Die Begriffe „Wasserstoff-Wirtschaft“ und "Brennstoffzellen-Technik" sind bereits seit geraumer Zeit in vieler Munde. Es heißt, die Wasserstoff-Technologie könne heutige Energie- und Umwelt-Probleme lösen und Brennstoffzellen seien die ultimativen Energiewandler, die uns zukünftig sauber, leise und effizient mit Strom und Wärme versorgen werden. Was ist aber tatsächlich dran an derartigen Äußerungen?
Das vorliegende Buch soll zur Klärung beitragen und helfen, etwaige Fragen zu beantworten. Für die Lektüre ist umfassendes Vorwissen nicht erforderlich, da alles leicht verständlich formuliert und anschaulich erklärt wird.
Geeignet ist das Buch als Ratgeber für den interessierten Laien und auch als Lehrbuch zur Aus- und Weiterbildung an Schulen und Hochschulen sowie für Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker.
HyWeb: „leicht lesbar und gut strukturiert“ ... „Insbesondere als Einstieg ist es geeignet, sei es für Journalisten, Lehrer, Politiker oder einfach Interessierte Menschen, die sich diesem Thema nähern wollen.“
boxer99: „sehr aktuell und detailliert recherchiertes Buch“ ... „führt den Leser in eine Zukunftstechnologie ein, ohne spezielles Vorwissen zu erwarten“
Solarserver: „Das Buch gibt einen fundierten Überblick über die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik.“ ... „empfehlenswert“ ... „auch für Interessierte ohne spezielles Vorwissen lesbar“
Mit einem Vorwort vom „Wasserstoff-Experten“ Prof. Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter
Vize-Präsident der International Association for Hydrogen Energy (IAHE)
Inhalt
1 EINLEITUNG
2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN
2.1 Energiebedarf
2.2 Heutige Energiequellen
2.2.1 Primärenergieverbrauch in Deutschland
2.2.2 Stromverbrauch in Deutschland
2.2.3 Welt-Energieversorgung
2.3 Begrenzte zeitliche Verfügbarkeit
2.4 Umweltbelastung
2.4.1 Limitierte Emissionen
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
2.4.3 Schadstofffreisetzung
2.5 Kohlenstoff-Dioxid
2.6 Ausstieg aus der Atomenergie
2.7 Entwicklung
2.8 Solare Wasserstoffwirtschaft
2.9 Dezentralität
2.10 Förderung
3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER
3.1 Chemische & physikalische Eigenschaften
3.1.1 Knallgas-Probe
3.1.2 Flüchtiger Wasserstoff
3.2 Material-Wechselwirkungen
3.3 Wasserstoff-Konfiguration
3.4 Erfahrung mit Stadtgas
3.5 Wasserdampf-Bildung & Wasserstoff-Emission
4 HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF
4.1 Elektrolyse
4.2 Dampfreformer
4.3 Partielle Oxidation
4.4 Autothermer Reformer
4.5 Kværner-Verfahren
4.6 Vergasung
4.7 Biochemische Herstellung
4.8 Chemische Herstellung
4.9 Dissoziation
4.10 Nachreinigung
4.10.1 Entschwefelung
4.10.2 Ent- oder Befeuchtung
4.10.3 Silizium-Entfernung
4.11 Verflüssigung
4.12 Herstellungskosten
5 GESPEICHERTE ENERGIE
5.1 Druckbehälter
5.1.1 Niederdruck-Tank
5.1.2 Hochdruck-Tank
5.2 Kryogen-Behälter
5.3 Metallhydrid
5.4 Nano-Röhrchen
5.5 MTH-Speicher
5.6 Unterirdische Kavernen
6 TRANSPORT VON ENERGIE
6.1 Gastransport
6.2 Flüssigtransport
6.3 Rohrleitungssystem
7 LEITUNGEN & VENTILE
8 BETANKUNGSVORGANG
8.1 GH2-Betankung
8.2 LH2-Betankung
8.3 Wasserstoff-Tankstellen
9 SICHERHEIT
9.1 Vorsichtsmaßnahmen
9.2 Unfallgefahren
9.2.1 Pkw-Brand
9.2.2 Lkw-Unfall
9.2.3 Lachenbildung
10 DIE BRENNSTOFFZELLE
10.1 Funktionsweise einer BZ
