N. Getoff

Wasserstoff als Energieträger

Herstellung, Lagerung, Transport
Mitarbeit:Hartig, K. L.; Kittel, G.; Peschek, G. A.; Solar, S.

• Broschiertes Buch

Produktbeschreibung

Der sprunghafte Anstieg des Erdölpreises in den letzten Jahren hat erst drastisch die Tatsache der Verschwendung fossiler Brennstoffe und darüber hinaus der Begrenztheit aller Ressourcen allgemein ins Bewußtsein gerufen. In West europa wird der Bedarf an Primärenergie zum größten Teil durch Erdöl, zum geringeren Teil durch Kohle und Wasser kraft und nur zu wenigen Prozenten durch Kernenergie ge deckt. Tatsächlich ist die Energieproblematik schon lange bekannt. Bereits 1961 haben die Vereinten Nationen eine internationale Konferenz über dieses Thema veranstaltet. In allen Ländern der Welt ist mittlerweile die in Zukunft noch steigende Bedeutung dieses Problems deutlich ge worden. Berücksichtigt man die nötige Steigerung der Lebensqualität v. a. in den Entwicklungsländern und den enormen Anstieg der Weltbevölkerung, kann mit Sicherheit eine Vergrößerung des Energieverbrauchs angenommen werden. Dabei sollte die Auf merksamkeit nicht nur auf primärenergiequellen,sondern auch auf die Entwicklung geeigneter Systeme zur Energieübertragung gerichtet werden. Bei der Diskussion der einzelnen Primär energiequellen v. a. hinsichtlich ihrer Reserven, Umweltbe lastung, ökonomie etc. zeigt sich die Bedeutung von Sonnen energie und Fusionsreaktoren für die fernere Zukunft. In gewissem Umfang kommen daneben Wasser-, Wind- und Gezeiten kraftwerke sowie die Ausnutzung geother~ischer Effekte und des thermischen Gradienten der Ozeane in Betracht. Als über brückung könnten Kernkraftwerke konventioneller Art erwogen werden, wobei ihr Einsatz in großem umfang noch einige Pro bleme aufwirft. Der Verbrauch von fossilen Brennstoffen sollte nach Möglichkeit reduziert werden, da diese als prak tisch einziges Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von pharma zeutischen und chemischen Synthesen kommenden Generationen zur Verfügung stehen sollten.

Produktdetails

• Verlag: Springer / Springer Vienna / Springer, Wien
• Artikelnr. des Verlages: 978-3-7091-7695-5
• Softcover reprint of the original 1st ed. 1977
• Seitenzahl: 436
• Erscheinungstermin: 30. März 2012
• Deutsch
• Abmessung: 244mm x 170mm x 24mm
• Gewicht: 747g
• ISBN-13: 9783709176955
• ISBN-10: 3709176956
• Artikelnr.: 39503489

