Hallo zusammen
Wer weiss etwas, ueber den Stand der Wasserstoff-Energie-Forschung und deren Verwirklichung ?
Energie
Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Er kommt aus dem Griechischen und heisst Arbeitsinhalt.
Energieformen:
● Mechanische Energie
Kinetische E
Potentielle E (Lage-E)
Schwingungs - E
Elastische E
Schall
Wellen
● Thermische und Innere Energie
Thermodynamik (umgangssprachlich Wärmeenergie)
● Elektrische und Magnetische Energie
Elektrische Energie
Magnetismus
Elektromagnetische Schwingungen
● Bindungsenergie
Chemische Energie
Kernenergie
Kernfusionsenergie
Klassierung:
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●Klassierung ●Energieform ●Bemerkungen
Nicht Kohle Limitierte Vorräte Fossile E
Erneuerbar Erdöl Limitierte Vorräte Fossile E
Erdgas Limitierte Vorräte Fossile E
Uranerz Limitierte Vorräte
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Erneuerbar Sonnenstrahlung
Wasserkraft Indirekte Sonnenenergie
Wind Indirekte Sonnenenergie
Meereswellen Indirekte Sonnenenergie
Gezeiten Indirekte Sonnenenergie
Biomasse Indirekte Sonnenenergie
Abfall Indirekte Sonnenenergie
Prozessabwärme Indirekte Sonnenenergie
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Praktisch
unerschöpflich Erdwärme Geothermie
Fusionsbrennstoff
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Beispiele: (Von unten nach oben)
Energie in Kilo-Joule (kJ)
Energie zum Anschlagen einer Schreibmaschinentaste 0.001
Energie zum Heben von 1kg auf 10 m Höhe 0.1
Energie um 1 kg Eis von 0 oC zu Wasser
von 0 oC zu schmelzen 334
Energie um 1 kg Wasser von 0 oC auf 100 oC aufzuwärmen 418,7
Energie um 1 kg Wasser von 100 oC in Dampf
von 100 oC zu verdampfen 2’258
Energie zum Betrieb einer 100 Watt-Lampe
während ½ h 10
Kinetische Energie eines mit
100 km/h fahrenden Autos 1000
Energie, die beim Verbrennen von
1 kg Holz frei wird 14000
Energiebedarf eines arbeitenden Menschen
in der Woche 10hoch5
Energie, die beim Verbrennen von einer Tonne Steinkohle frei wird 10hoch7
Energie, die für den Abschuss einer Rakete
benötigt wird 10hoch9
Energie, die bei der Explosion einer
Atombombe frei wird 10hoch11
Energie, die aller österreichischen Kraftwerke
im Jahr liefern 10hoch13
Energie, die bei der Explosion einer
Wasserstoffbombe frei wird 10hoch15
Energie, die bei einem sehr schweren Erdbeben
frei gesetzt wird 10hoch17
Energiebedarf der gesamten Welt im Jahr 10hoch19
Energie, die die Erde im Jahr von der Sonne auffängt 10hoch21
Energie, die die Sonne in einer Sekunde abgibt 10hoch23
Kinetische Energie des Mondes auf seiner Bahn
um die Erde 10hoch27
Kinetische Energie der Erde auf ihrer Bahn
um die Sonne 10hoch29
Energie, die die Sonne in einem Jahr abgibt 10hoch31
Energieabgabe der Sonne in einem Jahrhundert 10hoch33
Kinetische Energie der Rotationsbewegung
der Sonne 1038
Kernspaltung:
Bei jeder Spaltung eines Kernes U 235 werden etwa 200 MeV (MegaElektronenVolt) freigesetzt.
Bei einer vollständigen Spaltung von 1 kg U 235 entsteht ein Massendefekt von rund 1 g.
Dies entspricht einer Energie von etwa 9 x 10hoch13 J
Dies entspricht 2500 Tonnen Steinkohle oder
25 x 10hoch4 kWh oder 20’000 Tonnen TNT Sprengstoff.
