Wasserstoff - Grundlagen

Inhalt

 

1. Wasserstoff

2. Monoatomarer Wasserstoff

3. Molekularer Wasserstoff

4. Ortho- Parawasserstoff

5. Wasserstoffbrückenbindung

6. Wasserstoffform bei der Elektrolyse

6.1 Monatomarer versus molekularer Wasserstoff

6.2 Molekularen in monoatomaren Wasserstoff umwandeln

6.3 Ortho- und Parawasserstoffanteil

6.4 Auswirkung des Material bei dem Elektrolyseaufbau

7. Energieträger Wasserstoff und sein Heizwert

10. Quellen

 

1. Wasserstoff

 

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit der Bezeichnung "H". Es besteht in seiner einfachsten Form aus einem Atom. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronen. Die positive Ladung von einem Atom tragen die Protonen im Atomkern. Die negative Ladung des Atom tragen die Elektronen, die sich auf Bahnen um den Atomkern befinden.

 

Meist ist die Anzahl der Protonen gleich der Anzahl der Elektronen auf den Bahnen, da das Atom so nach außen hin elektrisch neutral ist.

 

Wenn sich mehrere Atome untereinander verbinden wird von einem Molekül gesprochen.

 

Wasserstoff "H" hat im Periodensystem die Ordnungszahl 1.

Wasserstoff besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron, und hat kein Neutron. Ausnahmen sind Wasserstoffisotope, bei denen der Kern aus mehreren Atombausteinen besteht.

 

 

2. Monoatomarer Wasserstoff

 

Monoatomarer Wasserstoff besteht aus nur einem Wasserstoffatom und ist sehr reaktionsfreudig. Deshalb kommt Wasserstoff kaum in atomarer Form vor, wenn Reaktionspartner wie Sauerstoff oder andere Atome in der Nähe sind.

 

Unter Zuführung von Dissoziationsenergie kann Wasserstoff aus der molekularen Form wieder in die atomare Form gebracht werden. Die benötige Dissoziationsenergie hierfür kann in Form von UV-Strahlung, Beschuss durch Elektronen, Mikrowellenstrahlung oder elektrische Entladung zugeführt werden.

 

 

3. Molekularer Wasserstoff

 

Molekularer Wasserstoff besteht aus mehreren Wasserstoffatomen. Bei der Elektrolyse entsteht an der Elektrode monoatomarer Wasserstoff. Da dieser sehr reaktionsfreudig ist, verbindet er sich in Millisekunden zu molekularen Wasserstoff.

 

4. Ortho- Parawasserstoff

 

Der Wasserstoffatomkern besteht in normalem Form aus einem einzigen Proton. Genauso wie das Elektron, kann sich das Proton drehen. Diese Drehung wird als "Kernspin" bezeichnet.

 

Diese Drehung, auch Eigendrehimpuls (Spin) des Protons genannt, kann nur einen bestimmten Wert annehmen. Dieser Beträg +1/2 oder -1/2, also rechts oder links herum.

 

Bei einem Atom kann das Proton somit rechts oder links herum drehen. Bei Wasserstoff ist genau das der Unterschied zwischen Ortho- und Parawasserstoff.

 

Beim Orthowasserstoff drehen sich beide Protonen in die gleiche Richtung.

Orthowasserstoff
Orthowasserstoff

 

Beim Parawasserstoff drehen sich die Protonen in entgegengesetzter Richtung.

 

Parawasserstoff
Parawasserstoff

Orthowasserstoff ist energiereicher als Parawasserstoff, weil sich die Protonen in die gleiche Richtung drehen.

 

Ein Beispiel: Wenn Sie sich zwei Räder vorstellen, die sich auf einer Achse nah zusammen in die gleiche Richtung drehen, ist der Schwung höher als wenn die Räder gegenläufig drehen und sich so gegenseitig den Schwung nehmen könnten. 

 

Beide Formen des Wasserstoff, stehen bei Raumtemperatur in einem Verhältnis von 75% Ortho- zu 25% Parawasserstoff.

 

Je höher die Temperatur ist, umso höher steigt im Verhältnis auch der Anteil an Orthowasserstoff. In der Nähe des absoluten Nullpunktes (-275,13°C) liegt reiner Parawasserstoff vor.

