Wasserstoff-herstellung
Filiformkorrosion
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Strangregulierventil


Wasserstoffnutzung
in der Haustechnik

 

Da die Sicherheitsanforderungen (Wasserstoff ist leichter als Luft und breitet sich deshalb bevorzugt nach oben aus und verteilt sich wegen seiner hohen Diffusivität sehr schnell) bei der Lagerung und Verwendung von Wasserstoff gegenüber anderer gasförmiger Energieträger (Erdgas, Propan, Methan) erheblich höher sind, ist der Einsatz in der Haustechnik noch in den Kinderschuhen.

Wasserstoff kann auch heute schon alle flammengebundenen Verbrennungen mit hohen Temperaturen (Heizöl, Erdgas, Diesel, Benzin, Holz und Kohle) für die Raumheizung, Trinkwassererwärmung, thermische Kraftwerke, Motoren und Prozesswärme ersetzen. Dazu müssen die bewährten und ausgereiften Wasserstoff-Technologien modifiziert werden, damit sie den Anforderungen an eine effiziente, schadstoffarme und sichere Energieumsetzung entsprechen.
So ist z. B. die katalytische Verbrennung (flammenlose Verbrennung) möglich, bei der der Wasserstoff an geeigneten Katalysatoroberflächen (Nickel, Platin) bereits bei Umgebungstemperaturen oxidiert und bei Temperaturen unter 500 °C praktisch keine Stickstoffoxid-Emissionen aufweist.

Wasserstoff kann in Brennstoffzellen, Wasserstoffbrennern, katalytischen Brennern, BHKW's (Motor), Verbrennungsmotoren (PKW, LKW) und Gasturbinen (Flugzeug) eingesetzt werden.

Wasserstoff und die magische Grenze von 3 €/kg  - Dr. Jens Hanke / Graforce Hydro GmbH

Wasserstoff
Wasserstoff ist das leichteste der chemischen Elemente und kommt als atomarer Wasserstoff unter normalen Bedingungen auf der Erde nicht vor. Hier liegt Wasserstoff in der dimerisierten Form als molekularer Wasserstoff H2 vor. Es ist ein hochentzündliches, farb- und geruchloses Gas. Wasserstoff ist Bestandteil des Wassers (H2O) und fasst aller organischen Verbindungen.
Beim Mischen mit Luft zu 4 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. Zur Wasserstoffgewinnung wird die Elektrolyse von Wasser eingesetzt. Hier wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

2 H2=>   2 H2 + O2

Richtig eingesetzt, ist es Grundlage der Brennstoffzellen und Wasserstoffbrenner.

Eigenschaften von Wasserstoff - Steckbrief - Hydrogeit / Dipl.-Ing. Sven Geitmann

Wasserstoffherstellung
Die Herstellung des molekularem Wasserstoffs (H2) kann mit verschieden Methoden aus Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), Biomasse und Elektrolyse erfolgen.
Serienreife Verfahren zur Wasserstoffherstellung
        · Elektrolyse (Spaltung von Wasser)
        · Biowasserstoff (Vergasung, Vergärung)
        · Photosynthese (Wasserstoff aus Grünalgen)
        · Dampfreformer (Erdgas)
        · Partielle Oxidation (Ölvergasung)
        · Autotherme Reformer (Methanolreformierung)

Wasserstoff - Herstellung, Speicherung, Ausblick - dieBrennstoffzelle.de

Elektrolyse


Elektrolyse
Quelle: Planet GbR

Die Elektrolyse ist eine chemische Reaktion, die unter Aufwand von elektrischer Energie abläuft. In jedem Wassersystem sind verschiedene Metalle vorhanden, die in dem Elektrolyt (Heizungswasser, besonders dann, wenn im System eine Biofilmbildung [Schwefelbildung] vorhanden ist) auf Grund der Unterschiede in der Spannungreihe zu eine Stromfluss führen. Auch durch die Erdung von Metallleitungen ist ein Stromfluss möglich.
Bei der Wasserelektrolyse handelt es sich um den Vorgang, welcher Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) umwandelt. Es entsteht Knallgas, das eine explosionsfähige Mischung ist. Bei dem Kontakt mit offenem Feuer (Flamme, Glut oder Funken) erfolgt die so genannte Knallgasreaktion.

