{"id":226,"date":"2017-06-29T16:07:54","date_gmt":"2017-06-29T14:07:54","guid":{"rendered":"https:\/\/www.energienovum.de\/enxpress\/?p=226"},"modified":"2019-12-18T13:20:54","modified_gmt":"2019-12-18T12:20:54","slug":"diffusion-und-versproedung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.energienovum.de\/enxpress\/2017\/06\/diffusion-und-versproedung\/","title":{"rendered":"Diffusion und Verspr\u00f6dung"},"content":{"rendered":"

Ja, mit Wasserstoff l\u00e4sst sich regenerativer Strom speichern und \u00fcber viele tausend Kilometer transportieren \u2013 mit vernachl\u00e4ssigbaren Verlusten. Das deutsche Gasnetz, das heute einen Gro\u00dfteil aller Geb\u00e4ude des Landes miteinander verbindet, kann laut Naturalhy[1]<\/a>, einer gro\u00df angelegten technischen Studie der EU, bereits mit der heutigen technischen Ausstattung inkl. unserer Endger\u00e4te einen 50-prozentigen Wasserstoffanteil vertragen, wobei kaum jemand wei\u00df, dass bereits im konventionellen Erdgas von Natur aus ein gewisser Wasserstoffanteil enthalten ist.<\/p>\n

Vieles am gesundheits- und umweltfreundlichen Energietr\u00e4ger Wasserstoff gilt bereits heute als gel\u00f6st. Nicht gel\u00f6st hingegen sind Vorurteile in der Bev\u00f6lkerung. Viele Menschen vertreten nach wie vor die Ansicht, Wasserstoff sei technisch nicht beherrschbar oder seine Herstellung sei nicht effizient genug. Die aufgekl\u00e4rteren meinen bereits, Wasserstoff k\u00f6nne in Zukunft eine Rolle bei der Energieversorgung spielen. Beides ist falsch, denn Wasserstoff ist nicht gef\u00e4hrlicher als Erdgas und zu null Prozent radioaktiv. Und Wasserstoff kann nicht erst in einer weit entfernten Zukunft eine Rolle bei der Energieversorgung spielen, sondern bereits heute, und zwar eine entscheidende.<\/p>\n

Sind die gebetsm\u00fchlenartig vorgetragenen technischen Probleme des Wasserstoffs wirklich so gravierend und seine Herstellung wirklich nicht effizient genug, sodass seine Nutzung heute noch nicht sinnvoll sein kann?<\/p>\n

Ein Teil der Antwort: Die Effizienz bei der Herstellung von Wasserstoff spielt eine untergeordnete Rolle, wenn auf der einen Seite alle Rohstoffe, die daf\u00fcr ben\u00f6tigt werden, kostenlos zur Verf\u00fcgung stehen (Sonne und Wasser) und auf der anderen Seite Win-win-Strategien zur Finanzierung aller notwendigen technischen Anlagen existieren (z. B. h2ek) [2]<\/a>.<\/p>\n

Einen anderen Teil der Antwort, n\u00e4mlich die zu den prim\u00e4r vorgetragenen technischen Problemen eines gro\u00dffl\u00e4chigen Einsatzes von Wasserstoff als Energietr\u00e4ger z\u00e4hlenden Faktoren \u00bb\u00a0Materialverspr\u00f6dung\u00a0\u00ab und \u00bb\u00a0Diffusion\u00a0\u00ab, untersuchen wir mit der vorliegenden Analyse. Mit weiteren technischen Faktoren wie dem Kompressionsaufwand, der Druckbetankung und der Effizienz der Elektrolyse befassen wir uns anhand anderer Artikel.<\/p>\n

DIFFUSION VON WASSERSTOFF<\/p>\n

Was hat es mit der zu hohen oder zu schnellen Diffusion von Wasserstoff durch die Wandungen umschlie\u00dfender Bauteile wie Tank und Leitung auf sich? \u00bb\u00a0Zu hoch\u00a0<\/em>\u00ab und \u00bb\u00a0zu schnell\u00a0<\/em>\u00ab klingen ja bereits recht problematisch. Fragt sich, im Vergleich zu was zu hoch und zu schnell. Antwort: Der Vergleich bezieht sich auf das Diffusionsverhalten anderer Gase[3]<\/a>, was sich anhand folgenden Beispiels veranschaulichen l\u00e4sst:<\/p>\n

