren möglich zu sein.

3. Geschichte

- 1780: Grundstein der Wasserstoff-Technologie: Luigi Galvani stellt zum ersten Mal die Theorie der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie auf.
- 1783: Entdeckung der voltaischen Zelle: Alessandro Volta: Zwischen zwei trockenen und einem nassen Konduktor wird Strom erzeugt.
- 5. Juni 1783: Die Brüder Montgolfier starten den ersten Ballon mit Heißluft. Der französische Naturforscher Alecandre Cesar Charles erfährt davon und läßt am
- 28. August 1783 einen Ballon mit Wasserstoff steigen, nichtwissend, daß die Montgolfiers Heißluft verwendet haben. Charles erzeugt Wasserstoff, indem er durch Übergießen von Eisenfeilspänen mit Schwefelsäure im Faß unter dem Ballon 25m3 Wasserstoff gewinnt.
- 1787: Lavoisier/Frankreich „tauft“ den Wasserstoff als „hydrogène“ (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner.
- Um 1800 gelingt dem deutschen Chemiker Johann Wilhelm Ritter als einem der ersten die Elektrolyse von Wasser in einem U-Rohr.
- 1839: Entdecker Sir William Grove (1811-1896, walisischer Richter) experimentiert mit der Elektrolyse von Wasser und entdeckt, daß der Prozeß umkehrbar ist. Mit Hilfe von Elektrizität wird Wasser bei der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Andersherum kann man in einer Brennstoffzelle Elektrizität erzeugen, indem Wasserstoff und Sauerstoff verbunden werden.
- Der französische Physiker Becquerel entdeckt, daß aus Licht elektrische Energie erzeugt werden kann.
- 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 und zweifelsohne zersetzt durch Elektrizität. Ich glaube, daß eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen sich Wasser zusammensetzt, allein oder zusammen verwendet, eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden, stärker als Steinkohle. Eines Tages werden die Kohlebunker der Dampfschiffe und die Tender der Lokomotiven anstelle von Kohle mit diesen beiden komprimierten Gasen gefüllt sein“
- 1879: Der Franzose Augustin Muchot, Begründer der Solartechnik, versucht sich an der Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mit Strom, den er mit großen Brennspiegeln aus Sonnenenergie zu erzeugen hofft. Und dann „kann dieser Strom Wasser spalten.“ („Die Sonnenwärme und ihre industrielle Anwendung“, A. Muchot, auf deutsch 1987 erschienen im Olynthus-Verlag).
- 1880: C. Westphal macht den Anspruch geltend, daß Brennstoff-Elemente einen höheren Wirkungsgrad als Wärmekraftwerke haben.
- 1898: erste Verflüssigung von Wasserstoff vom britischen Chemiker und Physiker James Dewar
- 6. Mai 1937: Der Zeppelin Hindenburg verunglückt in Lakehurst/New Jersey/USA. 200.000 m3 Wasserstoff verbrennen. Die speziellen Verbrennungseigenschaften von Wasserstoff ermöglichen es, daß 62 der 97 Passagiere gerettet werden können. Nicht der Wasserstoff hat sich entzündet, sondern die Umhüllung des Zeppelins durch elektrostatische Aufladung.
- In den 50ern beginnt die Arbeit an alkalischen Brennstoffzellen von Varta und Siemens.
- 1959 erster erfolgreicher Test mit einer „Pratt and Whitney RL 10“ (Sauerstoff / Wasserstoff-Flugzeugmotor)
- 1959 Versuch in einem Traktor der Firma Allis Chalmers
- 1963 Jungfernflug in der Raumfahrt von einer „Atlas-Centaur“-Rakete
- In den 60er Jahren gewinnt Wasserstoff, eingesetzt in alkalischen Brennstoffzellen an Wichtigkeit für die Raumfahrt mit dem Beginn der Gimini- (1963 - NASA) und Apollo-Missionen (ab 1968 bei den Mondflügen).
- 1965: Antrieb des Siemens-Bootes „eta“ mit Wasserstoff
- Ebenfalls in den 60ern kommt Photovoltaik (Voltaik = Spannung; Photo = Licht) zu ihrem ersten wirtschaftlichen Einsatz als Stromerzeuger für Satelliten und Raumfahrzeuge.
- In den 70ern arbeiten Wissenschaftler aus Europa, der Sowjetunion, China und Japan an wasserstoffbetriebenen Maschinen und benutzen diese für neuentwickelte Raketen.
- Gleichzeitig arbeiten die USA an einem wiederbefüllbaren wasserstoffbetriebenen Space-Shuttle.
- In Europa wird der dreistufige HM7-Raketenmotor entwickelt und 1979 erfolgreich in die Europa-Rakete Ariane eingebaut. Mittlerweile 80 Starts. Die Ariane 5 benutzt nur noch 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.
- 1983: Bau eines 11 MW-Kraftwerks in Tokio
- 1985: Siemens entwickelt eine AFC für den Elektromotor eines VW-Busses des Kernforschungszentrums Karlsruhe mit 17,5 kW.
- 1989: 100 kW-Anlage von Siemens für das U-Boot U1 der Bundesmarine
- 1989: Deutsch-russisches Entwicklungsprogramm mit einem wasserstoffbetriebenen Flugzeug (Airbus 310)
- Seit 1991 Arbeiten am Demonstrationskraftwerk Neunburg vorm Wald
- Die Ruhrgas AG Essen testet ein 200 kW-Brennstoffzellen-Aggregat (auf Erdgasbasis) auf ihrem Betriebsgelände in Dorsten als Strom- und Wärmelieferant für die Bochumer Stadtwerke.
- Seit 1995 arbeiten Wissenschaftler an einer kostenaufwendigen Variante, der DO 328. Kanada und Norwegen stehen als potentielle Abnehmer bereit.
- Oktober 1997: Ausrüstung des weltweit ersten Gabelstaplers mit PEM-Brennstoffzellenantrieb (Nettoleistung von 10 kW) von Siemens (KWU)