Wasserstoff – Herstellung per Elektrolyse - Dipl.- Ing. Michael Wenske ENERTRAG AG

Eine Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen an den beiden Elektroden. In einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, dem sogenannten Elektrolyten, kommt es bei einem von außen erzwungenen Stromfluss (Gleichstrom) zur Zersetzung des Elektrolyten und einer Abscheidung von Stoffen an den Elektroden.
Die entstandenen negativ geladenen Ionen geben an der positiv geladenen Anode Elektronen ab, die über den Stromkreis zur Kathode wandern. Dort nehmen positiv geladene Ionen Elektronen auf. (Achtung: Die Bezeichnungen Kathode und Anode sind umgekehrt als bei der Brennstoffzelle!)
Quelle: dieBrennstoffzelle.de
Für die Wasserelektrolyse ergeben sich die folgenden Reaktionsgleichungen:

Kathode: 2 H2O + 2 e-  =>  H2 + 2 OH-
Anode: 2 H2O   =>  O2 + 4 H+ + 4 e-
Gesamtreaktion: 2 H2O   =>  2 H2 + O2

Biowasserstoff

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Photosynthese

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Brennstoffzelle
Funktionsweise
Quelle: Maxgym.musin
Betrachtung-Funktionsweise
Brennstoffzellen-Stack

 

Das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 von William Grove erkannt und in einer "Wasserstoff-Sauerstoff-Batterie" realisiert. Die Entdeckung des Dynamoprinzips durch Werner von Siemens im Jahre 1866 verdrängte allerdings die Bedeutung der Brennstoffzelle für die Stromerzeugung zunächst völlig.
In einer Brennstoffzelle wird die Enthalpie des Brennstoffes direkt in elektrische und thermische Energie gewandelt. Sie vermeidet damit Zwischenschritte bei der Energiewandlung und unterliegt nicht den Beschränkungen durch den Carnot-Wirkungsgrad, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist.
Die Arbeitsweise einer Brennstoffzelle ist mit der Umkehrung der Elektrolyse des Wassers vergleichbar. Während bei der Elektrolyse durch Zufuhr von elektrischer Energie das Wassermolekül in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird, reagieren in einer Brennstoffzelle H2 und O2 unter Abgabe von elektrischer und thermischer Energie zu Wasser.
Es gibt mehrere Typen von Brennstoffzellen. Unabhängig vom Typ besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die durch einen gasundurchlässigen, protonenleitenden Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden hingegen besitzen eine poröse Struktur und sind damit gasdurchlässig.

Das Herz einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol), die durch eine ionen-durchlässige Polymer-Membran getrennt sind. Dieser Elektrolyt ist ca. 0,1 mm dick und ähnelt einer Folie für Overhead-Projektoren. Diese Membran muss gasdicht sein, damit Wasserstoff und Sauerstoff nicht direkt miteinander reagieren können. Für Elektronen darf sie auch nicht passierbar sein, sie muss also elektrisch isolierend wirken. Sie muss jedoch protonen-durchlässig sein, das heißt Wasserstoff-Ionen dürfen passieren. Als Elektrolyt-Material kommen egal für welche Brennstoffzellen-Art nur wenige Materialien in Frage. Im Niedertemperatur-Bereich gibt es einige wenige Säuren oder Basen, die einsetzbar sind, und im Hochtemperatur-Bereich gibt es Oxid-Keramiken und Karbonate.

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Wasserstoffbrenner

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Betriebsverhalten eines Brennwertkessels mit katalytischem Wasserstoffbrenner - FH Stralsund Dipl.-Ing. Marcin Romanowski, Dipl.-Ing. (FH) Christian Sponholz, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Beckmann

BHKW
In größeren Leistungsbereichen werden bereits eine Vielzahl von BHKW-Anlagen betrieben. Bei kleineren Leistung werden seit einiger Zeit ebenfalls kompakte, anschlussfertige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Mini-BHKW) angeboten. Diese werden direkt im Heizraum aufgestellt.