10.2 Hohe Effizienz
10.3 Verschiedene Brennstoffzellen-Arten
10.3.1 AFC
10.3.2 DMFC
10.3.3 PEM-FC
10.3.4 PAFC
10.3.5 MCFC
10.3.6 SOFC
10.3.7 Mikrobielle BZ
10.3.8 Zink/Luft-Brennstoffzelle
10.4 Brennstoffe für Brennstoffzellen
10.4.1 Erdgas
10.4.2 Flüssiggas
10.4.3 Biogas
10.4.4 Methanol
10.5 Kostenfrage
10.6 Brennstoffzellen Vor- & Nachteile
10.6.1 Pro
10.6.2 Kontra
10.7 Entwicklung im BZ-Sektor
11 BRENNSTOFFZELLEN-EINSATZGEBIETE
11.1 Mikro- und Mini-Brennstoffzellen
11.2 Portable Einheiten
11.3 Hausenergie-Versorgung
11.4 Kraftwerksbetrieb
11.5 Fahrzeuge
11.5.1 Pkw
11.5.2 Busse
11.5.3 Lkw
11.6 Luftfahrt
11.7 Raumfahrt
11.8 Schienenfahrzeuge
11.9 Schifffahrt
12 DER WASSERSTOFF-MOTOR
12.1 Äußere Gemischbildung
12.2 Innere Gemischbildung
12.3 H2-Motor Vor- & Nachteile
12.3.1 Umwelt-Verträglichkeit
12.3.2 Abmagerungsfähigkeit des Wasserstoff/Luft-Gemisches
12.3.3 Hoher Wirkungsgrad
12.3.4 Gewicht & Kosten
12.3.5 Unregelmäßige Verbrennung
12.3.6 Geringe Leistungsdichte durch Liefergrad-Verluste
12.3.7 Schlechte Schmier-Eigenschaften
12.3.8 Hoher Aufwand
12.4 Stickstoff-Emissionen
12.5 H2-Anreicherung
12.6 Motorische Anwendungen
12.6.1 BMW
12.6.2 Ford
12.6.3 MAN
13 DER KATALYTISCHE BRENNER
14 GEGENÜBERSTELLUNG
14.1 Kraftstoff-Vergleich
14.2 BZ-Verbrennungskraftmaschine
14.3 Schadstoff-Vergleich
15 AUSBLICK
15.1 Die weitere Entwicklung
15.2 Wasserdampf-Bildung
15.3 Klimatische Auswirkungen
15.4 Elektrolyse-Plattform
15.5 Das Wasserstoff-Haus
15.6 Insel-Energieversorgung
15.7 Island-Modell
16 ZUSAMMENFASSUNG
17 ANHANG
17.1 Abkürzungen
17.2 Einheiten/Formelzeichen
17.3 Elemente
17.4 Geschichte
17.5 Chemische Eigenschaften
17.6 H2-Sicherheitsmaßnahmen
17.7 Regenerative Energien
Zielsetzung & Themen
Dieses Buch zielt darauf ab, dem Leser umfassende Informationen über das Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft zu vermitteln. Dabei wird die aktuelle Situation im Energiesektor analysiert und die Notwendigkeit sowie die Möglichkeiten des Übergangs zu alternativen Energieträgern und Energiewandlern wie der Brennstoffzelle beleuchtet.
- Aktueller Stand der fossilen Energieträger und deren Problematik
- Chemische und physikalische Eigenschaften von Wasserstoff
- Methoden der Wasserstoff-Herstellung, Speicherung und des Transports
- Technologische Grundlagen und Einsatzgebiete von Brennstoffzellen
- Vergleich von Wasserstoff-Technologien mit konventionellen Systemen
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Dieses Kapitel stellt das Potenzial von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft vor und hinterfragt die Dominanz des Verbrennungsmotors.
2 AKTUELLER STAND BEI FOSSILEN ENERGIETRÄGERN: Eine Analyse des heutigen Energieverbrauchs, der Begrenztheit fossiler Ressourcen und der daraus resultierenden Umweltbelastungen.
3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER: Beschreibt die grundlegenden chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie die Sicherheitsaspekte im Umgang mit Wasserstoff.
4 HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF: Erläutert verschiedene industrielle Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff, von der Elektrolyse bis hin zur Reformierung.
5 GESPEICHERTE ENERGIE: Diskutiert verschiedene Methoden der Wasserstoffspeicherung, darunter Druckbehälter, Kryogen-Speicher und Metallhydride.
