Wasserstoff

Eigenschaften und physikalische Daten von Wasserstoff

Wasserstoff ist

• gasförmig (unter Standardbedingungen)
• farblose
• geruchlos
• geschmacklos
• explosiv, aber im Gegensatz zu anderen Energieträgern in engen Detonationsgrenzen
• brennbar und verbrennt mit unsichtbarer Flamme, wobei wenig Wärme abgegeben wird
• 14 mal leichter als Luft (leichtester Stoff überhaupt) und entweicht deshalb schnell nach oben
• in Wasser fast unlöslich, dagegen leicht löslich in manchen Metallen (Pt, Pd)
• weder giftig, noch krebserregend oder fruchtschädigend
• nicht selbstentzündlich
• nicht zerfallsfähig
• nicht radioaktiv
• nicht korrosiv

Dichte	0,0899 kg/Nm3 (gasförmig)
	0,07079 g/cm3 (flüssig)
Siedepunkt	-252,2°C
Schmelzpunkt	-259,2°C
spezifische Wärmekapazität	cp=14,199 kJ/(K kg)		cV=10,074 kJ/(K kg)
Zündgrenze in Luft	4,0 - 75,0 Vol.%
Detonationsgrenze in Luft	18,3 - 59,0 Vol.%

Brennwert und Heizwert von Wasserstoff

Bei der Verbrennung (Oxidation) von wasserstoffhaltigen Verbindungen wird Wasser gebildet. Aus thermodynamischer Sicht kann dieses Produktwasser (unabhängig von der Temperatur) flüssig oder gasförmig anfallen. Je nachdem wird die Reaktionsenthalpie (Verbrennungswärme) dann als Brennwert (früher "oberer" Heizwert) oder Heizwert (früher "unterer" Heizwert) bezeichnet. Die Energiedifferenz von Brenn- und Heizwert entspricht der Verdampfungsenthalpie (bzw. Kondensationsenthalpie) von Wasser. Beim Brennwert fällt Wasser flüssig an, daher ist die Verdampfungsenthalpie enthalten und der Brennwert ist vom Betrag her größer als der Heizwert.

Heizwert: H₂ + 1/2 O₂ -> H₂O_(g)   DH = -241,8 kJ/mol

MJ		kWh
10,79 MJ/Nm3		3,00 kWh/Nm3
120,00 MJ/kg		33,33 kWh/kg

Brennwert: H₂ + 1/2 O₂ -> H₂O_(l)   DH = -285,8 kJ/mol

MJ		kWh
12,75 MJ/Nm3		3,54 kWh/Nm3
141,85 MJ/kg		39,40 kWh/kg

Hier gibt es noch weitere Informationen zu Wasserstoff und Energie.

Heizwert im Vergleich zu anderen Energieträgern

Der Energieinhalt von einem Liter Benzin entspricht

Steinkohle		1,04 kg
Braunkohle		3,77 kg
Brennholz		2,10 kg
Heizöl		1,02 l
Methanol		1,96 l
Erdgas		0,96 m3
Wasserstoff gasförmig		3,04 m3
Wasserstoff flüssig		3,60 l

Löslichkeit in Wasser (im Vergleich zu Sauerstoff und Stickstoff)

	Wasserstoff		Sauerstoff		Stickstoff
Temperatur	ml/l	mg/l	ml/l	mg/l	ml/l	mg/l
0°C	21,48	1,917	48,89	69,80	23,54	29,41
20°C	18,19	1,624	31,03	44,30	15,45	19,30
40°C	16,44	1,467	23,06	32,82	11,84	14,79
60°C	16,00	1,428	19,46	27,78	10,23	12,78
80°C			17,61	25,14	9,58	11,97
100°C			17,00	24,27	9,50	11,87

Bezogen auf 0°C, Partialdruck Gas 1013 hPa, Gesamtdruck 1013 hPa.
Quelle: Rolf Kaltofen et al.; Tabellenbuch Chemie; VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (1986)

Probleme bei der Wasserstoffspeicherung: Energieinhalt von Wasserstoff im Vergleich mit anderen Energieträgern

Massebezogene Speicherdichte in kWh/kg^*

^*bezogen auf den Heizwert

Volumenspezifische Speicherdichte in kWh/l^* (logarithmische Skala)

^*bezogen auf den Heizwert

Wasserstoff besitzt durch sein geringes Gewicht die beste massebezogene Energiedichte aller Brennstoffe. Gerade im mobilen Bereich ist jedoch die volumenspezifische Energiedichte weitaus interessanter, und die ist bei Wasserstoff um einige Größenordnungen geringer als bei flüssigen Energieträgern. Nur bei Flüssigwasserstoff ist die volumenspezifische Energiedichte konkurrenzfähig. Nachteile wirken sich hier jedoch hohe Verdampfungsverluste ("Selbstentladung") und aufwändige Kryospeicher aus. Metallhydridspeicher bieten eine brauchbare volumenspezifische Energiedichte, sind aber durch die schlechte massebezogene Energiedichte zu schwer für den mobilen Einsatz. Außerdem ist je nach Legierung ein thermisches Management zur Entnahme von Wasserstoff notwendig. Hochdruckspeicher auf Basis von Kompositwerkstoffen arbeiten mit Drücken bis über 800 bar und erreichen so ähnlich hohe volumenspezifische Energiedichten wie flüssiger Wasserstoff. Leider muss für die hohe Komprimierung viel Energie aufgebracht werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad der gesamten Energieumwandlungskette leidet. Nanospeicher mit einer fantastischen Speicherfähigkeit von 10 Gew.% Wasserstoff geistern immer wieder durch die Presse. Leider gibt es noch keine verfügbaren Systeme.

Erläuterungen:
Die Energieangaben beziehen sich jeweils auf den Heizwert. Die Werte "ohne Speicher" sind zum Teil aus den jeweiligen thermodynamischen Daten berechnet, zum Teil aus der Literatur entnommen. Bei den Werten "mit Speicher" wurden Volumen bzw. Masse des Speichers mit typischen Werten einberechnet.

Abkürzungen:

CH2 Druckwasserstoff (compressed hydrogen)
LH2 flüssiger Wasserstoff (liquid hydrogen)
NG Erdgas (natural gas)
CNG Erdgas unter Druck (compressed NG)
LNG flüssiges Erdgas (liquid NG)

Quellen:

P. W. Atkins: Physikalische Chemie; VCH (1990)
C. Carpetis: Globale Umweltvorteile bei Nutzung von Elektroantrieb mit BZ und/oder Batterien im Vergleich zu Antrieben mit Verbrennungsmotor; DLR-Bericht Nr. 22 (2000)
H. Buchner: Energiespeicherung im Metallhydriden; Springer-Verlag Wien (1982)
K. Heinloth: Energie; Teubner Studienbücher Physik (1983)

weitere Links zum Thema Wasserstoff finden Sie auf meiner Link-Seite

zurück zu www.pemfc.de

letzte Änderung: 2022-12-07, Dr. Alexander Kabza