Inhaltsangabe

1. Einleitung.- 1.1. Bedeutung von Wasserstoff.- 1.2. Rohstoffe.- 1.3. Primärenergiequellen.- 1.4. Literaturverzeichnis.- 2. Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse.- 2.1. Allgemeine Einleitung.- 2.2. Thermodynamische Betrachtungen.- 2.2.1. Grundprinzipien.- 2.2.2. Temperatureffekte.- 2.2.3. Druckeffekte.- 2.2.4. Wirkungsgrad und Energiebilanz.- 2.3. Mechanismen der Elektrodenreaktionen, Elektrodenkinetik.- 2.3.1. Ohm'sche Verluste.- 2.3.2. Konzentrationspolarisation.- 2.3.3. Aktivierungspolarisation.- 2.3.3.1. Wasserstoffüberspannung.- 2.3.3.2. Sauerstoffüberspannung.- 2.4. Elektrolyte.- 2.4.1. Wäßrige Elektrolyte.- 2.4.1.1. Saure Elektrolyte.- 2.4.1.2. Basische Elektrolyte.- 2.4.1.3. Meerwasser als Elektrolyt.- 2.4.1.4. Katalysatorzusätze.- 2.4.2. Adsorbierte Elektrolyte.- 2.4.3. Feststoff-Wasserdampf-Elektrolyte.- 2.5. Elektroden.- 2.5.1. Kathode.- 2.5.1.1. Saure Elektrolytlösungen.- 2.5.1.2. Alkalische Elektrolytlösungen.- 2.5.2. Anode.- 2.5.2.1. Saure Elektrolyte.- 2.5.2.2. Alkalische Elektrolyte.- 2.5.2.3. Anwendung von Depolarisatoren.- 2.6. Diaphragmen.- 2.7. Einzelne Verfahren im Detail.- 2.7.1. Konventionelle Zellen.- 2.7.1.1. Unipolare Tankzellen.- 2.7.1.2. Bipolare Zellen.- 2.7.1.3. Hochdruckelektrolysezellen.- 2.7.2. Neuere Entwicklungen.- 2.7.2.1. Hochdruckanlage mit porösen Elektroden.- 2.7.2.2. "Static feed"- Elektrolyseanlagen.- 2.7.2.3. Konzentrationszellen.- 2.7.2.4. Elektrolysezellen mit Polymermembranen.- 2.7.2.5. Wasserdampf-Feststoff-Elektrolyseanlagen.- 2.8. Kostenabschätzungen der H2O-Elektrolyse.- 2.8.1. Anlagekosten.- 2.8.2. Betriebskosten.- 2.9. Zusammenfassung.- 2.10. Literaturverzeichnis.- 2.11. Patentverzeichnis.- 3. Thermochemische Methoden zur Wasserstofferzeugung.- 3.1. Thermochemisch offene Systeme.- 3.1.1. Einleitung.- 3.1.2. Möglichkeiten der Wasserstofferzeugung.- 3.1.3. Primärenergiequellen.- 3.1.4. Einzelne Verfahren im Detail.- 3.1.4.1. Die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasserdampf.- 3.1.4.1.1. Direkte Verfahren.- 3.1.4.1.2. Kohlenmonoxidkonvertierung.- 3.1.4.1.3. Eisen-Wasserdampf-Verfahren.- 3.1.4.1.4. Phosphor-Dampf-Prozeß.- 3.1.4.1.5. Schwefel-Dampf-Prozeß.- 3.1.4.2. Die Erzeugung von Wasserstoff mit Kohle.- 3.1.4.2.1. Kohleentgasung (Verkokung).- 3.1.4.2.2. Kohlevergasung.- 3.1.4.3. Wasserstofferzeugung aus Erdgas.- 3.1.4.3.1. Direkte thermische Spaltung.- 3.1.4.3.2. Reformieren von Erdgas.- 3.1.4.4. Wasserstofferzeugung aus Erdöl.- 3.1.4.4.1. Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen und katalytisches Cracken.- 3.1.4.4.2. Partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen.- 3.1.4.4.3. Reformieren.- 3.1.4.5. Wasserstofferzeugung aus Methanol.- 3.1.4.6. Wasserstofferzeugung aus Ammoniak.