Flüssiger Wasserstoff als Energieträger: Technologie und Anwendungen

250 Pages·1984·14.95 MB·German

by  Prof. Dr. Ing. habil. Walter Peschka (auth.)

Innovative
Energietechnik
W. Pes hka
Flussiger Wasserstoff
als Energietrager
Technologie und Anwendungen
Springer-Verlag Wien New York
Prof. Dr. Ing. habil. Walter Peschka
DFVLR Deutsche Forschungs· und Versuchsanstalt
fiir Luft-und Raumfahrt e.V.
0-7000 Stuttgart 80
Bundesrepublik Deutschland
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© 1984 by Springer-VerlagfWien
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1984
Mit 108 Abbildungen
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Peschka, Walter:
Fliissiger Wasserstoff als Energietrager: Technologie
u. Anwendungen / W. Peschka. - Wien; New York:
Springer, 1984.
(Innovative Energietechnik)
ISBN-13 :978-3-7091-8749-4
ISSN 0723-4589
ISBN-13:978-3-7091-8749-4 e-ISBN-13:978-3-7091-8748-7
001: 10.1007/978-3-7091-8748-7
Je crois que l'eau sera un jour employee comme combustible,
que l'hydrogene et l'oxygene, utilises isolement ou simultane·
ment, fourniront une source de chaleur et de lumic~re inepui.
sables et d'une intensite que la houille ne saurait avoir. Unjour,
les soutes de steamers et les tenders des locomotives, au lieu
de carbon, seront charges de ces deux gaz comprimes, qui
bn1leront dans les foyers avec une enorme puissance calorifique .
. . . L'eau est Ie carbon de l'avenir.
Jules Verne, VIle Mysterieuse 1870, Tome II, Chap. XI.
Ich glaube, dafl. Wasser eines Tages als Brennstoff verwendet
werden wird, dafl. Wasserstoff und Sauerstoff, aus welchen es
besteht, entweder zusammen oder getrennt verwendet, eine
unerschopfliche Quelle fUr Wanne und Licht sein werden,
und zwar von einer weit groBeren Starke, als Kohle es vermag.
Die Kohlebunker der Schiffe sowie die Tender der Lokomotiven
werden anstelle von Kohle diese beiden kondensierten Gase
speichern, welche in deren Schloten mit enonner Wanneent·
wicklung brennen werden .
. . . Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.
Vorwort
Dieses Buch ist entstanden aus VerOffentlichungen, Vortragen und Vor
lesungsreihen sowie im Rahmen von Forschungsarbeiten des Verfassers auf
den Sachgebieten Raumfahrtenergietechnik, Energiewandlung und Energie
speicherung allgemein sowie der kryogenen Energietechnik.
Die Technik und Technologie des fliissigen Wasserstoffs - einst wesentliche
Voraussetzung flir die rasche Entwicklung der Raumfahrt - erweist sich dabei
von steigender Bedeutung auch fUr die Energietechnik der Zukunft.
Wasserstoff als Energietrager allgemein kann dabei die Mittlerrolle zwischen
bestehenden Gegensatzen von Kernenergie und regenerativer Energie iiber
nehmen, welche beide flir die Zukunft unverzichtbar sind.
Er kann als Sekundarenergietrager aus diesen Primarenergietragern nahezu
im Gleichgewicht mit der Umwelt hergestellt werden, ohne dabei die mit der
gegenwartigen fossilen Energietechnik verbundene, langfristig untragbare Schad
stoffe mission aufzuweisen, und stellt damit eine ultimative Form der Energie
technik dar.
Seinen ersten Einsatz als Sekundarenergietrager in gro~em M~stab erfuhr
Wasserstoff als hochenergetischer Raketentreibstoff, woflir Verfahren zur Ver
fliissigung, Speicherung und Handhabung im wesentlichen in den U.S.A. ent
wickelt wurden, wahrend in Europa zur Zeit nur in Frankreich entsprechend
vergleichbare Aktivitat festzustellen ist.
Entwicklungen in der Bundesrepublik Deutschland umf~ten vor allem
Untersuchungen iiber Wasserstoff-Sauerstoff bzw. Wasserstoff-Fluor-Raketen
triebwerke, iiber die physikalischen und technischen Eigenschaften von Wasser
stoff-Matsch (slush-hydrogen) und konzentrieren sich derzeit auf Forschungs
und Entwicklungsarbeiten zum Einsatz von fliissigem Wasserstoff als Alternativ
kraftstoff, wobei vergleichbare Aktivitaten in Japan und Kanada zu vermerken
sind.