 

Wenn Orthowasserstoff mit Katalysatoren zusammen kommt, wandelt er sich unter Abgabe von Energie in Parawasserstoff um. Katalysatoren können sein:

  • Eisenoxid 
  • Aktiviertes Kohlenstoff
  • Platiniertem Asbest
  • Seltenerdmetallen
  • Uranverbindungen 
  • Chromoxid oder eine Nickel Verbindung

 

 

5. Wasserstoffbrückenbindung

 

Eine wichtige Eigenschaft des Wasserstoffs ist die Wasserstoffbrückenbindung. Sie ist eine elektrostatische Kraft.

 

Wenn ein "H"-Atom in die Nähe eines stark elektronegativen Atom wie Sauerstoff kommt, hält sich das Elektron des "H" Atom eher in der Nähe des Bindungspartners, dem Sauerstoffatom auf. Dadurch wird das "H"-Atom positiv polarisiert.

 

Es hat damit eine positive Ladung und sucht negativ polarisierte Partner.

Der Bindungspartner (Sauerstoff) wird entsprechend negativ, da er die zusätzliche negative Ladung des Elektrons bei sich hat.

 

Die gebundenen Partner bilden ein Wassermolekül. Das positive "H"-Atom und das negative Sauerstoff-Atom suchen nun jeweils einen Bindungspartner. Kommen Sich zwei Wassermoleküle näher, tritt eine anziehende elektrische Kraft auf. Man kann sich als Vergleich einen Stab vorstellen, der am Haar gerieben und aufgeladen wird. Wenn man diesen Stab nun in die Nähe des Kopfhaares bringt, zieht der Stab die Haare an.

 

Da die Bindung der Wassermoleküle untereinander schwächer ist als die Bindung im Molekül selbst, bleiben die beiden Wassermoleküle nicht dauerhaft zusammen. Sie trennen sich wieder aufgrund ständiger Bewegung innerhalb von Sekundenbruchteilen.

 

 

6. Wasserstoffformen bei der Elektrolyse

 

Welche Wasserstoffart entsteht nun bei der Elektrolyse. Ist es mono- oder molekularer Wasserstoff? Wie hoch ist der Anteil an Ortho- und Parawasserstoff? Dazu mehr in dem folgenden Kapitel

 

 

6.1 Monatomarer versus molekularer Wasserstoff

 

Was für eine Form von Wasserstoff entsteht bei der Elektrolyse?

Hier gehen die Meinungen unter den HHO-Forschern auseinander. Es gibt einige die sagen, dass Ihre Geräte nur monoatomaren Wasserstoff herstellen. Dieser müsste aufgrund seiner reaktionsfreudigkeit noch energetischer und effektiver sein, als molekularer Wasserstoff.

 

Andere wiederum sind der Meinung, dass Dies nicht möglich ist weil Wasserstoff sich in kürzester Zeit einen Bindungpartner sucht, um sich wieder zu einem Wasserstoffmolekül zu verbinden. Somit würde bei der Elektrolyse hauptsächlich molekularer Wasserstoff vorkommen.

 

Was nun genau stimmt, müsste durch Messungen überprüft werden. Wenn die Wege von der Gasherstellung bis zur Verbrennung extrem kurz sind, sollte es möglich sein hauptsächlich monoatomaren Wasserstoff herzustellen und Diesen zu verbrennen.

 

Bei der Verbrennung von monatomaren Wasserstoff müssten andere Effekte auftreten, als bei der Verbrennung von molekularen Wasserstoff. Bisher ist mir ein Anbieter eines HHO-Schweißgerätes bekannt, bei dem das Wasser direkt in der Düse umgewandelt und dann am Düsenausgang verbrannt wird, und die Wege der Gasherstellung und Verbrennung somit extrem kurz sind.

 

 

6.2 Molekularen in monoatomaren Wasserstoff umwandeln

 

Wasserstoff kommt meist in molekularer Form vor. Man kann die Moleküle durch Zufuhr von Dissoziationsenergie wieder trennen. Um die Moleküle zu trennen, kann UV-Licht, Hochspannung oder Beschuss mit Elektronen genutzt werden. 