4 Aktueller Stand

Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf, wird deutlich, daß an der Wasserstofftechnik schon seit über 200 Jahren geforscht wird. Die Entdeckung der Brennstoffzelle ist mittlerweile 150 Jahre her. Die Frage ist, ob diese Technik geeignet ist, heutige Probleme zu lösen und damit eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft bieten kann.

Die Entwicklung der Energieversorgung in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten zeigt, daß die Energiegewinnung aus Erdöl, Erdgas oder anderen endlichen Primärenergieträgern erst eine relativ kurze Zeitspanne einnimmt. Das Ende dieser Zeitspanne ist bereits diverse Male vorhergesagt worden. Es werden jedoch immer wieder neue Quellen entdeckt, bis auch diese letztendlich einmal ausgeschöpft sein werden. Die Rohölpreise werden bei einer weiteren Reduzierung der Reserven steigen, ebenso die Kraftstoffpreise, und Autofahren könnte zu einem teuren Hobby werden.

Dann muß bereits eine Alternative vorliegen. Es wird nicht reichen, sich erst bei einer Rohölverknappung Gedanken über einen adäquaten Ersatz zu machen. Dann wird es zu spät sein. Schon jetzt muß geforscht und getestet werden, was ökologisch und ökonomisch die beste Alternative ist.

4.1 Energieverbrauch

Die entscheidende Frage in der weiteren Entwicklung wird sein, wie die Menschheit in späteren Jahren und Jahrzehnten ihren Energiebedarf decken kann. 1993 lag der weltweite Verbrauch bei 11 Mrd. t Steinkohleeinheiten (SKE) an Primärenergie. Davon wurden bis zu 90% von den fossilen Energieträgern Öl, Kohle, Gas gedeckt.

Bedarf:

Dieser Energiebedarf unterscheidet sich von Land zu Land. Momentan sieht es noch so aus, daß es einen enormen Unterschied zwischen den Industrieländern und sogenannten Entwicklungsländern gibt (s. Abb. 1).

Abb. 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie, 1993

Zum einen verbraucht die westliche Welt mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, zum anderen stellt sie jedoch lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung. Mit der voranschreitenden Industrialisierung der dritten Welt wird deren Energiebedarf drastisch steigen, so daß insgesamt eine weitere Zunahme der Verbrauchszahlen zu erwarten ist.

