Wie funktioniert Wasserstoff als Energie?
Wie funktioniert Wasserstoff als Energie?

Wie funktioniert Wasserstoff als Energie?

WAS IST EINE WASSERSTOFF-BRENNSTOFFZELLE UND WIE FUNKTIONIERT SIE?

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle nutzt die chemische Energie des Wasserstoffs zur Stromerzeugung. Es ist eine saubere Energieform, bei der Strom, Wärme und Wasser die einzigen Produkte und Nebenprodukte sind.

Brennstoffzellen bieten eine Vielzahl von Anwendungen, vom Transportwesen bis zur Notstromversorgung, und können Systeme so groß wie ein Kraftwerk oder so klein wie ein Laptop mit Strom versorgen.

Brennstoffzellen bieten Vorteile gegenüber herkömmlichen verbrennungsbasierten Technologien, darunter höhere Wirkungsgrade und geringere Emissionen. Da Wasserstoff-Brennstoffzellen nur Wasser emittieren, werden keine Kohlendioxidemissionen oder andere Schadstoffe in die Atmosphäre freigesetzt. Brennstoffzellen sind auch während des Betriebs leise, da sie weniger bewegliche Teile als Verbrennungstechnologien haben.

Wie funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle?

Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion. Jede Brennstoffzelle hat zwei Elektroden; eine negative Anode und eine positive Kathode. Die Reaktion zur Stromerzeugung findet an diesen Elektroden statt, wobei ein Elektrolyt elektrisch geladene Teilchen zwischen sich trägt und ein Katalysator die Reaktionen beschleunigt.

Wasserstoff fungiert als Basisbrennstoff in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, aber die Zelle benötigt auch Sauerstoff, um zu funktionieren. Einer der größten Vorteile dieser Brennstoffzellen besteht darin, dass sie Strom mit sehr geringer Umweltverschmutzung erzeugen, da sich der zur Stromerzeugung verwendete Wasserstoff und Sauerstoff verbinden, um als Nebenprodukt Wasser zu erzeugen. Zellen, die reinen Wasserstoff als Brennstoff verwenden, sind vollständig kohlenstofffrei.

Andere Arten von Brennstoffzellensystemen umfassen solche, die Kohlenwasserstoffbrennstoffe wie Erdgas, Biogas oder Methanol verwenden. Da Brennstoffzellen eher eine elektrochemische Reaktion als eine Verbrennung verwenden, können sie höhere Wirkungsgrade erreichen als mit herkömmlichen Energieerzeugungsmethoden. Dies kann durch Blockheizkraftwerke weiter verbessert werden, die die Abwärme der Zelle für Heiz- oder Kühlanwendungen nutzen.

Der Ablauf einer Brennstoffzelle lässt sich wie folgt zusammenfassen:

1-An der Anode treten Wasserstoffatome ein, während an der Kathode Sauerstoff zugeführt wird

2-An der Anode werden die Wasserstoffatome in Protonen und Elektronen getrennt

3-Die nun positiv geladenen Protonen gelangen durch die Membran (oder den Elektrolyten) zur Kathode, wobei die negativ geladenen Elektronen einen anderen Weg nehmen, da sie durch einen Stromkreis gezwungen werden, Strom zu erzeugen

4-Nach Durchlaufen des Kreislaufs und entsprechend der Membran treffen die Elektronen und Protonen an der Kathode aufeinander, wo sie sich mit Sauerstoff verbinden und als Nebenprodukte Wärme und Wasser erzeugen.

Einzelne Brennstoffzellen erzeugen keine große Menge Strom, daher werden sie in Stapeln angeordnet, um genügend Strom für ihren beabsichtigten Zweck zu erzeugen, sei es ein kleines digitales Gerät oder ein Kraftwerk.

Brennstoffzellen funktionieren wie Batterien, aber im Gegensatz zu Batterien werden sie nicht leer oder müssen aufgeladen werden und können weiterhin Strom produzieren, während die Brennstoffquelle (in diesem Fall Wasserstoff) zugeführt wird.

Da eine Brennstoffzelle aus einer Anode, einer Kathode und einer Elektrolytmembran besteht, gibt es keine beweglichen Teile, was sie im Betrieb geräuschlos und äußerst zuverlässig macht.