- 3.1.4.7. Offene Systeme in Kombination mit Elektrolyse.- 3.1.5. Reinigungs- und Trennungsverfahren.- 3.1.5.1. Grobreinigung.- 3.1.5.1.1. Abtrennung von Schwefelverbindungen.- 3.1.5.1.2. C02-Abtrennung.- 3.1.5.2. Feinreinigung.- 3.1.5.2.1. Abtrennung des restlichen Kohlenmonoxids.- 3.1.5.2.2. Tieftemperatur-Trennverfahren.- 3.1.5.2.3. Diffusionstrennung.- 3.1.5.2.4. Adsorptive Trennung.- 3.1.6. Wirtschaftlichkeit.- 3.1.7. Zusammenfassung.- 3.1.8. Literaturverzeichnis.- 3.1.9. Patentverzeichnis.- 3.2. Wasserstofferzeugung durch geschlossene thermochemische Systeme.- 3.2.1. Allgemeine Einleitung.- 3.2.2. Thermodynamik geschlossener Zyklen.- 3.2.3. Zyklen, bei denen Wasserstoff durch Hydrolyse von Halogeniden gewonnen wird.- 3.2.3.1. Zyklen, die auf der Hydrolyse von Bromiden beruhen.- 3.2.3.2. Zyklen, die auf der Hydrolyse von Chloriden beruhen.- 3.2.4. Zyklen, die auf dem umgekehrten Deaconprozeß oder einer verwandten Reaktion beruhen.- 3.2.4.1. Zyklen mit Vanadiumchloriden.- 3.2.4.2. Zyklen mit Eisen- und Chromchlorid.- 3.2.4.3. Zyklen, die auf der Hydrolyse von Eisenchloriden beruhen.- 3.2.4.4. Zyklen mit Kupferchloriden.- 3.2.5. Zyklen mit Eisen- und Kohlenstoffoxiden.- 3.2.6. Zyklen mit Metallen und Alkalimetallen.- 3.2.6.1. Zyklen mit Hydrolyse des reinen oder amalgamierten Metalls.- 3.2.6.2. Zyklen mit Metalloxiden.- 3.2.6.3. Auf Jod basierende Zyklen.- 3.2.7. Sonstige Zyklen.- 3.2.7.1. Zyklen mit Oxiden und ähnliche Systeme.- 3.2.7.2. Zyklen mit der Hydrolyse von Seleniden.- 3.2.7.3. Methan-Zyklen.- 3.2.8. Mit Elektrolyse kombinierte Verfahren.- 3.2.9. Wirtschaftliche Betrachtungen.- 3.2.10. Literaturverzeichnis.- 4. Wasserstofferzeugung mit Hilfe von Sonnenenergie.- 4.1. Einführung in die Problematik.- 4.1.1. Sonne als Primärenergiequelle.- 4.1.2. Charakteristika der Sonnenstrahlung.- 4.1.3. Grundlagen der Wechselwirkung von Strahlung und Materie.- 4.1.3.1. Absorption, Anregung und Energieabgabe.- 4.1.3.2. Quantenausbeuten.- 4.1.3.3. Direkte Photolyse von Wasser.- 4.1.4. Literaturverzeichnis.- 4.2. Homogene Photoredox-Methoden.- 4.2.1. Einführung.- 4.2.1.1. Der Begriff "Photokatalysator".- 4.2.1.2 Wirkungsgrade.- 4.2.1.2.1. Grenzwirkungsgrad ?ult.- 4.2.1.2.2 Lichtabsorptions-Wirkungsgrad ?abs.- 4.2.1.2.3. Gesamtwirkungsgrad ?ges.- 4.2.1.3. Nachteile homogener Methoden.- 4.2.2. Methoden mit einfachen anorganischen Metallverbindungen.- 4.2.2.1. Zyklen mit Oxidation des Photokatalysators in der Lichtreaktion.- 4.2.2.2. Zyklen mit Reduktion des Photokatalysators in der Lichtreaktion.- 4.2.2.3. Zyklen mit Zweielektronenübergängen in der Lichtreaktion.- 4.2.3. Methoden mit Sensibilisation durch Jod.- 4.2.3.1. ?-Zyklus.- 4.2.3.2. ð-Zyklus.- 4.2.4. Photoredox-Methoden mit binuklearen Komplexen.- 4.2.4.1. Theoretische Überlegungen.