Der Energiebedarf selbst unterscheidet sich ebenfalls je nach Lage und Industrialisierungsgrad. Allgemein gilt, daß es folgende energieverbrauchende Sektoren gibt, die 1993 den in Prozenten angegebenen Anteil am Endenergieverbrauch hatten:

Industrie: 24,9%

Haushalte: 30,5%

Verkehr: 27,0%

Gewerbe, Handel, Dienstleistungen: 17,3%

militärische Dienststellen: 0,3%

Wählt man den für den Normalbürger interessantesten Bereich heraus, die privaten Haushalte, zeigt sich dort folgende Aufteilung (s. Abb. 2):

Abb. 2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (1993)

Rund ein Drittel der Endenergie in Deutschland wird in den privaten Haushalten verbraucht. Wiederum ein Drittel davon wird im Schnitt für die individuelle Fortbewegung eingesetzt in Form von Benzin oder Diesel für Autos. Bezieht man den Transport per Lastwagen, Eisenbahn, Flugzeug und Schiff noch mit ein, wird deutlich, daß der Sektor Transport und Verkehr ein zentraler Aspekt ist in Hinsicht des Energieverbrauchs. Greenpeace nennt Zahlen, denen zufolge der Verkehr mittlerweile für 60% des Endverbrauchs an Ölprodukten verantwortlich ist, Tendenz steigend. [Worm, 1995]

Dazu gilt, es eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen, wie z.B.:

- den Anstieg der Bevölkerungszahlen,
- die weltweite Zunahme der Fahrzeugzahlen,
- die steigende Umweltbelastung durch den Verkehr,
- die zunehmenden Entfernungen im Transportwesen,
- usw.
Verbrauch:

Es stellt sich die Frage, wie diese Energie zur Zeit erzeugt wird bzw. in Zukunft erzeugt werden soll. In der Vergangenheit zeigte sich folgendes Bild:

Abb. 3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiepolitik, Bonn, März 1992

Im Vergleich zeigt Abbildung 4 die Zahlen von 1997.

Abb. 4

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6

Es gab eine Steigerung in der Kernenergie um 3% und beim Mineralöl sowie beim Naturgas um 5%. Abgenommen hat der Kohleanteil am Primärenergieverbrauch: bei Steinkohle um 2% und bei Braunkohle um 10%. Die Zahlen bei Wasser- und Windkraft sowie bei "sonstigem" sind relativ unpräzise. Es läßt sich jedoch sagen, daß die regenerativen Energien von 1990 bis 1997 von 1,4% auf 2,0% zugenommen haben.

Der Mineralölabsatz in Deutschland verzeichnet insgesamt einen Anstieg (s. Tab. 1). Der Primärenergieverbrauch lag bei knapp 500 Mio. t SKE, was 39,5% Anteil am Gesamtverbrauch entspricht. Die absoluten Zahlen sind demnach in den letzten Jahren (seit 1994) gestiegen, wenn auch der prozentuale Anteil von Mineralöl leicht abgenommen hat. Dies geht jedoch hauptsächlich auf den witterungsbedingten Heizölanstieg zurück. In Zukunft (bis zum Jahr 2020) steht in Deutschland im Kraftstoffsektor ein Rückgang des Mineralölanteils bevor. Der Pkw-Bestand steigt zwar weiter, aber die gesamte Fahrleistung ist rückläufig. Ausschlaggebend für die Abnahme ist der geringere Verbrauch der sparsameren Neufahrzeuge. [Deutsche Shell AG, 1996]

Tab. 1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Fakten und Argumente, Deutsche Shell AG, Hamburg, Nov. 1997

Über die Jahre gesehen, hat sich der Ölverbrauch seit 1960 in den USA verdoppelt und in Europa vervierfacht und im pazifischen Raum versechsfacht. Nach heutigen Berechnungen reichen das Erdöl und das Erdgas noch für 100 Jahre. Selbst wenn noch weitere neue Ölquellen gefunden werden sollten, stellt sich die Frage, ob es zu verantworten ist, diesen Rohstoff bei einem relativ geringen Wirkungsgrad in Verbrennungskraftmaschinen zu verbrauchen.

