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Über dieses Buch

„Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik“ bietet einen allgemeinen Überblick über die verschiedenen Aspekte von Eigenschaften, Erzeugung, Speicherung und Anwendung von Wasserstoff. Schwerpunkte liegen auf der Thermodynamik der Speicherung von Wasserstoff sowie auf der Anwendung in der Fahrzeugtechnik und in der Energietechnik. Mit Bezug zu Forschungsvorhaben an der TU Graz und dem HyCentA wird der aktuelle Stand der Technik fundiert dargestellt. Als eigener Abschnitt wurde in dieser Auflage die Brennstoffzelle zur Stromerzeugung für Elektroantriebe

ergänzt. Ein Verfahren zur Wasserstoffproduktion durch Pyrolyse aus Glycerin wurde neu aufgenommen. Ergänzt wurden Abschnitte über aktuelle Anwendungen, über Verbrennungsmotoren für Gemische aus Wasserstoff und Methan, über Werkstoffe sowie Fragen von Wirkungsgrad und CO2-Emissionen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Energie und Umwelt

Zusammenfassung
Die Zunahme der Weltbevölkerung, die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und deren geografisch ungleiche Verteilung, die steigende Umweltbelastung durch die Emission von Schadstoffen sowie der Klimawandel zählen zu den größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Um unsere künftige Energieversorgung sicherzustellen wird neben der Steigerung der Effizienz und der Nutzung eines breiteren Spektrums an Energiequellen wohl auch ein bewussterer Umgang mit Energie erforderlich sein.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

2. Geschichtliches

Zusammenfassung
Wasserstoff wurde schon vom Schweizer Naturforscher Theophrastus Bombastus von Hohenheim, bekannt als Paracelsus (1493–1541), aus der Reaktion von Metallen und Säure hergestellt und beschrieben, allerdings erkannte er Wasserstoff nicht als eigenes Element. Die Bezeichnung „Gas“ geht auf den von Paracelsus benutzten Begriff „Chaos“ für die schäumenden Produkte seiner Versuche zurück.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

3. Grundlagen

Zusammenfassung
Wasserstoff (H, Hydrogenium = Wasserbildner) ist das kleinste und einfachste Atom, es besteht nur aus einem Proton als Kern, das von einem Elektron umkreist wird.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

4. Erzeugung

Zusammenfassung
Da Wasserstoff in seiner reinen Form nicht natürlich vorkommt, muss er unter Einsatz von Primärenergie aus Verbindungen gewonnen werden. Dazu sind eine Reihe von Technologien bekannt und im Einsatz, die sich in der Art der eingesetzten Energieträger und der genutzten Wasserstoffverbindungen unterscheiden. Neben dem Wirkungsgrad der Herstellung ist die Emission von CO2 ein wichtiges Beurteilungskriterium. Der vorliegende Abschnitt gibt zunächst einen allgemeinen Überblick über die wichtigsten Herstellungsverfahren und geht dann auf zwei CO2-freie Verfahren näher ein, die am HyCentA untersucht wurden, nämlich die elektrolytische und die chemische Wasserspaltung.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

5. Speicherung und Transport

Zusammenfassung
Aufgrund der geringen Dichte des Wasserstoffs stellen Speicherung und Transport bei ausreichender Energiedichte technische und wirtschaftliche Herausforderungen dar.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

6. Verbrennungsmotoren

Zusammenfassung
Das Prinzip des Wasserstoffverbrennungsmotors beruht auf einem konventionellen Verbrennungsmotor (zumeist fremdgezündet, was aus den nachfolgenden Ausführungen auch erklärlich wird), der durch Änderungen am Gemischbildungssystem, Brennverfahren etc. für ausschließlichen oder bivalenten Betrieb mit Wasserstoff adaptiert und mit Wasserstoff oder wasserstoffreichen Gasen als Kraftstoff betrieben werden kann. Neben den erforderlichen Änderungen an der Mototrsteuerung ist natürlich sicher zu stellen, dass alle Materialien und Komponenten, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen, dafür geeignet sind.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

7. Gemische aus Wasserstoff und Methan

Zusammenfassung
Aufgrund seiner spezifischen Vorteile ist der Verbrennungsmotor der am weitesten verbreitete Energiewandler in der automotiven Anwendung. Der Verbrennungsmotor kann unterschiedliche flüssige und gasförmige Kraftstoffe verarbeiten und ist hinsichtlich Leistungsdichte, Kosteneffizienz und Robustheit anderen Antrieben überlegen. Weltweit sind über 1 Mrd. Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen zu Lande und zu Wasser sowie in stationären Anwendungen in Betrieb. Es ist davon auszugehen, dass der Verbrennungsmotor noch über viele Jahrzehnte der vorherrschende Antrieb bleiben wird.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

8. Brennstoffzellen

Zusammenfassung
Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Im darauf folgenden Jahr konnte der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove auf dieser Basis die erste Brennstoffzelle entwickeln, siehe Abschnitt Geschichtliches. Die Brennstoffzelle konnte sich jedoch gegen die zeitgleich entwickelten mechanisch angetriebenen Dynamomaschinen zur Stromerzeugung nicht durchsetzen. Ihre Anwendung blieb auf Spezialgebiete beschränkt, so hat sie sich als Energiequelle in der Raumfahrt bewährt. In letzter Zeit wird wieder intensiv an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet, die als zukünftiger Energiewandler gilt, der emissionsfrei und mit hohem Wirkungsgrad unabhängig von fossilen Kraftstoffen betrieben werden kann.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

9. Weitere Anwendungen

Zusammenfassung
Etwa die Hälfte des industriell genutzten Wasserstoffs wird im Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak verwendet, der als Ausgangsstoff für die Erzeugung von Stickstoffdünger dient. Ein weiteres Viertel des Wasserstoffs wird in Raffinerieprozessen zur Verarbeitung von Erdöl eingesetzt, insbesondere zur Entschwefelung (Hydrofining) und zum Hydrocracking. Wasserstoff und Kohlenmonoxid (Synthesegas) bilden auch die Ausgangsstoffe für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus Gas, Biomasse oder Kohle nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren sowie für die Erzeugung von Methanol.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

10. Werkstoffe, Recht und Sicherheit

Zusammenfassung
Der Vollständigkeit halber folgt ein kurzer Überblick über sicherheitsrelevante Aspekte von Wasserstoff und seinen technischen Anwendungen. Der gefahrlose Umgang mit Wasserstoff setzt die Kenntnis seiner Eigenschaften und die Beachtung daraus folgender Sicherheitsmaßnahmen voraus. Dies reicht von der richtigen Werkstoffwahl bis zur Beachtung der Richtlinien des Explosionsschutzes. In den letzten Jahren werden vermehrt Anstrengungen unternommen, entsprechende international gültige Regulierungen zu formulieren.
Helmut Eichlseder, Manfred Klell

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