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wasserstoff

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wasserstoff [2007/06/28 20:50] (aktuell)
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 +^[[Kategorien]]:​ [[Wissenswertes]]^
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 +====== Wasserstoff ======
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 +Veränderte Teile aus: http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Wasserstoff
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 +Siehe auch: [[Biodiesel]],​ [[Biogas]], [[BtL]], [[Pflanzenöl]],​ [[Bioethanol]]
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 +====== Allgemeines ======
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 +Wasserstoff ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt (für lateinisch hydrogenium „Wassererzeuger“;​ von altgriechisch ύδωρ „Wasser“ und γίγνομαι „werden“,​ „entstehen“). Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein.
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 +Wasserstoff ist das häufigste chemische Element des Universums, jedoch nicht in der Erdrinde. Es ist Bestandteil des Wassers und der meisten organischen Verbindungen;​ insbesondere kommt es in sämtlichen lebenden Organismen vor.
 +
 +Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente, das häufigste Isotop besteht aus nur einem Proton und einem Elektron. Unter den Bedingungen,​ die normalerweise auf der Erde herrschen (siehe auch Normalbedingungen),​ kommt dieser atomare Wasserstoff nicht vor, stattdessen liegt Wasserstoff in der dimerisierten Form vor, dem molekularen Wasserstoff H2, einem farb- und geruchlosen Gas.
 +
 +====== Verwendung in Fahrzeugen und Wirkungsgrad ======
 +
 +  * Erzeugungsverlusste ?? (ca. Grössenordung 30%)
 +  * Verflüssigung:​ 1/3% Energieverlusst
 +  * Speicherung:​ ? In 2 Wochen ist der Tank leer. (wo steht das? Hier steht 20 Tage = 20km "​Beeindruckend:​ Die insgesamt nur 30 Millimeter dicke Isolation entspricht 17 Metern gewöhnlichem Styropor. Beim BMW Hydrogen 7 hält die Isolation den – 250 Grad Celsius kalten - Wasserstoff bei Laune. Steht der Wagen längere Zeit ungenutzt in der Garage, entleert sich das Wasserstofftank nach und nach von selbst. So wird verhindert, dass die Temperatur im Tank - wenn auch nur leicht - ansteigt. Nach neun Tagen Standzeit können im Wasserstoffbetrieb nur noch 20 Kilometer zurückgelegt werden."​ aus der SZ http://​www.sueddeutsche.de/​automobil/​special/​114/​55059/​index.html/​automobil/​artikel/​797/​85712/​article.html)
 +  * Brennstoffzelle und Motoren: Wirkungsgrad ca. 50%
 +
 +Wir liegen also schon wenn man nur die beiden oben bestätigten Angaben nimmt bei einem Systemwirkungsgrad von nur 33%. Bei Berücksichtigung von Verlussten bei de Erzeugung, dem Transport und im Tank geht der Systemwirkungsgrad gegen 10%... ​
 +
 +Ein wichtiges Argument ist noch folgendes: Wenn Wasserstoff aus Strom oder nachwachsenden Rohstoffen (Gas/​Biosprit) gewonnen wird, ist die Anwendung in einem Fahrzeug auch desshalb sehr fragwürdig,​ da in der Regel die primären Energieträger auch direkt verwendet werden können.
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 +===== Physikalische Eigenschaften =====
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 +Molekularer Wasserstoff (H2) ist etwa 14,4-mal leichter als Luft. Sein Siedepunkt liegt bei 20,27 Kelvin, der Schmelzpunkt bei 14,02 Kelvin. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Wasser beträgt 1,6 mg/L. Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur das höchste Diffusionsvermögen,​ die höchste Wärmeleitfähigkeit und die höchste Effusionsgeschwindigkeit aller Gase. Eine geringere Viskosität weisen nur drei- oder mehratomige reale Gase wie zum Beispiel n-Butan auf. 