Kernfusion:
Einen grösseren Energiegewinn bringt die Kernfusion.
Aus 5 Deuterium-Kernen entstehen verschiedene Helium-Kerne plus weitere Teilchen.
Die Bildung von etwa 1 g (Gramm) Helium liefert eine Energie von 200 MWh (MegaWattStunden) =
7.2 x 10 hoch 8 KiloJoule).
Bei der Entstehung von einem Heliumatom wird die Energie (Bindungsenergie) von
W(He) = 0.453 x 10 hoch minus 11 Joule frei.
(W = Symbol für Arbeit oder Energie)
Die Anzahl der in 1 kmol enthaltenen Atome beträgt
N = 6.02 x 10 hoch 26.
Daher ergibt sich für die bei der Entstehung von
1 kmol Helium frei werdende Energie von:
W(He) = 0.453 x 10 hoch minus 11 Joule multipliziert mit 6.02 x 10 hoch 26 = 2.73 x 15 Joule.
Die Kernfusionsformel besagt:
Die Sonne und alle anderen FixSterne gewinnen die von ihnen ausgestrahlte Energie durch die Verschmelzung von jeweils 4 Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern.
Bei dieser Kernfusion wird die Energie von:
W = 2.73 x 10 hoch 15 J entsprechend 8 x 10 hoch 8 kWh
(KiloWattStunden) frei.
Vergleich Kernfusion - Kernspaltung:
Kernspaltung:
Bei einer vollständigen Spaltung von
1 kg Uran 235 entsteht ein Massendefekt
von rund 1 g. Dies entspricht einer Energie
von etwa 9 x 10 hoch 10 kJ Dies entspricht 2500 Tonnen Steinkohle
oder 25 x 10hoch4 kWh oder
20’000 Tonnen TNT Sprengstoff.
Kernfusion:
Die Bildung von etwa 1kg (KiloGramm) Helium liefert
eine Energie von 200’000 MWh (MegaWattStunden)=
7.2 x 10 hoch 11 kJ
Weitere Vergleiche:
Wenn man den Heizwert der Steinkohle mit rund
32 x 10 hoch 6 Joule pro KiloGramm ansetzt, so wird bei der Verbrennung von 1 kg Steinkohle die Energie:
W = 32 x 10 hoch 3 kJ = 10 kWh (KiloWattStunden) frei.
Zusammenfassung:
Die freiwerdende Energie ist
bei der Kernfusion rund 20millionenmal so gross und
bei der Kernspaltung rund 2millionenmal so gross
wie bei der Verbrennung der gleichen Masse Steinkohle.
Wärme
Die Energie, die bei der Berührung eines heissen Körpers mit einem kalten Körper von selbst überfliesst, heisst Wärme. Wärme fliesst immer vom höheren auf den tieferen Zustand. Nie umgekehrt.
Temperatur
Die Atome und Moleküle aller Stoffe weisen eine ständige, ungeordnete thermische Bewegung auf. Die Temperatur eines Körpers ist ein Mass für die thermische Bewegung seiner Atome und Moleküle.
Beispiele (von oben nach unten)
Urknalltemperatur 10(hoch 28)
Kernfusion 100’000’000
Sonnenkern 15’000’000
Lufterhitzung bei Blitzeinschlag 30’000
Sonnenoberfläche 5’500
Solaröfen (Bündelung der Strahlen) 5’000
Elektrischer
Induktionsschmelzofen bis 5’000
Verbrennung von Aluminium 3’500-4’100 Acetylenflamme in O2 3’300
Kontrollierte nukleare Reaktion 2’720
Faden einer Glühbirne 2’200
Zündung im Automotor 2’000
Bunsenbrenner 1’800
Schweissbrenner 1’600
Gasherd 1’600
Erwärmung eines Spaceshuttle
bei Wiedereintritt in die
Erdatmosphär 1’500
Kohlenfeuer 1’400
Eisen schmilzt 1’200
Eisen glüht 1000
Diamanten verbrennen 800
Leuchtgas entzündet sich 600
Damf einer Lokomotive 400
Motorblock eines Autos 200
Frittierung 175
Wasser kocht 100
Alkohol kocht 78
Durchschnittliche Oberflächen-
temperatur der Erde 14
Gefrierpunkt des Wassers 0
Kohlendioxid schmilzt
(unter Druck) -57
Flüssiger Stickstoff kocht -196
Luft wird flüssig -200
Flüssiges Helium kocht -269
Absoluter Nullpunkt -273
Energieumwandlung
Die einzelnen Energieformen können ineinander umgewandelt werden, ohne dass sich die Energiemenge ändert. Man muss dann aber bei der Umwandlung von einem Wirkungsgrad von 100% ausgehen (Was nie erreicht wird).