Vor-und Nachteile

Es gibt eine Reihe von Vor- und Nachteilen im Zusammenhang mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Zu den Vorteilen gehören:

Haltbarkeit
Energiesicherheit
Brennstoffflexibilität
Hohe Wirkungsgrade
Niedrige / Null-Emissionen
Leiser Betrieb
Verlässlichkeit
Skalierbarkeit

Zu den Herausforderungen im Zusammenhang mit Brennstoffzellen gehören:

1. Kosten

Die Kosten von Brennstoffzellen können angesichts der Verwendung von Platin als eines der größten Komponentenmaterialien hoch sein. Es wird daran gearbeitet, Ansätze für Nicht-Platin-Katalysatoren zu finden

2. Wasserstoffextraktion

Die Gewinnung von Wasserstoff zur Verwendung in Brennstoffzellen kann viel Energie erfordern, um die umweltfreundlichen Vorteile der Verwendung von Brennstoffzellen zu untergraben

3. Infrastruktur

Es muss die Infrastruktur geschaffen werden, um die zunehmende Verwendung von Brennstoffzellen zu unterstützen, einschließlich der Nachrüstung von Fahrzeugen

4. Sicherheit

Die Entflammbarkeit von Wasserstoff wirft offensichtliche Sicherheitsbedenken für seine weit verbreitete Verwendung auf

Wofür werden sie benutzt?

Wasserstoff-Brennstoffzellen bieten eine Reihe von Anwendungen, von der Stromversorgung unserer Häuser und Geschäfte bis hin zum Bewegen von Fahrzeugen wie Autos, Bussen und Zügen und mehr. Hier eine Auswahl von Brennstoffzellenanwendungen:

1. Macht

Brennstoffzellen fungieren als Energiequellen für eine Vielzahl kommerzieller, industrieller und privater Anwendungen. Diese reichen von Häusern bis hin zu Raumfahrzeugen und Forschungsstationen. Brennstoffzellen sind besonders nützlich für abgelegene Standorte, da sie keine beweglichen Teile haben, was bedeutet, dass sie sehr zuverlässig und ausfallsicher sind. Ideale Bedingungen bieten eine Zuverlässigkeit von bis zu 99,9999 %, was einer Ausfallzeit von weniger als einer Minute alle sechs Jahre entspricht.

2. Kraft-Wärme-Kopplung

Durch Kraft-Wärme-Kopplung lassen sich Brennstoffzellen noch effizienter machen. Hier werden Brennstoffzellensysteme zur Stromerzeugung eingesetzt, während die entstehende Abwärme zum Heizen von Gebäuden oder zum Betreiben von Kühlsystemen genutzt wird. Blockheizkraftwerke können einen Wirkungsgrad von 85 % erreichen (davon 40-60 % elektrisch). Diese Systeme können jedoch kostspielig sein und eine relativ kurze Lebensdauer haben sowie Platz einnehmen, da ein Warmwasserspeicher benötigt wird.

3. Transport

Brennstoffzellen können für eine Vielzahl von Transportanwendungen verwendet werden, von Automobilen über Busse, Schiffe, Züge und Flugzeuge. Brennstoffzellen werden auch in Motorräder, Fahrräder und Roller eingebaut.

Bis Ende 2019 wurden 18.000 Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) geleast oder verkauft, und diese Autos haben eine durchschnittliche Reichweite zwischen 314 und 380 Meilen zwischen den Betankungen, während das Betanken weniger als fünf Minuten dauert, was diese Technologie gegenüber batteriebasierten Fahrzeugen konkurrenzfähig macht Elektroautos, die viel länger zum Aufladen brauchen.

Darüber hinaus verbrauchen mit Wasserstoffgas betriebene Brennstoffzellen rund 40 % weniger Energie und emittieren 45 % weniger Treibhausgase als Verbrennungsmotoren. Um jedoch eine wirklich praktikable Option zu sein, müssen viele der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Speicherung, dem Transport und der Gewinnung von Wasserstoff angegangen werden.

Trotz der Herausforderungen rund um Brennstoffzellen-Autos erweisen sich Brennstoffzellen-Busse bereits als effektiv, während Gabelstapler ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Nachfrage nach Wasserstoff sind. Gabelstapler sind von besonderem Interesse, da sie häufig in Innenräumen betrieben werden müssen, in denen Emissionen kontrolliert werden müssen.

Dies bedeutet, dass häufig elektrische Gabelstapler verwendet werden, aber Brennstoffzellen bieten Vorteile gegenüber Batterieantrieb, einschließlich schnellerem Auftanken und fehlender Degradation bei niedrigen Betriebstemperaturen, wie beispielsweise in Kühlhäusern.

Brennstoffzellen wurden auch für bemannte Luftfahrzeuge verwendet, wobei häufig eine Kombination von Technologien verwendet wurde, wie z. B. eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle mit einem Batteriehybrid als Backup während der Tests.

Brennstoffzellen werden immer häufiger in unbemannten Luftfahrzeugen sowie zur Bereitstellung von Hilfsenergie in Flugzeugen eingesetzt und ersetzen fossile Brennstoffe für Anwendungen wie das Starten der Triebwerke und die Versorgung der Bordelektrik.

