Wasserstoff und Brennstoffzellen

Die Technik von morgen

Sven Geitmann

• Verlag: Hydrogeit Verlag
• Jahr: 2011
• ISBN:
  9783937863252
• Auflage: 2
• Thema: Technik & Maschinenbau
• Thema: Umweltmanagement

Es heißt, die Technologie mit Wasserstoff könne heutige Energie-Probleme lösen und Brennstoffzellen seien eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft. Was ist aber tatsächlich dran an derartigen Äußerungen? Das Buch Wasserstoff & Brennstoffzellen von Dipl.-Ing. Sven Geitmann soll dazu beitragen, Unklarheiten und Fragen zu beseitigen und Möglichkeiten aufzuzeigen, die Wasserstoff als der Kraftstoff der Zukunft bzw. die Brennstoffzelle bieten kann.Das Buch gibt einen umfassenden Überblick über die gesamte aktuelle Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik, wie sie sich aus europäischer Sicht darstellt. Neben der Beleuchtung der aktuellen Situation im Energie-Sektor werden die speziellen Eigenschaften des Energieträgers Wasserstoff, seine positive Umweltbilanz sowie die unterschiedlichen Herstellungsmethoden erläutert. Die Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellen-Typen wird ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor sowie diverse mögliche Anwendungsgebiete. im Online-Shop bestellenDarüber hinaus werden alle Fragen zur Speicherung, zur Betankung und zum Transport beantwortet. Zudem werden die Vor- und Nachteile von Wasserstoff bzw. Brennstoffzellen gegenüber den konventionellen Techniken aufgezeigt.

1 EINLEITUNG

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Er verfügt über einen hohen Heizwert und verbrennt mit Sauerstoff zu nichts anderem als Wasser. Er ist leicht und wird bereits seit über 70 Jahren als Industriegas verwendet. Genügen diese Eigenschaften, um Wasserstoff zum so genannten Kraftstoff der Zukunft zu machen, der eventuell die bisherigen Energiespeicher ablösen könnte?

Energiespeicher egal welcher Art sind heutzutage unbedingt notwendig, weil ohne Energie so gut wie gar nichts mehr geht auf diesem Planeten. Wissenschaftler und Techniker arbeiten zwar fortwährend an der weiteren Effizienzsteigerung der bisher gebräuchlichen Energiewandler, aber die Entwicklungsschritte werden immer kleiner. Trotz der fortschreitenden Technisierung und Computerisierung ist bei jeder Technik irgendwann ein Stadium erreicht, an dem es aus thermodynamischen oder mechanischen Gründen nicht mehr weitergeht.

Der Verbrennungsmotor basiert auf einer Technik, die mittlerweile so weit ausgereizt ist, dass kaum noch Wirkungsgrad-Verbesserungen möglich sind. Nach 120 Jahren Entwicklung mit Otto- und Diesel-Motoren ist die Frage berechtigt, ob es nicht andere Techniken gibt, die den heutigen Anforderungen besser genügen können.

Die Brennstoffzelle ist so eine Technik. Sie ist zwar keine wirklich neue Erfindung, aber manchmal lohnt es sich auch, alte Patente wieder zu reaktivieren. Die Brennstoffzelle basiert auf einem Prinzip, das bereits vor über 160 Jahren entdeckt, aber dann nicht mit sonderlich viel Vehemenz weiterentwickelt wurde. Dass nicht bereits früher auf diese Technik zurückgegriffen wurde, lässt sich durch die dominante Stellung des Verbrennungsmotors erklären, der bisher nie ernsthaft in Frage gestellt worden ist.

Im Zuge der Industrialisierung mit dem anschließenden Wechsel von der Kohle zum Öl war die Verbrennungskraftmaschine für über 100 Jahre ein durchaus geeignetes Medium. Die Brennstoffzelle bietet im direkten Vergleich jedoch eine wesentliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitig sauberem und leisem Betrieb. Dies hat sie bereits in den sechziger Jahren bei zahlreichen Einsätzen in der Raumfahrt bewiesen.

