Brennwert von Wasserstoff
Eigenschaften und physikalische Daten von Wasserstoff
Wasserstoff
Wasserstoff ist
- gasförmig (unter Standardbedingungen)
- farblos
- geruchlos
- geschmacklos
- explosiv, aber im Gegensatz zu anderen Energieträgern in engen Detonationsgrenzen
- brennbar und verbrennt mit unsichtbarer Flamme, wobei kaum Wärme freigesetzt wird
- 14 mal leichter als Luft (leichtester Stoff überhaupt) und entweicht darum schnell nach oben
- in Wasser nahezu unlöslich, hingegen leicht löslich in einigen Metallen (Pt, Pd)
- weder giftig, noch karzinogen oder fruchtschädigend
- nicht selbstentzündlich
- nicht zerfallsfähig
- nicht radioaktiv
- nicht korrosiv
| Dichte | 0,0899 kg/Nm3 (gasförmig) | ||
| 0,07079 g/cm3 (flüssig) | |||
| Siedepunkt | -252,2°C | ||
| Schmelzpunkt | -259,2°C | ||
| spezifische Wärmekapazität | cp=14,199 kJ/(K kg) | cV=10,074 kJ/(K kg) | |
| Zündgrenze in Luft | 4,0 - 75,0 Vol.% | ||
| Detonationsgrenze in Luft | 18,3 - 59,0 Vol.% |
Bei der Verbrennung (Oxidation) von wasserstoffhaltigen Verbindungen entsteht Wasser. Aus thermodynamischer Sicht kann dieses Produktwasser (unabhängig von der Temperatur) flüssig oder gasförmig anfallen. In Abhängigkeit davon wird die Reaktionsenthalpie (Verbrennungswärme) entweder als Brennwert (ehemals "oberer" Heizwert) oder als Heizwert (früher "unterer" Heizwert) bezeichnet. Die Energiedifferenz zwischen Brenn- und Heizwert entspricht der Verdampfungsenthalpie (bzw. Kondensationsenthalpie) von Wasser. Beim Brennwert liegt Wasser flüssig vor, folglich ist die Verdampfungsenthalpie enthalten und der Brennwert ist vom Betrag her größer als der Heizwert.
Heizwert: H2 + 1/2 O2 -> H2O(g) DH = -241,8 kJ/mol
| MJ | kWh | |
|---|---|---|
| 10,79 MJ/Nm3 | 3,00 kWh/Nm3 | |
| 120,00 MJ/kg | 33,33 kWh/kg |
Brennwert: H2 + 1/2 O2 -> H2O(l) DH = -285,8 kJ/mol
| MJ | kWh | |
|---|---|---|
| 12,75 MJ/Nm3 | 3,54 kWh/Nm3 | |
| 141,85 MJ/kg | 39,40 kWh/kg |
Hier existieren noch weitere Informationen zu Wasserstoff und Energie.
Der Energieinhalt von einem Liter Benzin entspricht
| Steinkohle | 1,04 kg | |
| Braunkohle | 3,77 kg | |
| Brennholz | 2,10 kg | |
| Heizöl | 1,02 l | |
| Methanol | 1,96 l | |
| Erdgas | 0,96 m3 | |
| Wasserstoff gasförmig | 3,04 m3 | |
| Wasserstoff flüssig | 3,60 l |
| Wasserstoff | Sauerstoff | Stickstoff | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatur | ml/l | mg/l | ml/l | mg/l | ml/l | mg/l |
| 0°C | 21,48 | 1,917 | 48,89 | 69,80 | 23,54 | 29,41 |
| 20°C | 18,19 | 1,624 | 31,03 | 44,30 | 15,45 | 19,30 |
| 40°C | 16,44 | 1,467 | 23,06 | 32,82 | 11,84 | 14,79 |
| 60°C | 16,00 | 1,428 | 19,46 | 27,78 | 10,23 | 12,78 |
| 80°C | 17,61 | 25,14 | 9,58 | 11,97 | ||
| 100°C | 17,00 | 24,27 | 9,50 | 11,87 | ||
Basierend auf 0°C, Partialdruck Gas 1013 hPa, Gesamtdruck 1013 hPa.
Quelle: Rolf Kaltofen et al.; Tabellenbuch Chemie; VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (1986)
Massebezogene Speicherdichte in kWh/kg
bezogen auf den Heizwert
Volumenspezifische Speicherdichte in kWh/l (logarithmische Skala)
bezogen auf den Heizwert
Wasserstoff besitzt durch sein geringes Gewicht die günstigste massebezogene Energiedichte aller Brennstoffe. Gerade im mobilen Sektor ist die volumenspezifische Energiedichte jedoch wesentlich interessanter, und diese ist bei Wasserstoff um einige Größenordnungen geringer als bei flüssigen Energieträgern. Nur bei Flüssigwasserstoff ist die volumenspezifische Energiedichte konkurrenzfähig. Hier wirken sich allerdings hohe Verdampfungsverluste ("Selbstentladung") und aufwendige Kryospeicher nachteilig aus. Metallhydridspeicher bieten eine brauchbare volumenspezifische Energiedichte, sind aber durch die schlechte massebezogene Energiedichte zu schwer für den mobilen Einsatz. Zudem ist, abhängig von der Legierung, ein thermisches Management zur Entnahme von Wasserstoff erforderlich. Hochdruckspeicher auf Basis von Kompositwerkstoffen operieren mit Drücken bis über 800 bar und erreichen so ähnlich hohe volumenspezifische Energiedichten wie flüssiger Wasserstoff. Bedauerlicherweise muss für die hohe Komprimierung viel Energie aufgewendet werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad der gesamten Energieumwandlungskette gemindert wird. Nanospeicher mit einer fantastischen Speicherfähigkeit von 10 Gew.% Wasserstoff schwirren immer wieder durch die Presse. Leider gibt es noch keine verfügbaren Systeme.
Erläuterungen:
Die Energieangaben beziehen sich jeweils auf den Heizwert. Die Werte "ohne Speicher" sind teilweise aus den jeweiligen thermodynamischen Daten errechnet, zum Teil aus der Literatur entnommen. Bei den Werten "mit Speicher" wurden Volumen bzw. Masse des Speichers mit typischen Werten einberechnet.
CH2 Druckwasserstoff (compressed hydrogen)
LH2 flüssiger Wasserstoff (liquid hydrogen)
NG Erdgas (natural gas)
CNG Erdgas unter Druck (compressed NG)
LNG flüssiges Erdgas (liquid NG)
P. W. Atkins: Physikalische Chemie; VCH (1990)
C. Carpetis: Globale Umweltvorteile bei Nutzung von Elektroantrieb mit BZ und/oder Batterien im Vergleich zu Antrieben mit Verbrennungsmotor; DLR-Bericht Nr. 22 (2000)
H. Buchner: Energiespeicherung im Metallhydriden; Springer-Verlag Wien (1982)
K. Heinloth: Energie; Teubner Studienbücher Physik (1983)
weitere Links zum Thema Wasserstoff finden Sie auf meiner Link-Seite
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letzte Änderung: 2022-12-07, Dr. Alexander Kabza