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 +Die Mobilität des Wasserstoffs in einer festen Matrix ist, bedingt durch den geringen Molekülquerschnitt ebenfalls sehr hoch. So diffundiert Wasserstoff durch Materialien wie Polyethylen und glühendes Quarzglas. Ein besonders wichtiges Phänomen ist die außerordentlich hohe Diffusionsgeschwindigkeit in Eisen, Platin und einigen anderen Übergangsmetallen,​ da es dort dann zur Wasserstoffversprödung kommt. In Kombination mit einer hohen Löslichkeit treten bei einigen Werkstoffen extrem hohe Permeationsraten auf. Hieraus ergeben sich technische Nutzungen zur Wasserstoffanreicherung,​ aber auch technische Probleme beim Transportieren,​ Lagern und Verarbeiten von Wasserstoff und Wasserstoffgemischen,​ da nur Wasserstoff diese räumlichen Begrenzungen durchwandert.
 +
 +===== Molekularer Wasserstoff =====
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 +Bei Zimmertemperatur reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und Chlor heftig, ist sonst aber vergleichsweise beständig und wenig reaktiv. Bei hohen Temperaturen wird das Gas reaktionsfreudig und geht mit Metallen und Nichtmetallen gleichermaßen Verbindungen ein.
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 +===== Nachweis =====
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 +Molekularen Wasserstoff kann man durch die Knallgasprobe nachweisen. Bei dieser Nachweisreaktion wird eine kleine, beispielsweise während einer Reaktion aufgefangene Menge eines Gases, in einem Reagenzglas entzündet. Wenn danach ein dumpfer Knall, ein Pfeifen oder ein Bellen zu hören ist, so ist der Nachweis positiv (das heißt, es war Wasserstoff in dem Reagenzglas). Der Knall kommt durch die Reaktion von Wasserstoffgas mit dem Luftsauerstoff zustande: 2 H2 + O2 = 2 H2o 
 +Mit der gleichen Reaktion verbrennt Wasserstoff mit einer schwach bläulichen Flamme, wenn man ihn gleich an der Austrittsstelle entzündet (Pfeifgas).
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 +===== Metallartige Verbindungen =====
 +__Wichtig für Speicher:__
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 +In metallartigen Wasserstoffverbindungen - mit wenigen Ausnahmen sind das die Übergangsmetallhydride - ist atomarer Wasserstoff in der entsprechenden Metallstruktur eingelagert. Man spricht in diesem Fall auch von Wasserstoff-Einlagerungsverbindungen. Das Element besetzt die oktaedrischen und tetraedrischen Lücken in den kubisch- bzw. hexagonal-dichtesten Metallatompackungen. Die Löslichkeit von Wasserstoff steigt mit zunehmender Temperatur. Man findet jedoch selbst bei Temperaturen über 500 Grad Celsius __selten mehr als 10 Atomprozente__ Wasserstoff im betreffenden Metall. Am meisten Wasserstoff können die Elemente Vanadium, Niob und Tantal aufnehmen.
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 +===== Vorkommen =====
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 +Auf der Erde ist der Massenanteil gering, auf das Gesamtgewicht bezogen etwa 0,12%, auf die Erdkruste bezogen 2,9%. Außerdem liegt - im Gegensatz zu den Vorkommen im All - der irdische Wasserstoff überwiegend gebunden und fast nie rein (d. h. als unvermischtes Gas) vor. Von keinem anderen Element sind so viele Verbindungen bekannt; die häufigste ist Wasser.
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 +===== Atmosphäre =====
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 +In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff nur in Konzentrationen unter 1 ml/m3 vor. Auch hier kommt er überwiegend als Wasserdampf (an Sauerstoff gebunden) vor. Die prozentuale Häufigkeit von ungebundenem,​ molekularem Wasserstoff in der Luft beträgt etwa 0,00005 %. Bei einer mittleren Temperatur der Atmosphäre von 20 °C bewegen sich die H2-Teilchen im Durchschnitt mit fast 7000 km/h. Das ist rund ein Sechstel der Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde. Aufgrund der Maxwell-Boltzmann-Verteilung der Geschwindigkeiten der H2-Moleküle gibt es aber dennoch eine beträchtliche Zahl von Molekülen, die die Fluchtgeschwindigkeit trotzdem erreichen. Befinden sich diese in den oberen Schichten der Atmosphäre,​ können sie aus der Gashülle entweichen. Weitere H2-Moleküle kommen aus darunter liegenden Schichten nach, und es entweicht wieder ein bestimmter Anteil, bis letztlich nur noch Spuren des Elements in der Atmosphäre vorhanden sind. Bei diesem geringen Anteil stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entweichen und Neuproduktion (durch Bakterien und photonische Spaltung des Wassers) ein.