Energie kann nicht erzeugt, sondern nur umgewandelt werden.
Beispiele:
Motor = elektrische/chemische Energie in
Bewegungsenergie
Generator = Bewegungsenergie in elektrische Energie
Batterie = chemische Energie in elektrische
Energie
Tauchsieder = elektrische Energie in Wärmeenergie
Thermoelement= Wärmeenergie in elektrische Energie
Bremse = Bewegungsenergie in Wärme
Mechanische Energie in thermsche Energie
(Reibung bei Bremsvorgängen)
Mechanische Energie in elektrische Energie
(Wasserturbine treibt Stromerzeuger)
Thermische Energie in Mechanische Energie
(Dieselmotor treibt LKW)
Wärmeenergie in elektrische Energie
(Dampfturbine treibt Stromerzeuger)
Elektrische Energie in Mechanische Energie
(Elektromotor treibt Werkzeugmaschine)
Elektrische Energie in Thermische Energie
(Tauchsieder heizt Wasser)
Motor
Beim Motor wird elektrische oder chemische Energie in Bewegungsenergie umgesetzt. Entweder als Elektromotor oder Verbrennungsmotor mit Kraftstoff. Häufig entsteht bei dieser Energieumwandlung auch Wärmeenergie. Entweder durch Reibung und/oder durch die Verbrennung.
Einheiten der Energie:
Joule (J), Kilojoule (kJ), KiloWattStunden (kWh), KiloKalorien (kcal), ElektronenVolt (eV), erg, kpm (Kilopond x Meter).
Wirkungsgrad
Die Energieumwandlung hat in der Praxis häufig grosse Nachteile. Im Prinzip ist es nicht möglich eine Energieform in eine andere Energieform verlustfrei zu wandeln. Bei der Umwandlung von Energieformen entsteht immer ein Energieverlust Wv. Es handelt sich dabei um eine Energieform, die nicht gewünscht ist (z.B. Wärme).
Deshalb ist der Wirkungsgrad immer kleiner als 1. Besonders bei hohen Leistungen ist man bestrebt den Wirkungsgrad möglichst nahe an 1 zu halten.
Häufig wird der Wirkungsgrad in Prozenten ausgedrückt, also :
η = P(ab)/P(zu)● 100 % (P=Leistung, η=Wirkungsgrad)
Thermischer Wirkungsgrad: (q=Wärmeenergie)
η = q(nutz)/q(zu) =
[q(zu)-q(ab)]/q(zu) = 1 - [q(ab)/q(zu)]
Gesamtwirkungsgrad
Bei einer mehrfachen Energieumsetzung bzw.-übertragung ergibt sich der Gesamtwirkungsgrad als Produkt der einzelnen Wirkungsgrade.
