Wasserstoff, Raum, sehr viel Zeit und Naturgesetze, mehr brauchte es nicht, damit alles um uns herum entstehen konnte.
Alles begann mit Wasserstoff
Tatsächlich ist alles was uns auf der Erde umgibt, ja die ganze uns bekannte Materie des Universums, im Grunde nichts anderes als die Geschichte der Wandlungen des Wasserstoffs.
Wasserstoff umgibt uns täglich, und ist in seinen vielfältigen Verbindungen allgegenwärtig, aber in seiner reinen Form treffen wir Wasserstoff nur in Bereichen an, die unserem direkten Blick verborgen bleiben, und daher häufig nur der Wissenschaft vertraut sind.
Welche Bedeutung hat Wasserstoff für uns als Ingenieurbüro Ruth?
Da sich unsere Ingenieurbüro mit der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen, unter Verwendung von aus Abgasen abgefiltertem CO2 beschäftigt, hat der Wasserstoff für uns als Synthese-Baustein eine besondere Bedeutung.
Wasserstoff ist ein Kernelement und essentieller Baustein den wir zur Herstellung unserer synthetischen Kraftstoffe benötigen. Das Angebot an erneuerbaren Energien, sei es aus Windkraft oder Photovoltaik, befähigt uns dazu, den “überschüssigen” Strom der in Zeiten von Überproduktion nicht ins Netz eingespeist werden kann, via Elektrolyse in Wasserstoff zu wandeln, und somit in einen lagerfähigen Energieträger umzuwandeln. Da ein Stromnetz den Strom nicht speichern kann, besteht in der Wandlung des elektrischen Stromes in einen flüssigen, lager- und transportfähigen Energieträger, eine Option diesen so umzuwandeln, damit er später dezentral und zeitentkoppelt genutzt werden kann.
Der erste Umwandlungsschritt des Stromes in einen speicherfähigen Energieträger besteht also in der Wandlung von Strom in Wasserstoff via Elektrolyse.
Weitere Umwandlungsschritte, zum Beispiel die Umwandlung dieses Wasserstoffs in synthetischen Kraftstoff, können danach je nach Bedarf erfolgen.
Da das Herstellen und Zwischenlagern von Wasserstoff bei gewissen Syntheseschritten verfahrenstechnisch nicht immer ratsam ist, müssen die für die Elektrolyse benötigten Apparaturen speziell für unsere Anwendungsfälle, sei es modularer Einsatz im maritimen Bereich, oder dezentrale stationäre Anwendungen, aber auch abhängig von der gewünschten Verfahrenskette in vielerlei Hinsicht optimiert und angepasst werden.
Was uns als Ingenieurbüro wichtig ist:
Eine Beschäftigung mit dem Energieträger Wasserstoff in Verbindung mit der Brennstoffzellentechnologie bedeutet, dass wir unsere zukünftige Energieversorgung auf diesem Gebiet CO2-frei gestalten können. Mit schrittweiser Einführung der Brennstoffzellen-Technologie, z.B. übergangsweise mit LNG als Brennstoffzellen-Energiequelle, kann ein wirtschaftlicher Transformationsprozess leichter gelingen, da er auf vorhandenen Infrastrukturen aufbaut.
Was kann aus Wasserstoff hergestellt werden?
In ihrem Fusions-Reaktor vermag die Sonne den Wasserstoff in Helium zu wandeln. Diese Kunst beherrscht der Menschen bisher noch nicht, weshalb wir uns mit anderen Formen der Energiegewinnung und Speicherung begnügen müssen.
Wasserstoff kann aber unter Verwendung aktuell am Markt verfügbarer Brennstoffzellen-Technologie, sei es PEM oder SOFC, dazu genutzt werden Strom zu erzeugen. Wasserstoff kann zudem direkt verbrannt (Gasfeuerung), oder in modifizierten konventionellen Ottomotoren als Treibstoff verwendet werden. Das mit der direkten Verwendung von Wasserstoff einhergehende aktuelle Problem ist und bleibt aber die Speicherung des Wasserstoffs. Kurz und mittelfristig sehen wir daher die Verwendung von Wasserstoff im maritimen Bereich, aufgrund der geringen volumenbezogenen Energiedichte und der noch nicht ausreichend vorhandenen Infrastruktur, nicht als zielführend an.
Methan als “Transport-Carrier” für grünen Wasserstoff:
Da sich Schiffe mit Dieselantrieb auf LNG Betrieb umrüsten lassen, und dies in den letzten Jahren auch zunehmend geschieht, und die Direkt-Methanisierung aus erneuerbaren Energien immer kostengünstiger wird, sehen wir aktuell und mittelfristig im Einsatz von synthetisch hergestelltem Methan (e-LG) einen Weg den von der Regierung bis 2050 geforderten Transformationsprozess der Energiewirtschaft konstruktiv zu unterstützen. Mittelfristig sehen wir im Nachrüsten von Brennstoffzellen die aktuell noch mit LNG, mittelfristig mit e-LG aber zukünftig mit Wasserstoff betrieben werden können, einen weiteren Ansatz zur Effizienzsteigerung der Energieversorgungskonzepte im maritimen Sektor. Auf diese Weise ließe sich nach und nach eine Hinwendung zu erneuerbaren Energieträgern mit vertretbarem Aufwand im maritimen Bereich umsetzen.