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 +===== Gewinnung =====
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 +Einfache chemische Prozesse zur Produktion von H2 sind die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen (z. B. Zink) oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetalle. Diese im chemischen Laboratorium für kleine Mengen üblichen Methoden sind aber für die industrielle Herstellung ungeeignet und unwirtschaftlich.
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 +Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Unter hoher Temperatur und hohem Druck werden Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt. Dabei entsteht Synthesegas,​ ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die so genannte Wassergas-Shift-Reaktion eingestellt werden. Diese Methode wird hauptsächlich für industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H2 und Kohlenmonoxid.
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 +Eine alte und effiziente Möglichkeit zur Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt.
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 +Meist wird dem Wasser ein wenig Säure zur Katalyse der Reaktion zugesetzt. An der Kathode entsteht Wasserstoffgas,​ an der Anode Sauerstoffgas,​ im Mol- und Volumenverhältnis 2:1.
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 +Diese Methode wird heute allerdings nur noch in sehr geringem Umfang eingesetzt; vor allem zur Gewinnung von „schwerem Wasser“, das sich bei der Elektrolyse im nicht umgesetzten Rest anreichert.
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 +Eine sehr moderne Methode ist das Kværner-Verfahren. Dabei zerlegt ein Plasmabrenner Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoff und Wasserstoff und erreicht dabei enorm hohe Wirkungsgrade. Ein anderes modernes Verfahren bedient sich der Grünalgen. Hier kommen biologische Prozesse zum Einsatz. Die benötigte Energie entnehmen die Algen einfach dem Sonnenlicht. Das Verfahren ist also sehr ökologisch. Allerdings verursacht der Unterhalt der Algen hohe Kosten und ist somit wenig ökonomisch und wird deshalb kaum angewendet.
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 +===== Wasserstoffspeicherung =====
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 +Die Speicherung von Wasserstoff als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge stellt besondere Anforderungen an die Konstruktion von Wasserstoff-Tanks,​ einerseits im Hinblick auf Sicherheitsbedenken insbesondere in Unfallsituationen,​ andererseits aus ökonomischen Gesichtspunkten (z. B. Größe und Gewicht des Tanks im Verhältnis zur Reichweite des Fahrzeugs, Energieaufwand für die Kühlung, Wasserstoffverluste durch Diffusion).
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 +In Anbetracht der vorstehenden Überlegungen konkurrieren drei Speichermethoden miteinander:​
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 +    * die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,​
 +    * die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,
 +    * die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren.
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 +Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs,​ jedoch sind sie problematisch im Hinblick auf die Sicherheitskriterien. Bei einem Unfall mit H2-betriebenen Fahrzeugen können die Behälter leicht beschädigt werden und eventuell explodieren. Austretender Wasserstoff verdampft sofort und kann schwere Explosionen auslösen. Die Druckbehälter müssen also ausreichend gegen Beschädigungen gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und größeres Gewicht bedeutet. Ein weiteres Problem ist die "​Selbstentladung"​. Ein solcher Tank verliert seine Füllung in ca. 2 Wochen durch Diffusion des Wasserstoffs durch die Wände, da bei der geringen Molekülgrösse kein Material für ihn undurchlässig ist. Die Speicherung in Hydriden und Nanoröhren ist dagegen vergleichsweise sicher. Die Tanks sind allerdings sehr schwer, in einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs komplizierter,​ v. a. in größeren Mengen zur gleichen Zeit. Die dazu verwendete Technik erfordert hohes technisches und physikalisches Verständnis und hochwertige Bauteile. Diese Form der Speicherung kann daher sehr teuer werden.