Brennstoffzellen wurden auch für Touristenboote auf den Kanälen von Amsterdam verwendet, und die deutsche und italienische Marine haben Brennstoffzellen verwendet, um U-Booten wochenlang unter Wasser zu bleiben und gleichzeitig den geräuschlosen Betrieb zu verbessern.

4. Tragbare Stromversorgung

Tragbare Brennstoffzellensysteme werden so klassifiziert, dass sie weniger als 10 kg wiegen und weniger als 5 kW Leistung erzeugen. Diese Zelltypen haben ein breites Anwendungsspektrum für die Stromversorgung kleiner Geräte mit 1-50 W und für die größere Stromerzeugung von 1-5 kW für abgelegene Standorte.

Die kleineren Mikrobrennstoffzellen zielen darauf ab, Märkte wie mobile Geräte und Laptops mit Vorteilen wie Energiedichte und Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien zu erreichen. Eine Marktdurchdringung würde einige Weiterentwicklungen in der Brennstoffzellentechnologie erfordern, um die Kosten zu senken, aber das Versprechen längerer Nutzungszeiten zwischen den Ladevorgängen ist verlockend.

Größere tragbare Stromversorgungen sind vielversprechend für den Freizeitsektor, das Militär und geografisch abgelegene industrielle Anwendungen wie Wetterstationen. Der Vorteil dieser größeren, aber dennoch tragbaren Zellstacks ist die Energiemenge, die im Vergleich zu Batterien pro Gewicht erzeugt werden kann.

5. Andere Anwendungen

Die oben aufgeführten Verwendungen sind nur einige Beispiele dafür, wo Brennstoffzellen verwendet werden könnten. Andere Anwendungen umfassen Stromversorgung für Basisstationen und Mobilfunkstandorte, dezentrale Stromerzeugung, Notstromsysteme als Backup für den Fall, dass andere Systeme ausfallen, Telekommunikation, Grundlastkraftwerke, Solar-Wasserstoff-Brennstoffzellen-Wasserheizung, tragbare Ladestationen für kleine elektronische Geräte , kleine Heizgeräte, Lebensmittelkonservierung für Schiffscontainer (Aufbrauchen des Sauerstoffs durch Stromerzeugung) und elektrochemische Sensoren.

Wer hat Wasserstoff-Brennstoffzellen erfunden?

Die ersten Brennstoffzellen wurden 1838 von Sir William Grove erfunden, jedoch dauerte es über ein Jahrhundert später, bis Brennstoffzellen nach der Erfindung der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle durch Francis Thomas Bacon im Jahr 1932 erstmals kommerziell genutzt wurden.

Alkalische Brennstoffzellen, nach ihrem Erfinder auch als „Bacon-Brennstoffzelle“ bekannt, werden seit Mitte der 1960er Jahre von der NASA verwendet, um Satelliten und Raumkapseln mit Strom zu versorgen.

Wie lange halten sie?

Die genaue Lebensdauer einer Brennstoffzelle hängt davon ab, wofür sie verwendet wird, ebenso wie davon, wie sich Batterien je nach Anwendung unterschiedlich schnell entladen. Beispielsweise können Wasserstoff-Brennstoffzellenautos jetzt jedoch im Durchschnitt zwischen 312 und 380 Meilen zurücklegen, bevor sie aufgetankt werden müssen.

Die Brennstoffzellen-Stacks in Autos sind für die Lebensdauer des Fahrzeugs ausgelegt, die etwa 150.000 bis 200.000 Meilen beträgt. Nach Ablauf ihrer Lebensdauer können Brennstoffzellen zerlegt und stofflich recycelt werden.

Sind Wasserstoff-Brennstoffzellen eine erneuerbare Energiequelle?

Der Überfluss an Wasserstoff im Universum bedeutet, dass Wasserstoffbrennstoffzellen eine erneuerbare Energiequelle sind. Sie sind auch eine saubere Methode der Energieerzeugung, obwohl es immer noch einige Bedenken hinsichtlich der Verwendung fossiler Brennstoffe für die Wasserstoffgewinnung sowie beispielsweise des potenziellen CO2-Fußabdrucks im Zusammenhang mit dem Wasserstofftransport gibt.

Die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie hat jedoch das Potenzial, eine vollständig grüne und erneuerbare Energiequelle zu sein, wobei die einzigen Nebenprodukte Wärme (die anderweitig verwendet werden kann) und Wasser sind.

Darüber hinaus werden Brennstoffzellen nicht leer oder müssen wie Batterien aufgeladen werden, solange eine konstante Brennstoff- und Sauerstoffquelle vorhanden ist.

Sind sie gefährlich?