In den achtziger Jahren wurde zum ersten Mal ernsthaft in Erwägung gezogen, Wasserstoff als Energieträger zu verwenden. Entscheidend war damals in Zeiten des aufkeimenden Umweltschutzes speziell der ökologische Aspekt. Einige der damaligen Projekte wurden mittlerweile eingestellt, andere sind bereits verwirklicht worden. Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf (s. Kap. 17.4), wird deutlich, dass an der Wasserstoff-Technik schon seit über 200 Jahren mehr oder minder intensiv geforscht wird.

Nach so langer Zeit ist jetzt quasi der zweite Frühling ausgebrochen. Schlagwörter wie „Wasserstoff-Wirtschaft“ und „Brennstoffzellen-Auto“ sind bereits in vieler Munde, auch wenn häufig das Hintergrundwissen noch eher dünn ist. Die Frage stellt sich deswegen, warum gerade jetzt so viel davon geredet wird. Ist die Wasserstoff-Technik geeignet, heutige Probleme zu lösen, und können Brennstoffzellen eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft bieten?

Wasserstoff bietet auf vielen Gebieten Vorteile gegenüber konventionellen Kraftstoffen, so dass er, beispielsweise eingesetzt in einer Brennstoffzelle, der Energiespeicher sein könnte, der den Weg in eine schadstofffreie Zukunft weist.

Das Ausgangsprodukt Wasser ist in ausreichendem Maße vorhanden, bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen kaum Schadstoffe und natürliche Erdöl-Ressourcen können geschont werden. Natürlich gibt es auch Probleme mit diesem Element: Wasserstoff und Sauerstoff sind unter bestimmten Voraussetzungen leicht brennbar, die umweltschonende Erzeugung von Wasserstoff ist noch nicht ausgereift und die für die Nutzung notwendige Infrastruktur ist noch nicht vorhanden. Aber Erfahrungen aus den letzten Jahren zeigen, dass diese Schwierigkeiten bewältigt werden können. Die Wasserstoff-Technik ist insbesondere in den letzten Jahren weit vorangekommen und es existieren bereits vielerlei Anwendungsbeispiele, in denen die Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt wird.

Beim aktuellen Kostenvergleich mit konventionellen Systemen schneidet die Wasserstoff-Technik erwartungsgemäß nicht gut ab. Viele Komponenten sind noch zu teuer und die Wasserstoff-Herstellung ist noch nicht in ausreichendem Maße auf ökologische Weise möglich. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab, so ist absehbar, dass in den nächsten Jahren die ersten Kleinaggregate, Hausenergie-Versorgungssysteme und Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf den Markt drängen werden. Die Preise werden zwar zu Anfang noch nicht unbedingt günstig sein, mit steigenden Absatzzahlen wird sich jedoch bald eine konkurrenzfähige Alternative zu den herkömmlichen Systemen etablieren.

Alles läuft daher auf eine Umstrukturierung des Energiesektors hinaus. Dabei muss insgesamt die Effizienz aller Energiesysteme gesteigert werden. Und außerdem muss ein Wechsel stattfinden, sowohl bei den Energieträgern (von fossilen zu erneuerbaren Energien) als auch bei den Energiewandlern (vom Verbrennungsmotor zur Brennstoffzelle).

Dieses Buch soll über die Möglichkeiten informieren, die Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft eröffnen kann. Dazu wird zunächst aus europäischer Sicht über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt, so dass die Notwendigkeit eines neuen, alternativen Energieträgers deutlich wird. Der neue Kraftstoff wird im Weiteren mit seinen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt. Dieses umfasst sowohl die chemischen und physikalischen Merkmale als auch unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die anschließende Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellen-Arten wird ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor. Darüber hinaus werden Fragen zur Speicherung, zum Transport und zur Betankung beantwortet. Zudem werden in einem ausführlichen Vergleich die Vor- und Nachteile verschiedener Kraftstoffe aufgezeigt. Auf das etwa vorhandene Gefahrenpotential von Wasserstoff wird ebenso eingegangen wie auf das vorhandene Entwicklungspotential.