Prinzip einer Wärme-Kraft-Kopplung
Quelle: BHKW-Infozentrum Rastatt

Die Verbrennungskraftmaschine (z. B. Motor, Gasturbine) treibt einen Generator an und stellt dadurch elektrischen Strom dem Verbraucher zur Verfügung. Evtl. kann der Motor auch direkt eine Maschine oder einen Verdichter (z. B. bei der Drucklufterzeugung) antreiben. Die Abwärme, welche im Motorblock anfällt (Kühlwasser, Öl), wird über einen Wärmetauscher zur Heizwassererwärmung verwendet. Die im Abgas enthaltene Energie wird entweder zur Dampferzeugung (Prozeßwärme) genutzt und/oder durch Wärmetauscher zur Trinkwassererwärmung. Als konventionelle Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung stehen die Dampfturbine, der Verbrennungsmotor sowie die Gasturbine zur Verfügung. Neuere Technologien wie die Brennstoffzelle oder der Stirlingmotor erweitern die bestehenden KWK-Technologien.

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Windgas
In der Zukunft wird es immer dringender, Ökostromüberschüsse aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen sinnvoll zu verwenden bzw. zu speichern. Der Ausbau der Stromnetze wird immer mehr abgelehnt und Stromspeicher, so z. B. Pumpspeicherkraftwerke (Wasser oder Druckluft) werden immer mehr abgelehnt, Batterien können nur kurzfristig speichern. Deshalb wird erneuerbarer Strom in Wasserstoff und Methan (EE-Gas - erneuerbares Gas) umgewandelt. Dieses Konzept wird auch "Power to Gas" genannt. Das gesamte deutsche Erdgasnetz steht mit sehr großen Speicherkapazitäten zur Verfügung. Es kann als Speicher für Ökostrom genutzt werden, denn es ist jetzt schon 45 mal so groß ist wie die Gesamtkapazität aller heute in Deutschland bestehenden Pumpspeicherkraftwerke.
Zur Zeit liefert Greenpeace Energy eG Erdgas, dem nach und nach Wasserstoff beigemengt wird, sobald dieser verfügbar ist. Aus technischen und regulatorischen Gründen darf nur bis zu einer Obergrenze von 5 % Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist werden. Wasserstoff, der nicht eingespeist werden kann, wir zu erdgasgleichem Methan umgewandelt. In der Zukunft können erneuerbarer Wasserstoff und erneuerbares Methan das fossile Erdgas zu 100 Prozent ersetzen.
Windstrom zu Windgas - Elektrolyseur
Quelle: Greenpeace Energy eG
Grundlage für die Umwandlung von Windstrom in Windgas ist das Elektrolyse-Verfahren. Hierbei wird der Strom, der z. B. nicht in das vorhandene Stromnetz eingespeist werden kann, eingesetzt, um Wasser in seine Grundstoffe (Wasserstoff und Sauerstoff) aufzuspalten. Der Wasserstoff wird durch die Elektrolyse mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 73 Prozent hergestellt.

Der freigesetzte Sauerstoff wird in die Atmosphäre, der Wasserstoff ins Gasnetz eingespeist. Durch ein weiteres chemisches Verfahren lässt sich überschüssiger Wasserstoff „methanisieren“. Das erneuerbare Methan kann das herkömmliche Erdgas langfristig vollständig ersetzen und damit den Übergang von fossilem zu erneuerbarem Gas leisten.

Windgas - Greenpeace Energy eG
Power to Gas
Power to Gas Anlage
Quelle: Frauenhofer IWES, ZSW - Sterner, Specht

Bei dem Konzept "Power to Gas" (PtG oder P2G) wird mit Hilfe von elektrischer Energie ein EE-Gas (z. B. Wasserstoff oder Methan) erzeugt, um die elektrischer Energie indirekt speichern zu können. Da die elektrische Energie hauptsächlich durch Wind und Solar erzeugt wird, spricht man hier auch von Windgas (Windstrom zu Windgas) oder Solargas (Methan aus Sonne und Wind).
Der "überschüssiger" Strom aus Windkraft-, PV- oder Wasserkraft-Anlagen wird in Wasserstoff oder synthetisches Erdgas umgewandelt und im Erdgasnetz gespeichert. Die Umwandlung von Strom in synthetisches Erdgas erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugt, anschließend folgt die Methanisierung (unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in synthetisches Methan).

Potenziale von Power-to-Gas Energiespeicher- Mareike Jentsch/Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES

Brennstoffzelle - dieBrennstoffzelle.de
Brennstoffzelle - Fa. Vaillant
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