Das Buch wurde in der Absicht geschrieben, dem interessierten Leser einen
Oberblick liber den Stand der Technik des fliissigen Wasserstoffs aus energie
technischer Sicht zu geben, auf das gro~e zukiinftige Anwendungspotential
dieses einzigartigen Energietragers hinzuweisen und urn die Forderung weiterer
Forschungs-und Entwicklungsarbeiten zu stimulieren.
1m Interesse einer gestrafften Darstellung konnte nur auf Zusammenhange
und Entwicklungen eingegangen werden, die schwerpunktma~ig den fliissigen
Wasserstoff in seiner Eigenschaft als Sekundarenergietrager betreffen. Gegen
wartigen Entwicklungsansatzen von erheblicher Bedeutung flir die zukiinftige
Energietechnik, beispielsweise der magnetokalorischen Refrigeration sowie
VIII Vorwort
Anwendungen in der Luftfahrt und im bodengebundenen Verkehr wurde ent
sprechend Raum gewidmet.
Der Fachmann wird sicherlich vieles aus diesem bereits sehr breit gefacherten
Sachgebiet vermissen, was im Rahmen dieses Buches nicht beriicksichtigt werden
konnte. Hier sei vor aHem auf das Standardwerk "Technology and Uses of
Liquid Hydrogen" (R. B. Scott, ed., 1964) verwiesen1, welches, in den Pionier
tagen des fliissigen Wasserstoffs geschrieben, dem Leser einen Eindruck ver
mittelt, mit welchem Engagement und mit welcher Konsequenz die Technologie
des fliissigen Wasserstoffs innerhalb kurzer Zeit von Laboranwendungen zum
groP..,technischen Einsatz in einer Weise entwickelt wurde, die man sich bei der
Forderung und DurchfLihrung seit 1angem als notwendig erkannter MaP..,nahmen
auf dem Gebiet der zukiinftigen Energietechnik nur wUnschen kann.
Eine vollstandige Erfassung der Fachliteratur war innerhalb des hier gesetz
ten Rahmens nicht moglich und wurde auch nicht angestrebt. Die Auswahl
erfolgte auch unter dem Gesichtspunkt leichter Zuganglichkeit sowie urn dem
Leser einen mog1ichst bequemen Einstieg in dieses Fachgebiet zu ermoglichen.
Dabei konnte eine Beriicksichtigung der Veroffentlichungen bis Ende 1983 erfo1-
gen, wobei wahrend der Druck1egung erschienene VerOffentlichungen noch
zum Teil erfafl,t werden konnten.
Es verb1eibt dem Autor die angenehme Pflicht, Freunden und Mitarbeitem
im In- und Ausland, welche durch ihre Arbeit wesentlich zum Zustandekommen
und zur Abfassung des Manuskriptes beigetragen haben, hier seinen herzlichen
Dank auszusprechen.
Das Buch ist auch denjenigen gewidmet, die durch uneigenniitzige Arbeit
und Engagement bereits heute dazu beitragen, zugunsten kommender Genera
tionen die Basis fUr eine ultimative Energietechnik mitte1s der "Koh1e der
Zukunft" zu schaffen.
Sinde1fmgen, im Mai 1984 W. Peschka
1 Vgl. auch Sloop, J. F.: Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel (S. 100).
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Allgemeines zur Herstellung von Wasserstoff 4
2.1 Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen 4
2.2 Wasserstoftherstellung mittels Elektrolyse 6
2.3 Thermochemische Verfahren zur Wasserspaltung 10
2.4 Weitere Verfahren zur Wasserstoftherstellung aus Wasser 10
3. Die Verfliissigung von Wasserstoff 14
3.1 Grundlagen der Wasserstoff-Verflussigung 14
3.2 Verflussigungsanlagen kleiner und mittlerer Gr6~enordnung 32
3.3 Magnetokalorische Verflussiger 42
3.4 Industrielle Gro~verflussigungsanlagen 54
4. Thermische Isolation, Speicherung und Transport von
fliissigem Wasserstoff 62
4.1 Mechanismen des Warmetransports und Isolationstechniken 63
4.2 Speicherung und Transport von fliissigem Wasserstoff 74
4.3 Leitungen fUr flussigen Wasserstoff 81
4.4 Pump en fUr flussigen Wasserstoff 84
s.
