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Technikwissen

 

Wasserstoff - Energieträger der Zukunft

Wasserstoff ist seit langem ein wichtiger, universell einsetzbarer Grundstoff für die Synthese chemischer Verbindungen und bei Reduktions-reaktionen in der Metallurgie. Weiterhin wird Wasserstoff bei der Verarbeitung von Rohöl zu Kraft- und Brennstoffen und hochwertigen Chemieprodukten eingesetzt. Außerdem besitzt Wasserstoff die Eigenschaft Energie effizient zu speichern und kann bedarfsgerecht zur Energiegewinnung zur Verfügung gestellt werden. Er lässt sich vorteilsweise in Pipelines und/oder in Tankwagen vorhalten beziehungsweise einfach und schnell transportieren. Wasserstoff ist mit Abstand der Energieträger mit der höchsten Energiedichte. Je höher der Druck in einem Speicher, desto mehr Energie in Form von Wasserstoff kann in ihm gespeichert werden.
 
Vergleich der Energieträger:

 Energieträger  volumetrische Energiedichte  gravimetrische Energiedichte
 Wasserstoff  3 kWh/Nm³  33,3 kWh/kg
 Erdgas  8,8-10,4 kWh/m³  10,6-13,1 kWh/kg
 Methan  9,97 kWh/m³  13,9 kWh/kg
 Benzin  8.800 KWh/Nm³  ~12 kWh/kg
 Diesel  10.000 kWh/Nm³  11,9 kWh/kg
 Methanol  4.440 kWh/Nm³  5,47 kWh/kg
 

Prinzip Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein effizienter Energiewandler mit sehr hohem Wirkungsgrad. Anders als in Kraft-Wärme-Maschinen, wie z.B. Verbrennungs-motoren, wird in einer Brennstoffzelle chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Der Umweg über Wärme und Bewegung entfällt. Entdeckt wurde dieses Prinzip von Christian Friedrich Schönbein im Jahr 1838. Seit dieser Zeit, besonders seit den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts, wurden viele verschiedene Formen dieses Energiewandlers entwickelt. Die Funktion einer solchen Zelle kann anhand folgender Abbildung erläutert werden:

  Die Kernkomponenten einer Bennstoffzelle sind zwei Elektroden (Anode und Kathode) und eine Polymermembran, die sich zwischen diesen Elektroden befindet. An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, dieser wird katalytisch in Protonen und Elektronen zerlegt. Die Elektronen werden von der Anode über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleitet und können als elektrischer Strom, z.B. zum Laden einer Batterie, nutzbar gemacht werden. Die Protonen gelangen durch die Polymermembran zur Kathode. Dort wird (Luft-)Sauerstoff zugeführt, dieser verbindet sich mit
Elektronen und Protonen zu Wasser.
 

Elektromobilität und Brennstoffzelle

Batterie und Brennstoffzelle können in bestimmten Anwendungen durchaus konkurrierende Eigenschaften aufweisen. Durch die Nutzung rein elektrischer Anwendungen kann oftmals auf ein bereits etabliertes Strom-Netzwerk zurückgegriffen werden. Die Batterie als direkter Stromlieferant kann, im Vergleich zum Energiewandler Brennstoffzelle, eine Systemvereinfachung bedeuten.
Die vergleichsweise höhere gravimetrische und volumetrische Energiedichte einer Brennstoffzelle (einschließlich Treibstoffspeicher) macht sie besonders für ultrakompakte oder ausdauernde Anwendungen attraktiv. Doch hier macht sich auch ein Nachteil der Brennstoffzelle bemerkbar: im Gegensatz zur „flexibleren“ Batterie, arbeitet die Brennstoffzelle idealerweise mit einer kontinuierlichen Leistungsabgabe - viele Anwendungen, vom Automobil bis zum Mobiltelefon, haben jedoch stark schwankende Leistungsabforderungen. Die Lösung liegt in einem Hybridsystem aus Batterie und Brennstoffzelle: Zur Abdeckung kurzzeitiger Lastspitzen werden Akkumulatoren eingesetzt, die Brennstoffzelle übernimmt meist die Funktion der Grundlastabdeckung. Diese Hybridkonzepte nutzen die jeweiligen Vorteile der Brennstoffzelle (kontinuierliche Abgabe der Nennleistung) und des Akkumulators (diskontinuierliche Abgabe der Spitzenleistung ohne schädigende Tiefentladung) optimal aus. Diese symbiotische Systemkonstruktion ermöglicht sowohl eine deutlich kompaktere Brennstoffzelle als auch Batterie.

 

Speichertechnologien für Wasserstoff

Wasserstoff zeichnet sich vor allem aufgrund seiner hohen Energiedichte als idealer Energieträger für kompakte Brennstoffzellen-Systeme im mobilen Anwendungen aus. Hierbei können verschiedene Speichermedien eingesetzt werden, deren Auswahl sich je nach den spezifischen Vorteilen innerhalb eines bestimmen Nutzungsszenarios entscheidet. Druckgas- und Metallhydridspeicher gehören zu den verbreitesten und zukunftsfähigsten Speicherformen.

Die Entwicklung von Compositbehältern (Alu-Liner mit Kohlefaser umwickelt) als moderne Druckgasspeicher macht die Speicherung von Wasserstoff bei hohen Drücken (bis 700 bar) möglich. Insbesondere für Anwendungen im Leistungsbereich von mehreren kW kann diese Speichertechnologie ausreichend Wasserstoff vorhalten. Komplette Systemlösungen (Speicher inklusive aller Sicherheitstechnik) sind erprobt und durch entsprechende Stellen zertifiziert erhältlich.
Metallhydridspeicher sind aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften als sehr sicher einzuschätzen. Der Wasserstoff wird in den Zwischengitterplätzen von Metalllegierungen eingelagert. Es entsteht ein Stoff, der als Metallhydrid bezeichnet wird. Wird die Ummantelung des Metallhydrides beschädigt und Wasserstoff tritt aus, kühlt sich die Legierung soweit ab, bis kein Wasserstoff mehr entweicht.

 

Tankstellen zur Wasserstoff-Distribution

Die Realisierung einer notwendigen und den Nutzungsszenarien adäquaten Wasserstoff-Infrastruktur ist mit vielfältigen Konzepte umsetzbar: der Aufbau von zentralen stationären Wasserstoff-Tankstellen, der Einsatz von mobilen Tankstationen (Lkw-Trailer) sowie die Bereitstellung von Wechselautomaten für H2-Kartuschen sind denkbar. Alle Varianten können sowohl Anwendungen im maritimen als auch im terrestrischen Bereich bedienen. Die geeignete Distributionsart richtet sich u.a. nach verschiedensten Kriterien: benötigte Wasserstoff-Quantität, Erreichbarkeit der Distributionsquellen, Investitionskosten, Bedienbarkeit durch Endkunden etc.

 

Hier finden Sie weitere Informationen

http://www.fuelcelltoday.com – The leading authority on fuel cells
http://www.h2fc-fair.com – Group Exhibit “Hydrogen + Fuel Cells” at Hannover Fair, Germany
http://www.h2messe.de – Branchenportal für Brennstoffzellen und Wasserstofftechnologie
http://www.h2gate.com - The forum for the hydrogen and fuel cell technologies and renewable energies

 
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