3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER

Die Bezeichnung „Wasserstoff“ existiert bereits seit dem Jahr 1787. In diesem Jahr „taufte“ der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als „hydrogene“ (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach „Wasser-Bildner“.

Wasserstoff (H) tritt hauptsächlich als Molekül auf, da sich meist zwei Wasserstoff-Atome zusammentun zu H2. In der Natur kommt auch das H2- Molekül nur selten allein vor, weil es sich meist sehr schnell ein Sauerstoffatom (O) sucht und zu Wasser (H2O) reagiert. In wässrigen Lösungen bilden sich H3O+-Ionen.

Die Reaktion

verläuft bei einer Entzündung als Kettenreaktion ab

3.1 Chemische & physikalische Eigenschaften

Unter Umgebungsbedingungen ist Wasserstoff gasförmig (GH2: engl. Gaseous Hydrogen). Die maximale Temperatur von flüssigem Wasserstoff (LH2: engl. Liquid Hydrogen) beträgt bei Umgebungsdruck lediglich -253 °C. Die einzige Substanz, die einen noch tieferen Siedepunkt aufweisen kann, ist Helium (-270 °C).

Wasserstoff ist:

 ungiftig und nicht reizend

 umweltneutral, nicht wassergefährdend

 geruchlos

 geschmacksneutral

 unsichtbar

 leicht flüchtig

 im Freien nicht explosiv

 nicht radioaktiv

 nicht krebserzeugend

Die wichtigsten Kenngrößen:

Einige Merkmale:

 Häufigstes Element im Weltall mit etwa 55 % Gewichtsanteil.

 Dritthäufigstes Atom in der Erdkruste, Massenanteil: 0,15 Prozent.

 1/6000 der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Schwerer Wasserstoff“ = Deuterium = D mit 1 Neutron im Atomkern.

 1/Billiarden der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Überschwerer Wasserstoff“ = Tritium = T mit 2 Neutronen im Kern; Tritium zerfällt nach 12 Jahren in das Helium-Isotop (3 He).

 Kann auch mit anderen Oxidanten als Sauerstoff reagieren, z. B. mit Chlor oder Lachgas.

 Brennt im ultravioletten Bereich (310 nm). Kann Sonnenbrand verursachen.

 10mal geringere Wärmeabstrahlung bei der Verbrennung im Vergleich zu anderen Brenngasen, wegen des Mangels an Kohlenstoff.

 Molekül-Aufspaltung: H2  2H (AH = 437,6 kJ/mol)

 Verbrennung:  (+ 289,5 kJ/mol = 0,08 kWh/mol = 40,2 kWh/kgH2)

 Wasser enthält 11,2 Gew.-% Wasserstoff.

 Die Entspannung von Wasserstoff bei Normaltemperatur führt zu einer geringfügigen Erwärmung („negativer Joule-Thompson-Effekt“), weil der Umkehrpunkt von Wasserstoff (TU = -73 °C) im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.

 Wasserstoff kann durchaus sicher gehandhabt werden, solange seine speziellen Eigenschaften - manchmal besser, manchmal schlechter und manchmal nur anders im Vergleich zu anderen Kraftstoffen - berücksichtigt werden.

Weitere Informationen über das Verhalten von Wasserstoff, die Entzündungswahrscheinlichkeit usw. im Kapitel 17.6 H2-Sicherheitsmaßnahmen.

3.1.1 Knallgas-Probe

Wasserstoff (H2) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar Energie abgegeben (exotherme Reaktion).

Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff oder Chlorgas als Ausgangsprodukte beteiligt. Derartige Gemische heißen auch Knallgas-Gemische. Die optimalen Mischungsverhältnisse kommen nach den Gasgesetzen von Gay-Lussac immer in ganzen Zahlen vor:

Wasserstoff: Sauerstoff = 2:1 und Wasserstoff: Chlor = 1:1.

Im Labor erfolgt der Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgas-Probe. Diese Probe dient auch zur Überprüfung, ob in einem Gas ein Knallgas-Gemisch vorliegt. Ertönt bei der Entzündung ein lauter pfeifender Knall, handelt es sich um Knallgas, bei einem harmlosen, dumpfen Geräusch ist nur reiner Wasserstoff vorhanden.