Man stelle sich die Halle des Boeing-Werks in Everett vor, welches \u00fcber ein Volumen von dreizehn Millionen Kubikmetern verf\u00fcgt. Dieses Volumen stellen wir uns zehn Mal nebeneinander vor. In neun dieser Volumen, schwirrt jeweils eine Fliege umher. Diese neun Volumen stehen f\u00fcr die erw\u00e4hnten anderen Gase. Im zehnten Volumen schwirren zwanzig Fliegen umher. Dieses Volumen steht f\u00fcr Wasserstoffgas. Nun w\u00e4re die Aussage, die zehnte Halle verf\u00fcgte \u00fcber eine deutlich h\u00f6here Fliegendichte korrekt und f\u00fchrte selbstverst\u00e4ndlich auch zu einem deutlich h\u00f6heren Verlust von frei nutzbarem Volumen als bei den anderen Hallen. Doch ausgehend von der Annahme, eine Fliege beanspruchte mit ihrem K\u00f6rper ein Raumma\u00df von 3\u00a0x\u00a02\u00a0x\u00a02\u00a0mm und verf\u00fcgte damit \u00fcber ein Volumen von 0,0000000000012\u00a0Kubikmetern (1,2-12<\/sup>\u00a0m\u00b3), wird deutlich, dass den Fliegen in den Hallen keine entscheidende Rolle beim Volumen zukommt \u2013 egal in welcher Halle. Im Vergleich zu den 13.000.000\u00a0Kubikmetern einer Halle ist der Verlust an Raumvolumen also offensichtlich zu vernachl\u00e4ssigen, ebenso, wie dies bei der Diffusion von Wasserstoff der Fall ist, denn das Mengenverh\u00e4ltnis ist ann\u00e4hernd vergleichbar.<\/p>\n

Quantifizieren l\u00e4sst sich die Verlustrate von Wasserstoff durch Diffusion mit Hilfe des ersten und zweiten \u2013 nicht lachen \u2013 Fickschen Gesetzes[4]<\/a>. So w\u00fcrde eine mit Wasserstoff gef\u00fcllte Stahlflasche mit 30\u00a0bar Druck, einer H\u00f6he von 1,5\u00a0Metern, einem Innendurchmesser von 120\u00a0Millimetern und der Wandst\u00e4rke von 10\u00a0Millimetern ca. 46,7\u00a0Liter Wasserstoffgas enthalten. Durch Diffusion w\u00fcrden bei einer Umgebungstemperatur von 22\u00b0C nach der Fickschen Gleichung nur rund 0,38\u00a0Liter verloren gehen \u2013 im Zeitraum von 10\u00a0Jahren! Rein theoretisch, denn in der Praxis ist die tats\u00e4chlich durch die Wandungen hindurchpermeierende Wasserstoffmenge um Zehnerpotenzen kleiner[5]<\/a>, weil die Einstellung der Wasserstoffs\u00e4ttigung an der Wandoberfl\u00e4che in der Fickschen Gleichung als augenblicklich ablaufender Vorgang angenommen wird; tats\u00e4chlich ben\u00f6tigt die S\u00e4ttigung jedoch Tage und Wochen statt Sekunden. Erw\u00e4hnenswert ist allerdings, dass die Verluste mit zunehmendem Druck im Speicher um ein Mehrfaches ansteigen, was jedoch aufgrund der immer noch extrem geringen Mengen weder ein Sicherheitsrisiko noch einen relevanten Verlust darstellt.<\/p>\n

Ein Kollege gab w\u00e4hrend einer Diskussion \u00fcber die Diffusionsgeschwindigkeit allerdings zu bedenken, dass die Wasserstofftanks der BMW-Flotte an Wasserstofffahrzeugen innerhalb von vier Wochen praktisch ihren gesamten Inhalt verloren hatten. Damit hatte der Kollege zwar Recht, urs\u00e4chlich hierf\u00fcr war allerdings nicht das Diffusionsverhalten des Wasserstoffs, sondern die Sicherheitstechnik. Die BMW-Flotte verf\u00fcgte \u00fcber Kryo-Tanks[6]<\/a> um den Wasserstoff tief kalt und somit fl\u00fcssig zu speichern, ohne den Druck von mehreren hundert Bar \u2013 aufgrund der ben\u00f6tigten Mengen muss das unter Normbedingungen stark ausgedehnte Volumen von Wasserstoffgas irgendwie verkleinert werden; entweder durch Kompression oder durch herunterk\u00fchlen. Leckagen entstanden also nicht aufgrund der Diffusion durch die Gef\u00e4\u00dfwandungen, sondern per Weg durch die \u00dcberdruckventile[7]<\/a>. Trotz der W\u00e4rmeisolation verdampft bei dieser Art der Speicherung kontinuierlich ein Teil des Wasserstoffs und erh\u00f6ht somit st\u00e4ndig den Druck im Tank, der st\u00e4ndig abgelassen wird, damit es nicht zum Versagen von Dichtungen oder gar zum Bersten des Tanks kommt. Mit den \u00dcberdruckventilen wird bei dieser Technologie also Wasserstoff gezielt abgeblasen. Dieser Vorgang h\u00e4lt so lange an, bis kaum mehr Wasserstoff im Tank vorhanden ist.<\/p>\n

