Wasserstoff und Brennstoffzellen. Sven Geitmann
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Название: Wasserstoff und Brennstoffzellen
Автор: Sven Geitmann
Издательство: Автор
Жанр: Биология
isbn: 9783937863252
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Darüber hinaus können Dichtigkeitsprobleme auftreten. Wasserstoff-Moleküle sind sehr klein und können durch enge Ritzen und Spalten entweichen. Verbindungsstellen und Dichtungen, die eigentlich wasser- und luftdicht sind, können diese Moleküle passieren lassen.
Normalerweise werden in der Kryogen-Technik Metalle wie Kupfer, Aluminium und Titan nebst deren Legierungen sowie Eisen-Nickel-Legierungen und austenitische Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Edelstahl ist im Allgemeinen auf Grund seiner Struktur gut geeignet für tiefkalte Armaturen, weil auch bei niedrigen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Zähigkeit vorliegen. Wird dieses Material jedoch in kaltem Zustand plastisch verformt, kann es zu einer Strukturveränderung kommen (austenitisch wechselt in martensitisch) mit veränderten Festigkeitseigenschaften. [Hübner, 2001], [Gradt, 2001]
Neben den Stoffeigenschaften der Materialien ist ebenso deren Handhabung von elementarer Bedeutung. Zur Fertigung von wasserstoffführenden Systemen sind Schweißverfahren notwendig, die qualitativ hochwertige Verbindungen erzeugen (hohe Bruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen). Am besten geeignet ist das Niederdruck-Elektronenstrahl-Verfahren (Reduced Pressure Electron Beam Welding RPEBW). Es erfüllt drei wichtige Anforderungen [Tanaka, Fujii, 2001]:
1. eine hohe Bruchfestigkeit
2. eine gute Gefügequalität bei kryogenen Temperaturen
3. eine hohe Leistungsfähigkeit
3.3 Wasserstoff-Konfiguration
Sicherheitstechnisch nicht so relevant, aber für das Themen-Verständnis hilfreich ist die Unterscheidung zwischen Ortho- und Para-Wasserstoff. Was verbirgt sich hinter diesen Bezeichnungen?
Wasserstoff-Moleküle treten generell in zwei verschiedenen chemischen Zuständen auf. Diese unterscheiden sich in der Orientierung ihres atomaren Spins (bezeichnet den Drehimpuls der Elementarteilchen). Ortho-Wasserstoff weist einen parallel Spin auf, während Para-Wasserstoff einen antiparallelen Spin hat. Ein Gemisch aus 25 Prozent Para- und 75 Prozent Ortho-Wasserstoff wird n-Wasserstoff genannt.
Bei Umgebungstemperatur kommt Ortho-Wasserstoff dreimal häufiger vor. Unterhalb von -200 °C kommt fast ausschließlich Para-Wasserstoff vor. Die Umwandlung vom einen zum anderen Zustand ist ein sehr langsamer Prozess und kann sich ohne die Anwesenheit von Katalysatoren über mehrere Tage hinstrecken.
3.4 Erfahrung mit Stadtgas
Wasserstoff kann durchaus auf eine langjährige Nutzungsgeschichte zurückgreifen. Bereits im 19. Jahrhundert wurden in vielen Städten Rohrleitungssysteme installiert, um das so genannte „Stadtgas“ für die Straßenbeleuchtung und später auch für die Haushalte zum Heizen und Kochen zu verteilen. Bei diesem Gas handelt es sich um ein Gemisch aus je einer Hälfte Wasserstoff und Kohlenstoff-Monoxid.
Mittlerweile ist dieses Gas überall in Deutschland vom Erdgas verdrängt worden, zuletzt Anfang der 90er Jahre in Saarbrücken. In Stockholm/Schweden wird dagegen heute noch das rund 800 Kilometer lange Niederdrucknetz zur Verteilung von Stadtgas genutzt.
Technisch ist es durchaus machbar, Wasserstoff dem heutigen Erdgas beizumengen. Bis zu 5 Vol.-% Wasserstoff könnte ohne jegliche technische Veränderung zugeführt werden. Bei größeren Anteilen (bis 60 Vol.-%) würden jedoch Umbauten insbesondere bei den Anwendungsgeräten der Verbraucher (Dichtungen, Gaszähler, Brenner) notwendig. [Altmann a, 2001]
3.5 Wasserdampf-Bildung & Wasserstoff-Emission
Bis jetzt unberücksichtigt geblieben sind die möglichen Auswirkungen, die ein vermehrter Wasserstoff-Umsatz und ein gesteigerter Wasserdampf-Ausstoß auf die Umwelt und das Klima (lokal und global) haben könnten. Zu unterscheiden ist hierbei, dass es sich bei der Wasserdampf-Bildung um Wasser (H2O) handelt und bei Wasserstoff-Emissionen allein um Wasserstoff (H2).
Die Wasserdampf-Emissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen bei 0,005 Prozent der natürlichen Vorkommen. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen in regionalen Ballungsräumen würde ein auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampf-Emissionen nur im Promillebereich natürlicher Emissionen freisetzen. Ein Wasserstoffauto emittiert zwar mehr Wasserdampf als konventionelle Benzin- oder Diesel-Autos, der Unterschied ist mit einem Faktor zwischen 2 und 5 aber nicht wesentlich größer.
Werden Szenarien der Wasserstoff-Nutzung und daraus resultierende Wasserstoff-Emissionen abgeleitet, dann würden die H2-Emissionen um maximal bis zu 5 Prozent beziehungsweise 1,5 Mio. Tonnen pro Jahr ansteigen und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 parts per million auf 0,54 ppm ansteigen.
Sollten im Jahr 2050 etwa 1 Mrd. Straßen-Fahrzeuge unterwegs sein, wovon 10 bis 20 Prozent mit LH2 betrieben wären, so würden sich hieraus erhöhte H2-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. Tonnen pro Jahr ergeben. In den letzten Jahren lag die jährliche H2-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. Tonnen H2 pro Jahr. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre vorkommende klimarelevante Gas, aber wesentlich weniger klimaaktiv als beispielsweise CO2.
Abschätzungen lassen demzufolge nach heutiger Kenntnis vermuten, dass durch einen verstärkten H2-Einsatz keine relevanten Veränderungen in der Wasserstoff-Bilanz der Atmosphäre bewirkt würden. Wegen der komplizierten chemischen Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungs- und Klärungsbedarf. [Schultz, 2003]
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