- 4.2.4.2. Hydrid-Komplexzyklen.- 4.2.5. Monomolekulare Komplex-Schichten als Photokatalysator.- 4.2.6. Vergleiche und Zusammenfassung.- 4.2.7. Literaturverzeichnis.- 4.3. Heterogene Photoredox-Methoden (Photoelektrochemische Methoden).- 4.3.1. Einführung in allgemeine Grundlagen.- 4.3.1.1. Grundlagen der Halbleitertechnik.- 4.3.1.2. System: Halbleiter/Elektrolyt.- 4.3.1.3. System: Halbleiter/Elektromagnetische Strahlung (Photoeffekte).- 4.3.1.3.1. Photovoltaischer Effekt.- 4.3.1.3.2. Photogalvanischer Effekt.- 4.3.1.4. Mechanismen der Elektrodenreaktionen.- 4.3.1.5. Quantenausbeuten.- 4.3.1.6. Wirkungsgrade.- 4.3.1.6.1. Spannungswirkungsgrad für offene Stromkreise ?Vo.- 4.3.1.6.2. Photonenstromwirkungsgrad ??.- 4.3.1.6.3. Strom/Spannungswirkungsgrad ?iV.- 4.3.1.6.4. Elektrischer Wirkungsgrad ?el.- 4.3.1.6.5. Gesamtwirkungsgrad für PEC- Halbzellen ?PEC.- 4.3.1.7. Einteilung photoelektrochemischer Zellen.- 4.3.1.7.1. Kontinuierliche photoregenerative Zellen.- 4.3.1.7.2. Zyklische photoregenerative Zellen.- 4.3.1.7.3. PEC-Zellen mit Chemikalienverbrauch.- 4.3.2. Reine Halbleiter als Elektroden.- 4.3.2.1.. Einführung in die Problematik an Hand von n-TiO2.- 4.3.2.2. Verbesserte Methoden.- 4.3.2.2.1. Andere Halbleiter.- 4.3.2.2.2. Anlegen einer Hilfsspannung.- 4.3.2.2.3. In Serie-Schalten einer photo-galvanischen Zelle.- 4.3.2.2.4. Heterogene PEC-Zelle.- 4.3.2.2.5. p-Typ-Halbleiter als Kathode.- 4.3.2.3. Einige Verfahren im Detail.- 4.3.2.3.1. n-Tio2-Anoden.- 4.3.2.3.2. Neu entwickelte Halbleiter-Elektroden-Materialien.- 4.3.2.4. Elektroden mit anodischen Oxidfilmen.- 4.3.2.4.1. Grundprinzipien.- 4.3.2.4.2. Praktische Anwendungen.- 4.3.3. Photoelektrische Methoden mit sensibilisierten Halbleiterelektroden.- 4.3.3.1. Einführung in die theoretischen Grundlagen.- 4.3.3.1.1. Nichthalbleitende Farbstoffe als Sensibilisatoren.- 4.3.3.1.2. Halbleitende Farbstoffe als Sensibilisatoren.- 4.3.3.1.3. Bedingungen für eine effiziente Photosensibilisierung.- 4.3.3.2. Untersuchungen zur praktischen Anwendbarkeit.- 4.3.3.2.1. Dünne Farbstoff-Filme.- 4.3.3.2.2. Dicke Pigmentfilme.- 4.3.4. Elektronische Prozesse und Photosensibilisierung in Membranen und Micellen.- 4.3.4.1. Einführung.- 4.3.4.2. Praktische Anwendungen.- 4.3.4.2.1. Membranen.- 4.3.4.2.2. Micellen.- 4.3.5. Farbstofflösungen als Elektrolyte.- 4.3.5.1. Theoretische Grundlagen.- 4.3.5.2. Einige praktische Beispiele.- 4.3.5.2.1. Reduktion als Lichtreaktion.- 4.3.5.2.2. Oxidation als Lichtreaktion.- 4.3.5.2.3. Mehrstufensysteme.- 4.3.6. Vergleiche und Abschätzungen der einzelnen Methoden.- 4.3.7. Literaturverzeichnis.- 4.4. Biologische Wasserstoffgewinnung.- 4.4.1. Einleitung und Übersicht.- 4.4.2. Biochemische Mechanismen der Wasserstoffbildung.