Besonderheiten:
Wasserstoff hat im Vergleich zu vielen Kohlenwasserstoffen eine niedrigere volumenbezogene Energiedichte (sie beträgt ca. 1/3 von Erdgas). Das erfordert zum Speichern vergleichbarer Energiemengen in flüssiger Form einen ca. dreimal so großen Tank. Beim Speichern in gasförmigem Zustand kann diesem Nachteil teilweise durch Hochdruckspeicherung (bei H2 werden derzeit im Automobilsektor bis zu 700bar erreicht) begegnet werden.
Aufgrund der geringen molaren Masse hat Wasserstoff jedoch eine vergleichsweise hohe massenbezogene Energiedichte (H2 hat mehr als die doppelte massenbezogene Energiedichte von Erdgas). Aufgrund dieser hohen massenbezogenen Energiedichte wird H2 in der Luftfahrt, speziell bei neuartigen großvolumigen Flugzeugkonzepten, als Treibstoff in Erwägung gezogen.
Hierzu eine vergleichende Betrachtung der massenbezogenen Energiedichten verschiedener Kraftstoffe:
• 1 kg flüssiger Wasserstoff liefert eine Wärme von ca. 120 MJ (33,33 kWh)
• 1 kg flüssiges LNG liefert eine Wärme von ca. 32 bis 45 MJ (8,89 bis 12,5 kWh)
• 1 kg flüssiges Benzin liefert eine Wärme von ca. 40 bis 42 MJ (11,11 bis 11,66 kWh)
• 1 kg flüssiger Diesel liefert eine Wärme von ca. 43 MJ (11,94 kWh)
Vergleichend folgt hier zu der oben angeführten massenbezogenen Energiedichtenbetrachtung nun eine volumenbezogene Energiedichten-Betrachtung verschiedener Kraftstoffe:
• 1 ltr. flüssiger Wasserstoff liefert eine Wärme von ca. 8,5 MJ (2,36 kWh)
• 1 ltr. flüssiges LNG liefert eine Wärme von ca. x bis 23,4 MJ (xy bis 6,5 kWh)
• 1 ltr. flüssiges Benzin liefert eine Wärme von ca. xy bis 30,6 MJ (xy bis 8,5 kWh)
• 1 ltr. flüssiger Diesel liefert eine Wärme von ca. 34,9 MJ (9,7 kWh)
Wie kann man Wasserstoff herstellen?
Elektrolyse: zur Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff benötigt man theoretisch 9kg Wasser. Bei einer vorherigen Entsalzung (1ltr. Süßwasser aus 2,5ltr Rohwasser) liegt der Wasserbedarf dann bei ca. 22,5kg.
Dampfreformation:
Abhängig von dem Herstellungsverfahren wird dem Wasserstoff eine Farbe zugeordnet.
• grüner Wasserstoff: Ausgangsstoff ist Wasser (, wobei ebenfalls Sauerstoff erzeugt wird (je kg H2 werden <1kg CO2 freigesetzt).
• türkiser Wasserstoff: Ausgangsstoff ist Methan, wobei das CO2 durch den Prozess der Methanpyrolyse in Form von festem Kohlenstoff gespeichert wird (je kg H2 werden xkg Kohlenstoff erzeugt).
• blauer Wasserstoff: Ausgangsstoff sind Erdgas und Kohle, wobei das CO2 unterirdisch gespeichert wird (je kg H2 werden 5 bis 7kg CO2 freigesetzt).
• grauer Wasserstoff: Ausgangsstoff sind Erdgas und Kohle, wobei das CO2 in die Atmosphäre entweicht (je kg H2 werden 13 bis 23kg CO2 freigesetzt).
Wie kann man Wasserstoff speichern?
Bei der kryogenen Wasserstoffverflüssigung kommt es durch thermische Isolationsverluste zum Verdampfen und Ausgasen von Wasserstoff.
Wasserstoff (Flüssig, kryogen) wiegt 71 kg/m³
Die Energiemengen die zur Speicherung benötigt wird beträgt:
• Kompression ca. 12 %
• Verflüssigung ca. 20 %
Speichervolumen
• kryogene Speicherung bei 20 K ≈ −253 °C: 70,82kg/m³ entsprechen 14,12 L/kg. Dies bietet die größte Speicherdichte!
• 700 bar Druckspeicherung bei 15 °C: 40kg/m³ (reales Gas) entsprechen 25 L/kg; dies entspricht 7,5MJ/ltr. (im Vergleich hierzu: Benzin mit knapp 31 MJ/ltr.)
• 200 bar Druckspeicherung bei 15 °C: 14,5kg/m³ (reales Gas) entsprechen 69 L/kg
• realisierbare Druckspeicherung: aktuell (Stand 2020) geht man davon aus, dass mit derzeitiger Technologie Speicherdrücke von 1200 bar realisierbar sind.