Zum Schluss wird festzuhalten bleiben, dass Wasserstoff mit Sicherheit nicht gefährlicher ist als andere Energieträger, sondern durchaus mit Recht den Titel „Kraftstoff der Zukunft“ tragen darf. Und die Brennstoffzellen-Technologie wird die Technik sein, die uns in Zukunft bewegt.

2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN

Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende haben sich die Energiequellen der Menschheit stetig gewandelt. Es hat sich die Art der Energieträger und außerdem deren Nutzungsdauer verändert. Zunächst wurde über Jahrtausende hinweg Holz verwendet. Aus Baumstämmen und Ästen wurde im zweiten Schritt in der Alt-Steinzeit Holzkohle hergestellt, die über bessere Brenneigenschaften verfügte. Im Altertum wurden dann Braun- und Steinkohle entdeckt.

Der Vorteil der Kohle lag in einem höheren Brennwert bedingt durch ihre Entstehungsgeschichte. Kohle ist ein aus tierischen und pflanzlichen Substanzen entstandenes komprimiertes Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Ähnlich ist es beim Erdöl sowie beim Erdgas. Deren Vorteil gegenüber der Kohle ist die leichtere Handhabung, da beide Stoffe einen höheren Energieinhalt bei geringerem Gewicht aufweisen.

All diese fossilen Energieträger benötigen besondere Voraussetzungen für ihre Entstehung (Temperatur, Druck, katalytische Wirkungsmechanismen). Kohle, Öl und Gas entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen benötigt, bis sie ihre derzeitige Konfiguration erhalten haben.

Bei der Suche nach weiteren Energiequellen entdeckte die Menschheit schließlich im 20. Jahrhundert die Kernenergie und wähnte sich zukünftiger Energieprobleme entledigt. Den beeindruckend großen Energiemengen, die aus relativ geringen Mengen Kernbrennstoff erzeugt werden können, stehen jedoch zurzeit nicht lösbare Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme gegenüber, die nicht nur unsere Generation, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Sackgasse, so dass die Energiefrage vorerst noch nicht geklärt erscheint.

Die zurzeit vorwiegend verwendeten fossilen Energieträger Erdöl und Erdgas weisen zwei gravierende Nachteile auf:

1. Ihr Verbrauch ist umweltschädlich.

2. Die Ressourcen sind begrenzt.

Auch wenn immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt werden, ist offensichtlich, dass diese Vorkommen endlich sind und in einiger Zeit erschöpft sein werden. Produkte der Erdgeschichte, die Hunderte von Menschengenerationen bis zur Entstehung benötigt haben, werden innerhalb kürzester Zeit vernichtet, ohne dass die Chance besteht diesen Vorgang jemals wieder rückgängig machen zu können. Der ehemals unter der Erde gebundene Kohlenstoff wird somit vorrangig in den Industrieländern in die Atmosphäre entlassen und beeinflusst dadurch in wesentlichem Maße die Umwelt weltweit und das gesamte Erdklima.

Hinzu kommt, dass mitunter die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, in den Entwicklungsländern erhebliche Schäden verursachen: Abgas-Schadstoffe verunreinigen über Grenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gaspipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Meere und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen damit unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.

Genau wie bei der Diskussion über die Kernenergie müssen wir uns fragen, ob wir diese teilweise gravierenden Auswirkungen gegenüber den Mitmenschen und nachfolgenden Generationen rechtfertigen können und wollen.

2.1 Energiebedarf

Es stellt sich die Frage, wie in den folgenden Jahren und Jahrzehnten der gesamte Energiebedarf der Erde gedeckt werden kann.

Ein entscheidender Faktor, der sehr eng mit dem Energiebedarf verknüpft ist, ist das Bevölkerungswachstum. Die Weltpopulation nimmt seit den ersten Schritten des Homo sapiens stetig zu. Bis zum Jahr 2050 soll die Weltpopulation bei fast 9 Mrd. Menschen liegen. Das ist dreimal so viel wie noch vor 100 Jahren.