- 4.4.2.1. Allgemeine Grundlagen, Hydrogenase-Reaktion.- 4.4.2.2. Fermentative Wasserstoffbildung.- 4.4.2.3. Photosynthetische Wasserstoffbildung.- 4.4.2.3.1. Photosynthetische Bakterien.- 4.4.2.3.2. Blaualgen und pflanzliche Photosynthese."Energy Farming".- 4.4.2.3.3. Eukaryotische Algen.- 4.4.3. Bisherige Erfahrungen mit Systemen zur photobiologischen Wasserstoffproduktion.- 4.4.3.1. Systeme mit intakten Zellen.- 4.4.3.2. Zellfreie Systeme.- 4.4.3.3. Indirekte Verfahren.- 4.4.4. Zusammenfassung.- 4.4.5. Literaturverzeichnis.- 5. Möglichkeiten der Wasserstoffgewinnung durch hochenergetische Strahlung.- 5.1. Allgemeine Einleitung.- 5.2. Quellen für hochenergetische Strahlung.- 5.2.1. Kernkraftreaktoren.- 5.2.1.1. Homogenreaktoren.- 5.2.1.2. Heterogene Kernkraftreaktoren.- 5.2.1.3. Chemonukleare Reaktoren.- 5.2.2. Gebrauchte Kernbrennstoffelemente.- 5.2.3. Maschinen.- 5.2.4. Kernfusion.- 5.2.4.1. Allgemeine Grundlagen.- 5.2.4.2.. Kernreaktionen.- 5.3. Physikalisch-chemische Prozesse.- 5.3.1. Absorption hochenergetischer Strahlung im Wasser, Primärprozesse der Wasserradiolyse.- 5.3.2. LET-Effekt.- 5.3.3. Einfluß der Dosisleistung.- 5.3.4. Einfluß des pH-Wertes.- 5.3.5. Einfluß des Bewegungszustandes.- 5.3.6. Gas-Flüssigkeits-Volumenverhältnis.- 5.3.7. Druckeinfluß.- 5.3.8. Temperatureinfluß.- 5.3.9. Einfluß des Aggregatzustandes.- 5.3.10. Einfluß der elektrischen Leitfähigkeit.- 5.3.11. Stoffeinflüsse.- 5.3.12. Einfluß des Luftsauerstoffes.- 5.3.13. Radiolyse von Kohlenwasserstoffen.- 5.3.14. Radiolyse von CO2.- 5.4. Wasserstoffherstellung.- 5.4.1. Im Homogenreaktor.- 5.4.2. Im Heterogenreaktor.- 5.4.3. Aus Kohlenwasserstoffen.- 5.4.4. Die CO2-Radiolyse im chemonuklearen Reaktor.- 5.4.5. Durch Kernfusion.- 5.5. Aspekte und ökonomische Betrachtungen der Wasserstoff-gewinnung.- 5.5.1. Homogenreaktor.- 5.5.2. Chemonuklearer Reaktor (CO2-H2O-System).- 5.5.3. Kernfusion.- 5.6. Zusammenfassung.- 5.7. Literaturverzeichnis.- 6. Lagerung von Wasserstoff.- 6.1. Einleitung.- 6.2. Lagerung von Wasserstoffgas.- 6.3. Lagerung von flüssigem Wasserstoff.- 6.3.1. Allgemeines.- 6.3.2. Ortho-Para-Wasserstoff-Umwandlung.- 6.3.3. Kryogene Lagerung von Wasserstoff.- 6.3.3.1. Einwand-Behälter.- 6.3.3.2. Doppelwand-Behälter.- 6.3.3.3. Unterirdische Tanks.- 6.4. Wasserstoff-Lagerung als Metallhydrid.- 6.4.1. Allgemeines.- 6.4.2. Metallhydride.- 6.4.3. Anwendung der Hydride.- 6.5. Wasserstoff-Lagerung als chemische Verbindung.- 6.6. Möglichkeiten zur Lagerung von atomarem Wasserstoff.- 6.7. Literaturverzeichnis.- 7. Transport und Distribution von Wasserstoff.- 7.1. Einleitung.- 7.2. Transport und Distribution von gasförmigem Wasserstoff.- 7.3. Transport von flüssigem Wasserstoff.- 7.4. Sicherheitsaspekte.- 7.5. Literaturverzeichnis.- 8. Zusammenfassung.