ηGes = η1 ● η2 ● η3 …
Zur Erinnerung: Ein paar Wirkungsgrad-Beispiele (in %)
Kolbendampfmaschine: 10-20
OTTO-Motor: 20-32
Diesel-Motor: 30-38
Elektromotor: 70-95
Fahrraddynamo: 20-60
Drehstrommotor: 90-95
Wechselstrommotor: 70
Verbrennungsgasturbine: 25-30
Dampfturbine: 25-35
Oel-, Kohlekraftwerk: 35-40
Erdgaskraftwerk: 50-60
Kohlekraftwerk: 25-50
Wärmekraftwerk mit Wärme-Kopplung bis 98
Aeltere Atomkraftwerke: 30-40
Kernkraftwerk: 40-45
Wasserturbine: 90-95
Windkraftwerk bis 50
Blei-Akkumulator: 75
Solarzelle: 5-30
Thermoelement: 3-8
Glühlampe: 1.5
Transformator: 90-99
Radio-Empfänger 5
Elektroherd: 50-60
Wasserstoff-Brennstoffzelle: 80-85(Praxis ca 50)
Photosynthese: 35
Glühwürmchen: bis 95
Bemerkungen:
Die zur Gewinnung des Energieträgers (Beispiel Oel, Wasserstoff, etc.) notwendige Energieaufwendung ist bei den Beispielen nicht berücksichtigt.
Fuer jeden Energieträger gibt es mehrere Herstellungsvarianten. Also auch unterschiedliche Energie - Aufwendungen.
Fuer eine möglichst realistische und objektive Aussage müsste diese Korrektur vorgenommen werden.
Verbrennungswärme (oder Heizwert)
Die Verbrennung ist die Oxidation brennbarer Stoffe unter Flammenbildung. Bei der vollständigen Verbrennung sind die Verbrennungsprodukte bei allen organischen Brennstoffen Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Bei unvollkommener Verbrennung von Koks und Holzkohle tritt Kohlenmonoxid (CO) auf. Unter dem Heizwert H versteht man das Verhältnis der bei der Verbrennung frei werdenden Wärmemenge zur Masse des verbrannten festen oder flüssigen Brennstoffes.
Früher wurde dieser Heizwert H als „unterer Heizwert“ Hu bezeichnet, im Gegensatz zum „oberen Heizwert“ Ho (jetzt Verbrennungswärme), der um die zur Verdampfung des entstehenden Wassers nötige Wärmemenge grösser ist. Physik und Technik rechnen mit dem Heizwert H, die Chemie dagegen mit der Verbrennungswärme. Bei gasförmigen Brennstoffen bezieht man den Heizwert H auf das Volumen Vn im Normzustand, d.h. auf
pn = 101.325 kPa (=760 Torr)
und Tn = T0 = 273.15 K (0 oC).
Spezifische Verbrennungswärme in kJ/kg einiger Stoffe:
Holz, lufttrocken (ca. 12-15 % Feuchte) : 15000-20000
Holz trocken(mit 20 % Feuchte) : 20000
Holz frisch(ca.35-40 % Feuchte) : 8500
Kork : 26000
Karton : 15000-16000
Papier : 15000-17000
Torf : 16000
Gummi : 34000
Heizoel : 38000-40000
Erdoel : 40000-41000
Erdgas : 42000-46000
Stadtgas : 30000
Diesel : 40000-43000
Benzin : 45000
Petroleum : 40000-41000
Holzkohle : 30000-33000
Steinkohle: : 25000-35000
Braunkohle : 22000-25000
Teer : 34000
Acetylen: : 50000
Reiner Kohlenstoff: : 30000-32000
Methanol : 20000
Ethanol : 27000
Methan : 55000
Ethan : 52000
Propan : 50000
Butan : 49000
Oktan : 44500
Ethylen : 50500
Propylen : 48900
Polyethylen (PE) : 44500
Abfall-Querschnitt(Haushalt) : 25000-30000
Kohlenmonoxid: : 10000
(Je länger die C-Kette, desto höher der Wert!)
Wasserstoff : 140000-145000
Man bemerke den riesigen Unterschied von Wasserstoff im Vergleich zu den oben stehenden Energieträgern.
Zum Vergleich:
Um 1 kg Wasser von 0 Grad C auf 100 Grad C aufzuwärmen, ohne Verdampfen benötigt man:
4.187 kJ/kg x 100 = 418.7 kJ/kg;
Um 1 kg Wasser von 0 oC auf 100 oC, mit Verdampfen, zu erwärmen benötigt man:
4.187 kJ/kg x 100 + 2256kJ/kg*= 2674.7 kJ/kg.