Das Diffusionsverm\u00f6gen von Wasserstoff f\u00fcr metallische Umschlie\u00dfungen (Gasflaschen, Rohrleitungen etc.) ist also nicht von praktischer Bedeutung, sondern ein Effekt von rein akademischem Interesse. Bis sich hierdurch eine nennenswerte Menge an Wasserstoffgas au\u00dferhalb der Umschlie\u00dfung ansammeln kann, d\u00fcrften mindestens mehrere Jahrhunderte vergehen. Speicherverluste\u00a0durch Diffusion in beachtenswerten und sicherheitsrelevanten Mengen sind im Umgang mit Wasserstoff also nicht zu bef\u00fcrchten. Was bleibt, ist das Risiko der Wasserstoffverspr\u00f6dung und die Frage, inwiefern diese relevant ist.<\/p>\n

MATERIALVERSPR\u00d6DUNG DURCH WASSERSTOFF<\/p>\n

Die Materialverspr\u00f6dung durch Wasserstoff kann mehrere Gr\u00fcnde haben. Einer ist, dass grunds\u00e4tzlich alle Werkstoffe an Elastizit\u00e4t verlieren, wenn sie abgek\u00fchlt werden. F\u00fcr den Umgang mit tiefen Temperaturen m\u00fcssen daher Materialien gew\u00e4hlt werden, die unter diesen Bedingungen noch eine gewisse Elastizit\u00e4t aufweisen, was auch f\u00fcr Beh\u00e4lter mit fl\u00fcssigem Wasserstoff gilt. Diese Art der Verspr\u00f6dung ist also nicht speziell auf Wasserstoff zur\u00fcckzuf\u00fchren[8]<\/a>.<\/p>\n

Bei der Auswahl der Materialien speziell f\u00fcr Wasserstoffanwendungen ist der Einfluss von Wasserstoff selbst, unabh\u00e4ngig ob tief kalt, fl\u00fcssig oder als Gas vorliegend, auf die Materialeigenschaften zu ber\u00fccksichtigen. Aufgrund der Vielzahl an verschiedenen Werkstoffen und Legierungen ist eine verallgemeinernde Beschreibung von Einfluss und Auswirkung schwierig. Vielmehr erweist es sich als zielf\u00fchrend, jene Materialien zu beschreiben und zu charakterisieren, die f\u00fcr Anwendungen mit Wasserstoff besonders geeignet sind[9]<\/a>.<\/p>\n

Wasserstoffverspr\u00f6dung, ein Ph\u00e4nomen, das nur bei Metallen auftritt aber l\u00e4ngst nicht bei allen, l\u00e4sst sich dadurch erkl\u00e4ren, dass der atomare Wasserstoff den Zusammenhalt des Metallgitters schw\u00e4cht (Dekoh\u00e4sion[10]<\/a>) und etwaig vorhandene Anrisse schneller wachsen l\u00e4sst. Anders gesagt: Der Wasserstoff beschleunigt bei diesen Metallen die so genannte Spannungsrisskorrosion. Anf\u00e4llig sind vorwiegend Metalle mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter, wie dies etwa bei ferritischen St\u00e4hlen der Fall ist, wohingegen Metalle mit einem kubisch-fl\u00e4chenzentrierten Gitter wie Aluminiumlegierungen, austenitische St\u00e4hle,\u00a0und Nickel, nicht nennenswert angegriffen werden. Auch die Werkstoffe der zuerst genannten Gruppe k\u00f6nnen in der Wasserstofftechnik Verwendung finden, wenn man durch geeignete Gestaltung der Werkst\u00fccke die darin auftretenden Spannungen unterhalb einer bestimmten Schwelle h\u00e4lt und man beispielsweise durch Oberfl\u00e4chenbeschichtung das Auftreten von Anrissen unterdr\u00fcckt[11]<\/a>. Am einfachsten und sichersten l\u00e4sst sich die Verspr\u00f6dungsgefahr jedoch durch die Verunreinigen des Wasserstoffs mit einem geringen Anteil an Sauerstoff unterbinden. In Anbetracht dessen, dass ab einer Verunreinigung von 200ppm mit Sauerstoff (0,02%)[12]<\/a> eine Dissoziation von H2 nicht mehr zu beobachten ist, stellt dies durchaus eine M\u00f6glichkeit dar, bei ferritischen Standardst\u00e4hlen die Verspr\u00f6dung auf einfache Art zu vermeiden. Damit existieren mehrere Auswahlm\u00f6glichkeiten, die Materialverspr\u00f6dung durch Wasserstoff in einer nicht relevanten Gr\u00f6\u00dfenordnung zu halten bzw. diese g\u00e4nzlich auszuschlie\u00dfen.<\/p>\n