6 TRANSPORT VON ENERGIE: Beleuchtet die Logistik des Wasserstofftransports mittels Trailern und Rohrleitungssystemen.
7 LEITUNGEN & VENTILE: Beschreibt die Anforderungen an die Infrastrukturkomponenten, die für den sicheren Umgang mit Wasserstoff notwendig sind.
8 BETANKUNGSVORGANG: Geht auf die technische Umsetzung der Betankung von Fahrzeugen mit gasförmigem und flüssigem Wasserstoff ein.
9 SICHERHEIT: Analysiert Sicherheitsaspekte, mögliche Gefahrenquellen und vorbeugende Maßnahmen im Umgang mit Wasserstoff.
10 DIE BRENNSTOFFZELLE: Erklärt das Funktionsprinzip, verschiedene Arten und die Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen.
11 BRENNSTOFFZELLEN-EINSATZGEBIETE: Stellt Anwendungen von kleinen Mikro-Brennstoffzellen bis hin zu Kraftwerks- und Fahrzeuglösungen vor.
12 DER WASSERSTOFF-MOTOR: Beschreibt die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff in konventionellen Verbrennungsmotoren.
13 DER KATALYTISCHE BRENNER: Stellt die flammlose Verbrennung in katalytischen Brennern als Alternative dar.
14 GEGENÜBERSTELLUNG: Bietet einen detaillierten Vergleich von Kraftstoffen, Wirkungsgraden und Schadstoffemissionen verschiedener Antriebskonzepte.
15 AUSBLICK: Fasst die künftigen Herausforderungen, Forschungen und visionäre Energiekonzepte wie das Wasserstoff-Haus zusammen.
16 ZUSAMMENFASSUNG: Bündelt die Kernaussagen des Buches und bewertet die Zukunftsaussichten der Wasserstoff-Technologie.
Schlüsselwörter
Wasserstoff, Brennstoffzelle, Energiewende, Erneuerbare Energien, Elektrolyse, Wasserstoff-Motor, Energiespeicherung, Dekarbonisierung, Mobilität, Nachhaltigkeit, Schadstoffemissionen, Infrastruktur, Wirkungsgrad, Energiebedarf, Klimaschutz.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in diesem Buch grundsätzlich?
Das Buch bietet einen umfassenden Überblick über die Grundlagen, Technologien und Anwendungsgebiete von Wasserstoff und Brennstoffzellen als alternative Energielösung.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Herstellung, Speicherung und dem Transport von Wasserstoff, der Funktionsweise der Brennstoffzelle sowie ihrem Einsatz in mobilen und stationären Systemen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsbemühungen in diesem Bereich?
Das Hauptziel ist die Effizienzsteigerung und Kostensenkung bei der Wasserstofferzeugung und Brennstoffzellentechnik, um eine nachhaltige, schadstofffreie Energieversorgung zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Der Autor stützt sich auf eine detaillierte technische Analyse und Vergleiche zwischen konventionellen fossilen Antriebskonzepten und der Wasserstoff-Technologie hinsichtlich ihrer Effizienz und Umweltbilanz.
Was wird im Hauptteil des Buches behandelt?
Der Hauptteil widmet sich intensiv der technischen Umsetzung, den verschiedenen Brennstoffzellen-Typen, den Herausforderungen bei der Speicherung sowie den spezifischen Anforderungen in der Fahrzeugtechnik und Energiewirtschaft.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die zentralen Schlagworte sind Wasserstoffwirtschaft, Dekarbonisierung, nachhaltige Energietechnologien, Brennstoffzellen, Effizienz und die Transformation des Energiesektors.
Welche Rolle spielt die Politik bei der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft?
Die Politik ist ein maßgeblicher Treiber, etwa durch Förderprogramme wie das Erneuerbare-Energien-Gesetz, die Infrastrukturprojekte fördern und den notwendigen Rahmen für Innovationen schaffen.
Gibt es spezifische Herausforderungen bei der Anwendung von Wasserstoff?
Ja, eine der größten Hürden ist die noch fehlende flächendeckende Infrastruktur für Transport und Betankung sowie die notwendige Optimierung der Speicherdichte und Kostenstrukturen für eine Markteinführung.
- Quote paper
- Sven Geitmann (Author), 2004, Wasserstoff und Brennstoffzellen. Die Technik von morgen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/163859