Flussiger Wasserstoff als Treibstoff 92
5.1 Chemische Raketenantriebe 93
5.2 Nukleare Raketenantriebe 96
6. FlUssiger Wasserstoff als Kraftstoff 103
6.1 Luftfahrt 104
6.2 Bodengebundener Verkehr 129
7. Fliissiger Wasserstoff in Kemforschung und Kemtechnik 185
7.1 Blasenkammem mit flussigem Wasserstoff 185
7.2 Deuterium-Darstellung mittels RektifIkation von
flussigem Wasserstoff 187
x Inhaltsverzeichnis
8. Ausblick auf zukiinftige Anwendungen 189
8.1 Wasserstoff als zukiinftiger Sekundarenergietrager 189
8.2 Anwendungen im Kraftfahrzeug 191
8.3 Schienengebundene Fahrzeuge 193
8.4 Anwendungen in der Seefahrt 194
8.5 Anwendungen in Luft-und Raumfahrt 195
8.6 Fliissiger Wasserstoff in der stationaren Energietechnik 199
9. Handhabung von fliissigem Wasserstoff 204
9.1 Werkstoffe zur Handhabung von fliissigem Wasserstoff 206
9.2 Handhabung von Wasserstoff als kryogene Fliissigkeit 207
9.3 Wasserstoff als brennbare Fliissigkeit 210
10. Physikalische und technische Daten von
fliissigem Wasserstoff 223
Sachverzeichnis 237
1. Einleitung
Wasserstoff ist das neunthiiuftgste chemische Element auf der Erde. Der
Kosmos besteht zu fiber 90% aus Wasserstoff, der in den Stemen im Plasma
zustand sowie in der interstellaren Materie fiberwiegend in atomarem Zustand
enthalten ist.
1m Sonnensystem bestehen neben der Sonne das interplanetare Gas sowie
die auBeren Planet en Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun hauptsachlich aus
Wasserstoff.
Auf der Erde, insbesondere in der Atmosphlire, ist Wasserstoff im freien
Zustand nur in geringer Menge enthalten. Er tritt aus Vulkanen, gemischt mit
anderen Gasen, aus und ist femer in Einschliissen unterirdischer Kalisalzlager
enthalten.
Wasserstoff kann bei vielen Pyrolyse-Prozessen freigesetzt werden, wie
beispielsweise in erdgeschichtlicher Vergangenheit bei der Bildung fossiler
Brennstoffe. In gebundenem Zustand ist Wasserstoff in Wasser sowie in fast
allen organischen Verbindungen enthalten. Infolge seiner Bindung im Wasser
ist er an der Erdoberflache in geniigender Menge vorhanden, wahrend er als
Gas von der Erdgravitation nicht in der Atmosphare gehalten werden kann.
Die Freisetzung des Wasserstoffs aus dem Wasser erfordert erhebliche Energie
zufuhr. Primarenergie wird dabei zur Erzeugung des Sekundarenergietragers
Wasserstoff verwendet, der sich neben seiner Verftigbarkeit durch hohe Kompa
tibilitat mit anderen Sekundarenergietragem wie Elektrizitat oder synthetischem
Erdgas auszeichnet.
Aus okologischer Sicht ist Wasserstoff unerreicht umweltfreundlich. Bei
seiner Herstellung aus Wasser entsteht diejenige Menge Sauerstoff, welche
spater bei seiner nahezu schadstoff-frei durchftihrbaren Verbrennung verbraucht
wird. 1m Gegensatz zur Verbrennung fossiler Energietrager, wo in die Sauer
stoff- und Kohlendioxidbilanz der Atmosphiire eingegriffen wird, ist dieser
Wasserstoff- bzw. Wasserkreislauf hinsichtlich des Energieumsatzes wesentlich
starker belastbar wie der heute hierftir beniitzte Kreislauf des Kohlenstoffs.