H2 Speicher:
Der Farbcode von H2-Flaschen:
Wasserstoff wird in rote Stahlflaschen, oder aber graue Flaschen mit roter Schulter abgefüllt. In rot gekennzeichneten Stahlflaschen befinden sich brennbare Gase.
Gasförmig:
• kohlenstofffaserverstärkte Verbundstoffe
Flüssig:
• Stahltanks mit Wärmedämmung
Chemische Bindung:
• Chemiesorption
• …ein Weg ist die Wandlung in synthetische Kraftstoffe
Festkörper:
• Metallhydridspeicher: Ein Kubikmeter Metallhydrid enthält mehr Wasserstoffatome als ein Kubikmeter verflüssigter Wasserstoff!
Reine Transportkosten von H2, ohne Investitionskosten:
Investitionskosten für den Transport von H2:
Welche besonderen Eigenschaften hat Wasserstoff?
Physik:
• Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte
• Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal weniger dicht als Luft
• Flüssiger Wasserstoff wiegt 70,8 Gramm pro Liter
• Der Schmelzpunkt liegt bei 14,02 K (−259 °C)
• Der Siedepunkt liegt bei 21,15 K (−252 °C)
• Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen aller Gase
• Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase
• Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase
• Eine geringere Viskosität weisen nur drei- oder mehratomige reale Gase wie zum Beispiel n-Butan auf
• Die Mobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt, sehr hoch.
einige technische Anwendungen für Wasserstoff:
• in Erdölraffinerien zum Entschwefeln
• bei chemischen Großsynthesen (Ammoniak, Methanol, Oxysynthesen, Hydrierung organischer Zwischenprodukte)
• Schweroelhydrierung
• Kohlehydrierung
• Mineraloelverarbeitung
• bei der Direkt-Reduktion von Fe2O3 oder aber auch von CuO
• als Reduktionsgas, Schutzgas (Sondermetalle, Sinterprozesse, Silicium-Chemie, Floatglas)
• bei der Fetthärtung (Margarineherstellung)
Vorteile der Verwendung von Wasserstoff:
• Wasserstoff vermischt sich nach dem Austritt aus dem Lagertank sehr schnell mit Luft. Bei ausreichender Belüftung verflüchtigt sich das Wasserstoffgas sehr schnell.
• in heißen Umgebungen brennt Wasserstoff bereits bei einer Konzentration von 4 % ab, weshalb es auf diese Weise nicht so leicht zu einer Anreicherung eines explosiven Gemisch kommen kann
Gefahren von Wasserstoff (besondere Risiken):
• Ein Wasserstoff-Luft Gemisch ist extrem zündfähig.
• Wasserstoff kann sich beim Ausströmen entzünden: beispielsweise durch elektrostatische Vorgänge bei hohen Drücken.
• Zur Zündung ist nur eine sehr geringe Zündenergie erforderlich: beispielsweise verursacht durch die Reibung von Wassertröpfchen an Wasserstoffgasteilchen.
• Beim Ausströmen aus den Speichertankbehältern kann eine sehr hohe Geräuschbelastung (Hoher Pfeifton) entstehen.
• Wasserstoff-Flamme kann man bei Tageslicht nicht sehen.
• Die unsichtbare Flamme ist über 2000 Grad C warm und kann in Abhängigkeit vom Ausströmdruck Längen von bis zu 30 m haben.
• Wasserstoffflammen geben nur eine geringe Wärmestrahlung ab. Es besteht deswegen die Gefahr, dass man sich der Flamme unbewusst zu sehr nähert.
• Ein explosives Gemisch (Knallgas) bildet Wasserstoff bei einem Anteil von 18 %.
• Der Wasserstoffgas-Zündbereich von 4 – 78 Volumen % in Luft ist sehr groß.
• Wasserstoff durchmischt sich intensiv und schnell mit Luft.
• Gefahr in geschlossenen Räumen: Wasserstoff sammelt sich im ganzen zur Verfügung stehenden Raum, vor allem an der Decke, da er wesentlich leichter ist als Luft ist.
• Explosionsradius für H2-LKW Trailer-Tanks beträgt: 750m
• Verflüssigter und tiefkalter Wasserstoff verweilt längere Zeit an der Austrittsstelle und ist an der Nebelbildung in deren Umfeld zu erkennen, verdampft aber schnell.
• Tiefkalter Wasserstoff separiert aus der Umgebungsluft flüssigen Sauerstoff und wirkt deswegen noch gefährlicher als gasförmiger Wasserstoff.
• Tiefkalter Wasserstoff kann zu „Kälteverbrennungen“ führen.
• Beim Austritt von tiefkaltem Wasserstoffs kommt es zu Nebelbildung, hierbei handelt es sich um kondensierte Luftfeuchtigkeit.
• Räume, in denen Wasserstoff austreten kann, dürfen nicht mit einer CO2- Anlage geschützt werden, da CO2 beim Ausströmen Wasserstoff entzünden kann.
Links:
https://www.iwes.fraunhofer.de/de/testzentren-und-messungen/elektrolyseur-testfeld.html