 

Es gibt Patente von Stanley Meyer (US-Patent 5.149.407) in denen der Effekt des Spaltung von molekularen Wasserstoff genutzt wird, um das Gas kurz vor dem Brennraum im Motor noch einmal aufzuspalten.

 

Das Gas wird dabei einem Hochspannungsfeld und/oder starken UV-Licht ausgesetzt. Wie im Kapitel 2. beschrieben, soll beides dazu führen, das die molekulare Bindung der Wasserstoffatome untereinander aufgebrochen wird und so monoatomarer Wasserstoff im Motorraum verbrannt werden kann.

 

Vorstellbar wäre auch, solch eine Vorrichtung direkt vor einer Brennerdüse anzubringen. Auch hier gilt, es muss mit passenden Versuchsaufbauten ausprobiert werden, um einen Vergleich der Brennerflamme oder der Motorleistung zu erhalten.

 

6.3 Ortho- und Parawasserstoffanteil

 

Ortho- und Parawasserstoff liegt ohne Katalysator und bei Raumtemperatur im Verhältnis 75% Ortho- und 25% Parawasserstoff vor.

 

Was wir alleine bez. der Raumtemperatur mitnehmen können, dass sich die Herstellung von Wasserstoff bei höherer Temperaturen hin zu Gunsten des energiereicheren Orthowasserstoffes verschiebt.

 

Das würde für eine Hochtemperaturelektrolyse sprechen, da hier der Anteil des Ortho- weit über dem von Parawasserstoff liegen müsste.

 

Der Punkt zu der Wahl der Platten, Anschlüsse und Bubbler für die Herstellung, wird unter 6.4 näher beschrieben.

 

 

6.4 Auswirkung des Material bei dem Elektrolyseaufbau

 

Wie im Kapitel 4. beschrieben, kann sich der Anteil vom energiereicheren Ortho- zum energieärmeren Parawasserstoff verschieben, wenn das Gas mit Katalysatoren in Berührung kommt

 

Viele Metallteile von einem meist verwendeten Elektrolyseaufbaus bestehen aus Edelstahl. Diese können für das Wasserstoffgas als Katalysator dienen. Dann ist es wahrscheinlich, dass bei dieser Art der Herstellung am Ende mehr Para- als Orthowasserstoff übrig bleibt.

 

Als Lösung wäre es möglich auf alle Edelstahlteile zu verzichten, und diese durch Kunststoff und Titan zu ersetzen.

 

Eine andere Alternative wäre die Umwandlung in monoatomaren Wasserstoff wie im Kapitel 6.2 beschrieben. Unter der Bedingung, das sich molekularer Wasserstoff wieder in monoatomaren Wasserstoff umwandeln lässt, wäre der vorherige Aufbau mit Katalysatoren nicht relevant. Selbst wenn der Anteil an Parawasserstoff hoch ist, würde dieser wieder in den noch reaktions-freudigeren und vermutlich energiereicheren monoatomare Wasserstoff aufgespalten.

 

 

7. Energieträger Wasserstoff und sein Heizwert

 

Wasserstoff ist kein primärer Energieträger wie Benzin, Erdgas oder Biomasse.
Er ist ein Sekundärer Energieträger, der erst unter Einsatz von anderen Energieträgern entsteht.

Dort wo Strom in größeren Mengen entsteht und zwischengespeichert werden muss, bietet sich Wasserstoff als Energieträger an. Er lässt sich gut speichern und transportieren.

Inzwischen arbeiten Firmen daran, den Energieüberschuss von Windkraftanlagen nicht über den elektrischen Weg mit neuen Strommasten in das öffentliche Netz einzuspeisen, sondern vorhandene Erdgasanlagen zu nutzen. Hierbei wird Wasser durch Elektrolyse direkt an der Windkraftanlage in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. Der Wasserstoff wird dann unter Druck dem Erdgas in der Gasleitung hinzugefügt.

Der Heizwert (kWh/kg) von Wasserstoff liegt bei dem 2,5-fachen Wert von Benzin. Da es mit Sauerstoff wieder zu Wasser verbrennt, ist auch die Schadstoffbelastung geringer als bei vergleichbaren auf Erdöl basierenden Brennstoffen.