Das Forschungszentrum Jülich hat eine Abschätzung vorgelegt, die den Nutzungsgrad von Primärenergie darstellt (s. Tab. 2). Es wird deutlich, wo überall Verluste auftreten und wie hoch ungefähr der Anteil an Primärenergie ist, der bis zum Verbraucher gelangt. Diese Kette ließe sich noch weiterführen, da selbst die Endenergie nicht zu 100% genutzt werden kann, da kein Gerät oder Aggregat einen Wirkungsgrad von 100% aufweisen. [FZJ, 1998]

Tab. 2: Energieverluste 1997

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Forschungszentrum Jülich, Forschen, Nr. 1/98, April 1998

4.2 Schadstoffe

Der gesamte Verkehrsbereich benötigt nach unterschiedlichen Angaben 50-60% der Welt-Erdölproduktion. Verkehrsexperten schätzen, daß die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von 800 Mio. (1997) auf rund 1,6 Mrd. im Jahr 2030 [Daimler Benz, 1996] bzw. auf 2,0 Mrd. [Greenpeace, 1996] angewachsen sein wird. Die globale Autoflotte wächst derzeit prozentual doppelt so schnell wie die Weltbevölkerung. Das bedeutet z.B. für Bangkok, daß dort der Autofahrer inzwischen durchschnittlich 44 Tage pro Jahr im Stau verbringt.

Die Debatte über den Kraftstoffverbrauch beinhaltet auch die Diskussion über die Schadstoffe, speziell aus dem Verkehrsbereich. In dem Maße, wie der Verbrauch zunimmt, steigt verständlicherweise der Schadstoffausstoß. Zentraler Punkt ist die Reduzierung des CO2-Anteils, da hier eine enge Verbindung mit dem Treibhauseffekt vorliegt.

Der Verkehr gibt über 60% aller auftretenden NOx-Emissionen, über 55% aller CO-Emissionen und etwa 20% aller CO2-Emissionen ab. Der überragende Anteil wird im Straßenverkehr - insbesondere von Pkw - freigesetzt. [Höhlein, 1995]

Betrachtet man den Ausstoß von Schadstoffen, unterteilt in die Bereiche, in denen sie erzeugt werden, wird die Bedeutung des Verkehrssektors deutlich (Abb. 5).

Abb. 5

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6

*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Militär-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr

Im Zuge der Diskussion über den Treibhauseffekt gibt es eine Aufteilung verschiedener Gase, inwieweit sie hierfür als relevant bezeichnet werden können. Kohlendioxid ist mit 50% hauptverantwortlich (s. Abb. 6). [BMW, 1993]

Abb. 6

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: BMW, Aktuelles Lexikon: Treibhauseffekt, 1993

Wenn die durch den Treibhauseffekt hervorgerufenen Ozon-Spitzenwerte merklich gesenkt werden sollen, müßten bei steigendem Kraftfahrzeugbestand und zunehmendem Individualverkehr deutliche Senkungen der Emissionen um mehr als 50% erfolgen. Tests in den USA haben gezeigt, daß die Vorläufersubstanzen um ca. 50% gesenkt werden müssen, wenn eine Verringerung der Ozon-Spitzenwerte um etwa 20-30% erzielt werden soll.

Für die Pkw-Fahrzeugtechnik bedeutet das:

kurz- und mittelfristig die Einführung neuer Energieträger wie Erdgas, Methanol und Wasserstoff für Verbrennungsmotoren,

mittel- bis langfristig (5 bis 10 Jahre) die Entwicklung von Antrieben mit Brennstoffzellen als Energiewandler auf der Basis von aus Erdgas hergestelltem Methanol oder auf der Basis von Wasserstoff.

4.3 Die Entwicklung

Bei der Analyse der Verbrauchs- und Schadstoffdaten kommt man nicht umhin zu fragen, wie die weitere Entwicklung aussehen wird. Dazu hier ein kurzer Ausblick:

Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen. Wissenschaftler erwarten, daß er von 1995 bis 2015 um über 50% zunehmen wird.

