Wasserstoff als Energieträger: Herstellung, Lagerung, Transport

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.