SONDERFALL OXYHYDROGEN<\/p>\n

Die Tatsache, dass Wasserstoff, wie oben beschrieben, leichter als bei anderen Gasen durch bestimmte Metalle diffundiert, wird oftmals auch auf Oxyhydrogen<\/a> (HHO) \u00fcbertragen. Speicherverluste in beachtenswerten oder sicherheitsgef\u00e4hrdenden Mengen sind dabei aber g\u00e4nzlich ausgeschlossen, was sich, wie am Ende des vorhergehenden Abschnitts er\u00f6rtert, auch insofern auf die Materialverspr\u00f6dung auswirkt, als dass sie nicht stattfindet[13]<\/a>. Bei Wasserstoffgas, das mit dem erw\u00e4hnten Anteil an Sauerstoff verunreinigt ist, liegt dabei u. a. aufgrund der f\u00fcr einen m\u00f6glichen Oxidationsprozess (Verbrennung, Explosion) nicht ausreichenden Menge an Sauerstoff noch kein Oxyhydrogen im eigentlichen Sinne vor. Von der Speicherung von Oxyhydrogen ist unserer Ansicht nach grunds\u00e4tzlich abzuraten.<\/p>\n

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\nNur durch sie kann der Leser davon ausgehen, dass die Wissensbildung nicht im Sinne gro\u00dfer Geldgeber manipuliert wird: durch unabh\u00e4ngige Berichterstattung. Nur durch sie kann der Wille der Menschen ihrem Wohle dienen, denn nur der richtig informierte B\u00fcrger kann die richtigen Entscheidungen treffen.\u00a0<\/em><\/p>\n

Unabh\u00e4ngige Berichterstattung kann nur von dem\u00a0am Leben erhalten werden, dem sie dienlich ist: Vom B\u00fcrger, von Ihnen. Bitte spenden Sie hier<\/a>.<\/em><\/p>\n

Wir bem\u00fchen uns, Ihnen ein zutreffendes Abbild der Realit\u00e4t zu vermitteln, doch sind wir nicht perfekt. Sollten Ihnen Fehler auffallen, so bitten wir Sie, uns diese mitzuteilen. Vielen Dank.<\/em><\/p>\n

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Hintergrundfoto des Artikel-Covers mit freundlicher Genehmigung des Rechteinhabers\u00a0Fliegerweb.com<\/a><\/p>\n

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\n[1]<\/a> European Union | Naturalhy Study ENG.pdf<\/a><\/p>\n

[2]<\/a> Ehrnsberger, A. J. | H2-Energiekonzept GER.pdf<\/a><\/p>\n

[3]<\/a> Savannah River Company | Management of Leaks ENG.pdf<\/a><\/p>\n

[4]<\/a> CAU Kiel | Ficksche-Gesetze GER.pdf<\/a><\/p>\n

[5]<\/a> DWV | Wasserstoff Sicherheits Kompendium GER.pdf<\/a><\/p>\n

[6]<\/a> St\u00f6rfallkommission | Anwendung H2-Technologie GER.pdf<\/a><\/p>\n

[7]<\/a> Hansestadt Hamburg | H2-Studie GER.pdf<\/a><\/p>\n

[8]<\/a> Kaesche, Dr. rer. Nat. H.: \u201eDie Korrosion der Metalle\u201c, Springer Verlag, ISBN 978-3-642-18427-7, Berlin, 2011<\/p>\n

[9]<\/a> Katsuhiko, Hirose: \u201eHandbook of Hydrogen Storage\u201c, Hirscher, M. (Hrsg.), Wiley-VCH Verlag, ISBN: 978-3-527-32273-2, Weinheim, 2010<\/p>\n

[10]<\/a> Tiegel, M. C.| H2-induzierte Rissbildung in Eisen GER.pdf<\/a><\/p>\n

[11]<\/a> Katsuhiko, Hirose: \u201eHandbook of Hydrogen Storage\u201c, Hirscher, M. (Hrsg.), Wiley-VCH Verlag, ISBN: 978-3-527-32273-2, Weinheim, 2010<\/p>\n

[12]<\/a>\u00a0[13]<\/a> Lewis RC | H2 Environment Embrittlement ENG.pdf<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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