Der Verbrauch von Primärenergieträger lag vor fünf Jahren noch bei insgesamt 11 Mrd. t SKE weltweit. Der Anteil regenerativer Energieträger nahm damals wie heute nur einen kleinen Teil ein. Wenn keine radikale Trendwende eintritt, wird der Anteil auch im Jahr 2010 nur unwesentlich angestiegen sein (s. Abb. 7).

Abb. 7

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung

Abb. 8

Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung

Nach einem VDI-Bericht besteht zumindest für Deutschland die Aussicht auf eine andere Entwicklung. Demnach könnten durch eine zielstrebige Energiepolitik im Jahr 2030 etwa 20-25% des deutschen Energieverbrauchs durch erneuerbare Energiequellen gedeckt werden. [Nitsch, Dienhart, 1997]

Daß dies generell machbar ist, zeigt die Schweiz, in der bereits 40% des Elektrizitätsbedarfs über Wasserkraft gedeckt werden.

4.4 Alternative - fossile Energien

In Abbildung 8 ist zu sehen, daß in der Prognose für das Jahr 2010 bei der Aufteilung des regenerativen Energieanteils die Sonne als Energielieferant aufgeführt ist. Zwar nicht mit besonders hohem Prozentsatz, aber sie wird eingeplant. Tatsächlich ist die Sonne die größte und ergiebigste Energiequelle, die es gibt. Selbst in der Entfernung, in der die Erde um die Sonne kreist, liefert sie enorme Energiemengen.

Als Beispiel:

Die Sonne strahlt in rund einer halben Stunde die Energiemenge zur Erde, die weltweit jährlich an Primärenergie verbraucht wird.

Oder anders formuliert:

Die Sonne spendet unserem Globus Tag für Tag die zehntausendfache Menge des Energiebedarfs der gesamten Erdbevölkerung.

So ließe sich z.B. mit Solarkraftwerken auf einer Fläche von 3% der Sahara der Energiebedarf Europas und Afrikas decken.

„Solare Wasserstoffwirtschaft“

Die ersten Konzepte von einer „solaren Wasserstoffwirtschaft“ wurden bereits in den fünfziger Jahren entwickelt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich die Idee, daß die Sonnenenergie nicht genutzt wird, um über Photovoltaik Strom oder um in Wärmetauschern warmes Wasser zu erzeugen. Die Idee ist vielmehr, die Sonnenenergie zur Wasserstoffspaltung zu gebrauchen.

Da Wasserstoff als Element separat nicht in der Natur vorkommt, sondern nur durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, stellt sich die Frage, wie dies bewerkstelligt werden kann.

Gelänge es, Sonnenenergie zu konzentrieren, damit eine genügend große Energiemenge zusammenkommt, die notwendig ist, um Wasser zu spalten, wäre dies ein durchweg ökologisches Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Der Wasserstoff könnte transportiert werden und an anderer Stelle unter Energiefreisetzung wieder verbrannt werden. Bei der Oxidation entstünde (fast) nur Wasser, so daß keine Umweltprobleme aufträten.

Das Interessante an dieser Idee ist, daß die Sonne unbegrenzt vorhanden ist und Wasser lediglich verwendet, aber nicht verbraucht wird. Damals war dies eine revolutionäre Idee, mittlerweile erscheint dies durchaus umsetzbar.

In diesem Sinne ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, der unter Verwendung von Energie erst erzeugt werden muß.

Die Vorteile von Wasserstoff als Energieträger sind im groben folgende:

Wasserstoff ist:

speicherbar (auch großtechnisch),

transportierbar,

umweltneutral,

vielseitig anwendbar,

theoretisch unbegrenzt verfügbar.

Zur Herstellung von Wasserstoff ist relativ viel Energie notwendig, da dieses Element eine hohe Bindungsenergie besitzt, der Sauerstoff also nur sehr schwer abtrennbar ist. Würde man dafür Energie heranziehen, die aus Primärenergieträgern erzeugt worden wäre, hätte dieses Konzept keinerlei ökologischen Anspruch. Es wäre ökologisch betrachtet unsinnig, Kohle zur Energiegewinnung unter Schadstoffausstoß zu verbrennen, um mit der daraus gewonnenen Energie Wasser aufspalten zu können, damit dann Wasserstoff als „schadstofffreier Energieträger“ genutzt werden kann. Vielmehr müßte bereits bei der Erzeugung von Wasserstoff ein alternatives Konzept verfolgt werden. Eine Möglichkeit wäre die solare Wasserstoffwirtschaft.