(Verdampfungswärme für Wasser: 2256 kJ/kg)
d.h. wir könnten mit 1 kg Holz (18986 kJ/kg) etwa 18986/2674.6 = 7.1 kg Wasser verdampfen,
Mit 1 kg Wasserstoff: 53.1 kg Wasserdampf,
Mit 1 kg Heizöl: 16.5 kg Wasserdampf,
Mit 1 kg Ethanol: 10.1 kg Wasserdampf,
Mit 1 kg Diesel: 15.0 kg Wasserdampf
Der riesige Unterschied von Wasserstoff zu den anderen Energieträgern ist frappant. Aber zur Obejektivität müsste noch gesagt werden, dass Wasserstoff in flüssiger Form „gehändelt“ wird und somit die zur Verflüssigung notwendige Energiemenge (Kompressionsenergie) noch abgezogen werden müsste.
Dann ist der Unterschied vielleicht nicht mehr so hoch.
Es macht eigentlich keinen Sinn Holz und andere Energieträger (mit C-Quelle) für Heizzwecke zu verbrennen, wie dies in der Industrie geschieht.
Sogar Heizöl ist zweifelhaft.
Abfallholz ist noch tragbar.
Will man Holz als Treibstoffersatz in Erwägung ziehen, so sollte man mit Ethanol und Diesel vergleichen. Ethanol wird in Brasilien bereits als Motoren-treibstoff verwendet, Diesel kann man neuerdings mit einem speziellen Verfahren* aus Holz herstellen, wie übrigens Holz zu Ethanol auch („Holzverzuckerung“).
Die Verbrennungswärmen für Diesel und Ethanol sind nicht erfolgversprechend, wenn man diese Stoffe als Treibstoffe verwendet. Rechnet man die Energie noch mit, die zur Herstellung dieser Treibstoffe benötigt wird noch mit, und kombiniert die Überlegungen noch mit dem schlechten Wirkungsgrad der Verbrennungsmotoren (Otto-Benzinmotor: ca. 25 %; Dieselmotor: ca. 40 %), so kommt man zu einer geringen Energieausbeute. Wasserstoffbrennstoffzellen liefern einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % ! Holz ist auch zu schade um verbrannt zu werden (wie übrigens Öl eigentlich auch).
Aber eben:
Die Berücksichtigung der zur Gewinnung notwendigen Energiemenge des jeweiligen Energieträgers müsste noch mit in der Rechnung berücksichtigt werden.
Bsp.: Wasserstoff kann mit mehreren Verfahren
hergestellt werden.
- Eine „Energiearme“ - Variante wäre sicher die
Herstellung mittels Sonnenofen. - Im Gegensatz zur „Energiefressenden“ Variante
der Wasserelektrolyse
Wenn man noch weitergeht, müsste auch noch die zur Herstellung der Produktionsanlagen notwendigen Energieaufwendungen mitberücksichtigt werden.
Photosynthese
Die P. ist eine chemische Reaktion, die unter dem Einfluss von Licht (Sonnenlicht) und Chlorophyll (Blattgrün) abläuft.
Die P. liefert aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenhydrate (Pflanzen: Stärke, Bäume: Cellulose). Die P. ist die wichtigste biochemische Reaktion. Sie liefert pro Jahr auf der Erde etwa 1011 Tonnen Organische Substanz und sie absorbiert das Treibhausgas CO2.
Der Wirkungsgrad liegt so um die 35 %.
Fuer Eure Kommentare bin ich Euch im voraus dankbar.
Gruss
Cheops
P.S. : Die Daten wurden zusammengefasst und
aufbereitet.
Es bestehtk ein Anspruch auf Vollständigkeit.
Es wird beabsichtigt diesen Artikel von Zeit zu
Zeit „Up-Zu-Daten“.