In gleichem Maße, wie die Anzahl der Menschen auf diesem Planeten zunimmt, steigt auch die benötigte Energiemenge. Allein mit Holz können sich aber schon lange nicht mehr alle Menschen versorgen. Immer mehr Energie in vielen unterschiedlichen Erscheinungsformen ist daher notwendig, um in der heutigen Zeit überleben zu können.

Darüber hinaus nimmt auch der Energiebedarf pro Person stetig zu. Speziell in Zeiten der Globalisierung, in denen der Wunsch nach mehr Mobilität die Kilometerleistung aller Fahrzeuge in die Höhe treibt, wird immer mehr Energie von jedem Einzelnen benötigt.

Diese beiden Aspekte gehen einher mit der weltweit fortschreitenden Industrialisierung. Die Millionenbevölkerungen Indiens und Chinas fordern ebenso ihr Recht auf mehr Mobilität und bessere Energieversorgung wie die Bewohner der Industriestaaten. Mit dem gleichen Recht, das Amerikaner und Europäer für sich in Anspruch nehmen frei und unabhängig zu sein, steht auch jedem anderen Menschen das Recht auf Mobilität und damit auf ein Fortbewegungsmittel inklusive der benötigten Energie zu.

Zurzeit ist es so, dass der gesamte Verkehrssektor (inklusive Gütertransport sowie Flugzeug- und Schiffsverkehr) fast die Hälfte des weltweit geförderten Erdöls verbraucht. Es wird geschätzt, dass sich die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von derzeit rund 800 Mio. bis zum Jahr 2030 mehr als verdoppelt. Dies bedeutet, dass die globale Autoflotte derzeit prozentual doppelt so schnell wächst wie die Weltbevölkerung. Im Flugsektor wird mit einer Steigerungsrate von jährlich 5 Prozent gerechnet. Das entspricht einer Verdopplung der zurückgelegten Flugmeilen innerhalb von 15 Jahren.

Diese weltweit anwachsenden Fahrzeugzahlen und steigenden Kilometerleistungen werden den Energiebedarf weiter erhöhen. Darüber hinaus werden derzeit so viele großmotorige Autos gekauft wie nie zuvor. Da hilft es auch nichts, dass der Kraftstoffverbrauch pro zurückgelegtem Kilometer bei einigen wenigen neuen Kleinwagen gesenkt werden konnte. Die in der Vergangenheit in einzelnen Bereichen erzielten Effizienzsteigerungen werden sofort wieder von einer immer umfassender werdenden Kfz-Sonderausstattung (z. B. Klima-Anlage, Navigationssystem usw.) aufgefressen.

Über die Jahre gesehen hat sich der gesamte Mineralölverbrauch dadurch von 1960 bis zum Jahr 2000

• in den USA mehr als verdoppelt,

• in Europa mehr als vervierfacht,

• im pazifischen Raum versechsfacht.

Es wird weltweit mit einem weiter wachsenden Energiebedarf gerechnet. In der Zeit von ...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• DANKSAGUNG
• VORWORT
• INHALT
• 1 EINLEITUNG
• 2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN
• 3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER
• 4 HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF
• 5 GESPEICHERTE ENERGIE
• 6 TRANSPORT VON ENERGIE
• 7 LEITUNGEN & VENTILE
• 8 BETANKUNGSVORGANG
• 9 SICHERHEIT
• 10 DIE BRENNSTOFFZELLE
• 11 BRENNSTOFFZELLEN-EINSATZGEBIETE
• 12 DER WASSERSTOFF-MOTOR
• 13 DER KATALYTISCHE BRENNER
• 14 GEGENÜBERSTELLUNG
• 15 AUSBLICK
• 16 ZUSAMMENFASSUNG
• 17 ANHANG
• LITERATUR
• INDEX
• AUTOR