Eine Speicherung ist notwendig, weil Wasserstoff nicht immer an Ort und Stelle erzeugt werden kann, wo er gebraucht wird. Eine Möglichkeiten wäre z.B. ein mobiler Reformer zur Umwandlung von Methanol.

Eine Speicherung ist außerdem notwendig, da in Mitteleuropa das Energieangebot der Sonne nur schlecht mit dem Energiebedarf übereinstimmt. Im Sommer, wenn weniger Energie benötigt wird, scheint die Sonne stark; im Winter, wenn deutlich mehr Energie verbraucht wird, scheint sie nur sehr begrenzt. Außerdem gibt es starke tageszeitliche und wetterbedingte Schwankungen der Sonneneinstrahlung. Ähnliches gilt für die Windenergie oder andere alternative Konzepte.

Es wird darauf hinauslaufen, daß der Wasserstoff dort erzeugt wird, wo unter guten ökologischen Bedingungen ausreichend Energie bereitgestellt werden kann. Von dort muß er (flüssig oder gasförmig) in die Regionen transportiert werden, wo er benötigt wird. Dann kann er mobil oder stationär genutzt werden, indem die Energie wieder freigesetzt wird, die in ihn hineingesteckt wurde. In diesem Sinne dient er lediglich als Speicher für diese chemisch gebundene Energie.

Diese Speicherung geschieht naturgemäß nicht in einem Verhältnis 1:1. Es treten wie bei jedem physikalischen oder chemischen Prozeß auch in dieser Umwandlungskette Verluste auf. Ziel der Forschung und Entwicklung ist es nun, hier einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.

Tab. 3: Übersicht über Effizienz- und Kostenverhältnisse zwischen solarem Strom

(Erzeugung = 1,0) und solarem Wasserstoff für fortgeschrittene Technologien.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Nitsch, J., Dienhart, H., u.a., VDI-Bericht (1997), 1321, „Fortschrittliche Energiewandlung und Anwendung“, VDI-Verlag, Stuttgart, S. 767-782

Nach Tabelle 3 enthält gasförmiger Wasserstoff in Mitteleuropa noch 65% der Energie des solaren Stroms und kostet einschließlich Transport nahezu das Doppelte des erzeugten Solarstroms. Bei flüssigem Wasserstoff stehen dem Nutzer noch etwa 50% der ursprünglichen Energie des Solarstroms zu über vierfachen Kosten zur Verfügung. [Nitsch, Dienhart, 1997]

Es bieten sich noch eine Unmenge weiterer Varianten an. In Frage käme u.a. die Nutzung von Windenergie. In Skandinavien und Nordamerika gibt es bereits riesige Windparks, wo viele Hunderte Windräder Energie erzeugen. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Projekte, daß Einfamilienhäuser mit einem Windrad sich selbst versorgen und von der Warmwasseraufbereitung bis hin zum Backofen alles mit Wasserstoff betrieben wird (s Kap. 9.3 „Wasserstoff-Haus“). Des weiteren gibt es bereits Projekte, die die Wasserkraft von riesigen Staudämmen nutzen. Auch die Verbrennung von Biogas oder Müll wären Möglichkeiten.

Selbstverständlich darf nicht verschwiegen werden, daß auch diese Varianten Spuren in der Natur hinterlassen. Es ist lediglich die Frage, wie signifikant diese Spuren bzw. deren Auswirkungen sind. Um darüber korrekte Abschätzung machen zu können, bedarf es einer ausgiebigen Recherche und Analyse aller dazugehörigen Faktoren, was sicherlich nicht einfach ist und niemals den Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann, da immer Vereinfachungen gemacht werden müssen.