Wasserstoff hat den höchsten Entflammbarkeitsbereich und den niedrigsten Zündenergiepunkt aller Kraftstoffe, was zu offensichtlichen Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von Wasserstoff-Brennstoffzellen führt. Trotzdem hat die National Fire Protection Association der Vereinigten Staaten festgestellt, dass wasserstoffbetriebene und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge nicht gefährlicher sind als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Einer der Gründe dafür ist die Geschwindigkeit, mit der sich Wasserstoff in die Luft auflöst. Wasserstoff diffundiert mit einer Geschwindigkeit von 32 km/h direkt in den Weltraum. Solange er also nicht lange genug in einem Behälter oder einer Struktur eingeschlossen ist, um sich in großen Mengen anzusammeln, sollte er nicht zu gefährlich sein.

Es wurden auch Tests an Wasserstofftanks in Fahrzeugen durchgeführt, bei denen eine Kollision simuliert und aus nächster Nähe geschossen wurde. Das Militär hat sogar eine raketengetriebene Granate an der Seite des Wasserstofftanks festgeschnallt, um einen direkten Treffer zu simulieren, und simulierte auch Schrapnellschäden. In allen Fällen wurde festgestellt, dass Wasserstoffkraftstoff nicht gefährlicher als flüssige Kraftstoffe ist und in den meisten Fällen weniger gefährlich ist.

Tatsächlich könnte argumentiert werden, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge sicherer sind als Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV). Die Energie in einem BEV entweicht nicht wie bei Wasserstoff in die Atmosphäre, sodass später die Gefahr besteht, dass benachbarte Zellen Feuer fangen oder explodieren. Es ist auch schwierig, einen BEV-Batteriebrand zu löschen, der giftige Dämpfe erzeugt.

Natürlich werden Wasserstoff-Brennstoffzellen seit über einem Jahrzehnt ohne größere Zwischenfälle in großem Umfang für Gabelstapler eingesetzt, während Tausende von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen bereits auf unseren Straßen unterwegs sind.

Bei Verwendung im Freien gilt Wasserstoff als sicherer als andere Kraftstoffarten, aber er kann immer noch gefährlich sein, wenn er an einem Ort gelagert oder aufbewahrt wird, an dem er nicht entweichen kann. Allerdings halten Experten Wasserstoff nicht für gefährlicher als andere Kraftstoffe; Es ist alles eine Frage des Erlernens eines sicheren Umgangs damit.

Sind Wasserstoff-Brennstoffzellenautos die Zukunft?

Es gibt viele Hersteller, die die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie untersucht haben, und einige haben wasserstoffbetriebene Autos in kleinen Stückzahlen entwickelt, aber könnten sie unseren zukünftigen Transportbedarf decken?

Wasserstoff wird seit Jahren zum Antrieb von Motoren verwendet und ist das am häufigsten vorkommende Element auf unserem Planeten, während die Fähigkeit, viel Strom in einem kleinen Gerät zu erzeugen, bedeutet, dass mit Wasserstoff betriebene Autos viel weiter fahren könnten als reine Elektrofahrzeuge. Es gibt auch Vorteile in Bezug auf Emissionen, was ihn zum saubersten verfügbaren Kraftstoff macht.

Die Nachfrage nach saubererem Transport ist eindeutig, da der Absatz von batteriebetriebenen Elektroautos im Jahr bis November 2020 im Vergleich zu den vorangegangenen 12 Monaten um 162 % gestiegen ist. Das bedeutet aber auch, dass viele Hersteller statt auf Wasserstoff in Elektrofahrzeuge investieren. Ein weiteres Hindernis für die Einführung ist die fehlende Infrastruktur mit zu wenigen Wasserstofftankstellen, die die Fahrer nutzen können, wie sie es beim Benzin- und Dieseltanken können.

Trotz dieser Schwierigkeiten gibt es eine Reihe von Gründen, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen die Zukunft des Autos sein könnten; nicht zuletzt die Umweltvorteile, die Betankungszeiten im Vergleich zum Batterieladen und die Fülle an Kraftstoff.

Viele Hersteller betrachten bereits Wasserstoff als Ergänzung zum Strom, der derzeit über die Lebensdauer eines Fahrzeugs etwa die gleiche Menge an CO2 produziert (124 g/km für Elektrofahrzeuge und 120 g/km für Wasserstoff-Brennstoffzellen). Die Verwendung von Biomasse zur Gewinnung von Wasserstoff könnte jedoch dazu führen, dass die Lebenszyklusemissionen von Brennstoffzellenautos auf etwa 60 g/km CO2 sinken; deutlich niedriger als bei Elektroautos.

Um jedoch wirklich die Zukunft des Autos zu werden, müssen Wasserstoff-Brennstoffzellen in die Technologie und die unterstützende Infrastruktur investiert werden, um ein leicht verfügbares Auftanken zu ermöglichen. Bis dahin werden Wasserstoff-Brennstoffzellen nicht mit Elektrofahrzeugen oder Benzin und Diesel konkurrieren können.

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