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 +===== Energieversorgung =====
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 +Einen besonderen Stellenwert hat Wasserstoff in der Energiewirtschaft. So sind beispielsweise die wichtigen Energieträger Erdöl und Erdgas Wasserstoffverbindungen. Aber auch mit dem Element selbst verbindet man Hoffnung auf eine Wasserstoffwirtschaft. Zwei Technologien sind in dieser Richtung wegweisend: die Brennstoffzelle und die Kernfusion.
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 +**Siehe auch [[Brennstoffzelle]]**
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 +===== Sicherheitshinweise =====
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 +Wasserstoff ist ein hochentzündliches Gas. Von der EU und somit auch der deutschen Gefahrstoffverordnung ist er als Gefahrstoff eingestuft mit F+; R12
 +für „hochentzündlich“;​ seine Behälter müssen dementsprechend gekennzeichnet werden. Nach DIN EN 1089-3 werden H2-Druckgasflaschen mit roter Flaschenschulter und rotem Flaschenkörper versehen.
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 +In geringen Mengen ist Wasserstoff für Menschen ungiftig. In hohen Konzentrationen können allerdings Bewegungsstörungen auftreten. Weitere Exposition kann zur Bewusstlosigkeit und schließlich zum Erstickungstod führen. In einem solchen Falle ist die betroffene Person (unter Selbstschutz) an die frische Luft zu bringen und ein Arzt hinzuzuziehen. Bei einem Atemstillstand muss die Person künstlich beatmet werden.
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 +Beim Mischen mit Luft zu vier bis 76 Volumenprozent (Vol.-%) Wasserstoff entsteht Knallgas, das bereits durch einen wenig energiereichen Funken zur Explosion gebracht werden kann. In einem ausgewogenen Mischungsverhältnis von O2 und H2 kann eine Knallgasexplosion verheerende Wirkung haben. In jedem Fall ist darauf zu achten, keine leicht entzündlichen Materialien oder offene Flammen in der Nähe zu lagern. H2 reagiert auch heftig mit Chlor (Chlorknallgas) und Fluor.
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 +Wird molekularer Wasserstoff in einfachen Metalltanks gelagert, so kommt es wegen der geringen Molekülgröße zu Diffusion, das heißt Gas tritt langsam durch die Gefäßwände aus. Dies ist bei der Speicherung problematisch,​ insbesondere für Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge, wenn diese lange an einem abgeschlossenen Platz (Garage, Tiefgarage) stehen. (Siehe dazu den Abschnitt: Speicherung.) Zudem rechnet man beim Betanken mit relativ hohen Verlusten von einigen Prozent der Gesamtmenge. Flüssiger Wasserstoff in Metalltanks neigt bei Beschädigungen oder Lecks zur Selbstentzündung.
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 +Der Austausch von Wasserstoff-Isotopen in chemischen Verbindungen kann die Toxizität der entsprechenden Verbindung beeinflussen. So ist Schweres Wasser (D2O) - das Isotop 1H wurde gegen 2H (Deuterium) ausgetauscht - im Vergleich zu Wasser giftig für viele Lebewesen. Die für Menschen gefährliche Menge ist aber recht groß und im Regelfall kaum zu erreichen.Der Wasserstoff ist das chemischte element mit der ordnungs Zahl 1 und wird durch Elementsymbol H abgekürtzt.
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 +====== Links ======
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 +**Siehe auch [[Brennstoffzelle]]**
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 +  * http://​auto.pege.org/​2005-wasserstoff
 +  * http://​www.hycar.de Rund ums Thema Wasserstoffantrieb. Achtung die Probleme sidn nicht (richtig) dargestellt.
 +  * http://​www.photonik.de/​magazin/​nanotech/​pdf/​nanotechnik_2003_05.pdf Zitat: Um H2 zu verflüssigen braucht man 1/3 seiner Enregie ...
 +  * http://​www.hyweb.de darin http://​www.hyweb.de/​Wissen/​w-i-energiew.html Alles über Wasserstoff. Kritische Punkte muss man sich zusammensuchen z.B.: Brenstoffzelle:​ "200WK elektrisch und änhnlich termisch":​ Heist Wirkungsgrad 50%...
wasserstoff.txt · Zuletzt geändert: 2007/06/28 20:50 (Externe Bearbeitung)