5 Wasserstoff

5.1 Eigenschaften

Die Bezeichnung Wasserstoff existiert erst seit 1787; in diesem Jahr „taufte“ der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als „hydrogène“ (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend) = Wasser-Bildner. Das Element an sich gibt es schon länger und zwar seit der Entstehung der Erde bzw. des Weltalls. In der Natur kommt dieser Stoff so gut wie gar nicht vor, da sich zwei Atome hiervon immer ein Sauerstoffatom suchen, um damit zu Wasser zu reagieren. Wasserstoff selbst ist ein Molekül aus zwei Wasserstoffatomen (H2).

Physikalische Eigenschaften:

- ungiftig
- geruchlos
- geschmacksneutral
- unsichtbar
- flüchtig

Chemische Eigenschaften:

- flüssiger Wasserstoff = LH2 (liquid hydrogen) siedet bei TS = -252,77°C.
- Dichte bei 20,3K und 1013 mbar rLH2 = 70,79 g/l Þ Wasserstoff ist 15mal leichter als Luft.
- Gasdichte bei 20,3K und 1013 mbar: = 1,34 g/l
- Gasdichte bei 273,15K und 1013 mbar: = 0,089 g/l
- 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%
- Wasser enthält 11,2Gew% Wasserstoff.
- Gemische von 4 - 75Vol% Wasserstoff in Luft sind brennbar.
- bei 29% ist Tmax = 2318°C Verbrennungstemperatur
- bei 29% ist TmaxO2 > 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.
- 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.
- In Deutschland werden jährlich über 20 Milliarden m3 Wasserstoffgas für chemische Prozesse verarbeitet.

Tab. 4: Massen- und volumenbezogener Energieinhalt von Energieträgern

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

*: flüssiger Wasserstoff bei -273°C

[Carpetis, 1996]

Kommt Wasserstoff mit Luftsauerstoff in Kontakt und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, so „verbrennt“ er zu Wasser und gibt bis zu 90% der Energie wieder ab, die man vorher zur Spaltung des Wassers aufbringen mußte. Bei seiner Verbrennung entsteht, abgesehen von Wasser in Form von Wasserdampf, nur noch eine sehr kleine Menge Stickoxyd durch die Reaktion mit Luftstickstoff. Es entstehen keine Kohlenwasserstoffe, keine Schwefeloxyde, kein Kohlenmonoxid, nicht einmal Kohlendioxyd (CO2), welches bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht (auch in Katalysator-Autos) und im wesentlichen für den Treibhauseffekt verantwortlich ist.

Aus einem Tank austretender flüssiger Wasserstoff erwärmt sich, verdampft durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz zu Luft, steigt auf und verdünnt sich, so daß die untere Zündgrenze sehr rasch unterschritten wird. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie bei Benzin entsteht somit nicht.

Aus den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wasserstoffs läßt sich für den Fahrzeugbetreiber bei sorgfältiger Handhabung und entsprechenden fahrzeugseitigen Maßnahmen kein höheres Gefahrenpotential als bei der Speicherung herkömmlicher Energieträger ableiten.

[Regar, 1989]

5.2 Herstellung

Dem einen oder anderen wird noch ein Schulversuch aus dem Chemieunterricht in Erinnerung sein:

Versuch zum Nachweis der Elektrolyse von Johann W. Ritter, deutscher Chemiker um 1800:

Ein wassergefülltes U-Rohr aus Glas, in jedem Schenkel eine Platin-Elektrode als Stromzuführer, ist an eine 2-Volt-Gleichstrombatterie angeschlossen. Der Strommesser zeigt Null. Erst wenn ein paar Tropfen Säure oder Lauge ins Wasser geträufelt werden, fließt ein Strom - das Wasser ist zum Elektrolyt geworden, der Ionen leitet.

[...]

Details

Seiten
88
Jahr
1998
ISBN (eBook)
9783638101691
ISBN (Buch)
9783638933544
Dateigröße
1.4 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v223
Institution / Hochschule
Technische Universität Berlin – Inst. für Verbrennungskraftmaschinen
Note
1,3
Schlagworte
Wasserstoff Brennstoffzelle alternative Antriebe regenerative Energien

Autor

Zurück

Titel: Wasserstoff als Kraftstoff für Fahrzeugantriebe