Wasserstoff, als "brennbare" Luft 1766 von Cavendish beschrieben und
1
von Lavoisier Hydrogenium genannt, wurde von Dewar 1898 erstmals ver
fliissigt. Mehr als ein halbes J ahrhundert lang wurde anschlieBend flllssiger
Wasserstoff nur in kleinen Mengen hergestellt und war im wesentlichen auf
Laborversuche beschrlinkt. Zu den ersten Anwendungen gehorte vor allem die
1 Phil. Trans., 1766,p. 141,p. 145.
2 1. Einleitung
Erzeugung tiefer Temperaturen, die Messung der spezifischen Warme von Fest
korpern, herab bis zur tiefstmoglichen mit Wasserstoff erreichbaren Temperatur
von etwa 12 K. Neben diesen, vor aHem von Simon in Oxford mit dem Ziel der
Priifung des Nemstschen Warmetheorems durchgeflihrten Untersuchungen
wurden spater insbesondere an der University of California von W. F. Giauque
in den Jahren 1920 bis 1930 Arbeiten liber die freie Energie chemischer Ver
bindungen vom Temperaturbereich des fllissigen Wasserstoffs ab bis Umgebungs
temperatur durchgeflihrt.
Lange Zeit war das Verhalten der speziftschen Warme des Wasserstoffs ins
besondere bei tiefen Temperaturen ungeklart. Aufgrund der theoretischen
Arbeitell zur Quantentheorie von E. Schr6dinger und W. Heisenberg konnte
letzterer zeigen, da~ die zwei Modiftkationen des Wasserstoffmoleklils, der
Orthowasserstoff mit parallelen Kernspins und der Parawasserstoff mit anti
parallelen Kernspins daflir verantwortlich sind. Orthowasserstoff besitzt bei
Umgebungstemperatur etwa die dreifache Haufigkeit gegenliber Parawasserstoff,
wogegen letzterer bei tiefen Temperaturen die nahezu ausschlie~lich vorkom
mende Spezies darstellt. Der gro~e Unterschied in der inneren Energie zwischen
Ortho- und Parawasserstoff hat flir die praktische Anwendung erhebliche Kon
sequenzen. Wird Wasserstoff "normaler Zusammensetzung" (75% Ortho und
25% Para) verfllissigt, hat der fllissige Wasserstoff zunachst etwa diese Ortho
bzw. Para-Anteile, obwohl dem thermodynamischen Gleichgewicht bei 20 K
ein Gehalt von 99,8% Parawasserstoff entsprechen wlirde. Der fllissige Wasser
stoff "normaler Zusammensetzung" wandelt sich unter erheblicher Warme
abgabe langsam in Parawasserstoff urn. Dies hat insbesondere bei Langzeit
speicherung von Wasserstoff au~erordent1iche Bedeutung, weil zur Vermeidung
zusatzlicher Abdampfverluste die Einstellung des Gleichgewichts mit Hilfe
geeigneter Katalysatoren bereits wahrend der Verfllissigung erreicht werden mu~.
Nach Pionierarbeiten von Herrik L. Johnston am Cryogenic Laboratory der
Ohio State University in den Jahren 1940-1950 erstellte 1952 das National
Bureau of Standards (NBS) im Auft rag der U.S. Atomenergiekommission ein
Labor in Boulder, Colorado, urn gro~ere Mengen an fllissigem Wasserstoff her
zustellen und intensive Versuche mit dem Ziel technischer Anwendungen durch
zuflihren. Zu diesen Anwendungen gehorten vor allem die Wasserstoffblasen
kammern ftiT die Kernforschung, deren erste 1959 am Lawrence Radiation
Laboratory (LRL) erstellt wurde, sowie nukleare und chemische Raketell
antriebe.
Nukleare Antriebe wurden in den J ahren 1960 bis 1970 intensiv untersucht,
haben aber das Experimentierstadium nicht verlassen, wahrend die Anwendung
von fllissigem Wasserstoff zusammen mit fllissigem Sauerstoff als Raketen
treibstoff seit 1959 intensiv entwickelt wurde und nach dem ersten erfolg
reichen Start einer Wasserstoff/Sauerstoff-Rakete in Cape Kennedy am
27. November 1963 - obere Stufe einer NASA-Centaur mit einer Atlas als
Booster - zum NASA-Apollo-Programm und zum Space Shuttle flihrte. 1m
wesentlichen sind es diese Projekte, welche innerhalb kurzer Zeit zu einer gro~­
technischell Anwendung von fllissigem Wasserstoff geflihrt haben.
Zu erwahnen ist ferner die von der Gesellschaft fUr Linde's Eismaschinen A G