3.1.2 Flüchtiger Wasserstoff

Wasserstoff ist sehr leicht flüchtig. Dies spiegelt sich im großen Diffusionskoeffizienten sowie dem großen Dichteunterschied zu Luft wieder. Gelangt gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung, durchmischt er sich sehr schnell mit Luft und unterschreitet dementsprechend rasch die untere Zündgrenze (4 Vol.-%). Der hohe Diffusionskoeffizient und die geringe Viskosität haben ihre Ursache in den sehr kleinen Molekülen. Dies bewirkt, dass er sich sehr rasch mit Luft vermischt und relativ leicht durch enge Spalten entweichen kann.

Wird flüssiger Wasserstoff freigesetzt, erwärmt sich dieser durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz gegenüber Luft relativ schnell, so dass er verdampft. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie bei Benzin entsteht somit nicht, und es breiten sich auch keine brennbaren Dämpfe am Boden aus. Falls jedoch ein großer Tankbehälter schlagartig seinen gesamten Inhalt freisetzt oder eine LH2-Leitung für flüssigen Wasserstoff abreißt, so dass sich doch eine Lache bildet, verdampft diese sehr schnell (0,4 bis 0,8 mm/s) (s. auch Kap. 17.6).

3.2 Material-Wechselwirkungen

Neben einer guten Kenntnis über die Stoffeigenschaften von Wasserstoff ist es darüber hinaus hilfreich und aus Sicherheitsgründen notwendig, auch das Verhalten anderer Stoffe beim Kontakt mit diesem Medium zu kennen. Dies betrifft sowohl die für das Kraftstoffsystem verwendeten Materialien, als auch andere Substanzen, mit denen der Kraftstoff im Unglücksfall in Kontakt kommen könnte (z. B. Hydrauliköl, Schmieröl, Kühlflüssigkeit, Dichtungsgummis usw.).

Besonders bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der damit verbundenen niedrigen Temperatur auf besondere Sorgfalt bei der Materialwahl zu achten (Kalt-Versprödung). Wie diese Bezeichnung schon erahnen lässt, ist die Kalt-Versprödung begründet in den niedrigen Temperaturen, die viele Materialien spröde und hart macht. Je niedriger die Temperatur ist, desto empfindlicher werden die Substanzen gegen äußere Einflüsse wie Stoß oder Verformung. Die Werkstoff-Kunde hat in diesem Bereich jedoch bereits ausreichende Erkenntnisse über das Materialverhalten verschiedener Legierungen, so dass auch für den kryogenen Bereich geeignete Werkstoffe zur Verfügung stehen.

Unabhängig von der Kalt-Versprödung gibt es noch ein ganz spezielles Material-Problem im Zusammenhang mit dem Medium Wasserstoff, die so genannte Wasserstoff-Versprödung, wobei es hierfür verschiedene Ursachen gibt. Einmal gibt es die H2-Versprödung bei Umgebungstemperatur, wobei atomarer Wasserstoff in die Metallgitter eindringen kann. Neben der Aufspaltung des Wasserstoff-Moleküls entsteht atomarer Wasserstoff ebenfalls durch die Dissoziation von Gasen (z. B. H2S, HCl, HCN). Die Versprödung tritt dann speziell an der Oberfläche bei plastischer Verformung infolge von äußeren Krafteinwirkungen auf, weil der Zusammenhalt des Metallgitters geschwächt ist. Die bei der Verformung in das Werkstück eingebrachte Energie wird als Dissoziationsenergie genutzt, so dass atomarer Wasserstoff in das Gefüge eindringt und dort die Bindungskräfte aufhebt.

Außerdem kann es bei Temperaturen oberhalb von 200 °C zu einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff oder anderen Legierungsbestandteilen von legiertem Stahl kommen. Dabei handelt es sich um eine irreversible Umstrukturierung des Metallgitters (Bildung von Blasen oder Rissen), die ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Darüber hinaus können Dichtigkeitsprobleme auftreten. Wasserstoff-Moleküle sind sehr klein und können durch enge Ritzen und Spalten entweichen. Verbindungsstellen und Dichtungen, die eigentlich wasser- und luftdicht sind, können diese Moleküle passieren lassen.

Normalerweise werden in der Kryogen-Technik Metalle wie Kupfer, Aluminium und Titan nebst deren Legierungen sowie Eisen-Nickel-Legierungen und austenitische Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Edelstahl ist im Allgemeinen auf Grund seiner Struktur gut geeignet für tiefkalte Armaturen, weil auch bei niedrigen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Zähigkeit vorliegen. Wird dieses Material jedoch in kaltem Zustand plastisch verformt, kann es zu einer Strukturveränderung kommen (austenitisch wechselt in martensitisch) mit...