Ingenieurwissenschaften Energietechnik – Wasserstofftechnologie
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15 KartenWelche Rolle spielt Wasserstoff im Energiesystem der Zukunft?
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Wasserstoff dient als speicherbarer Sekundärenergieträger für Sektorenkopplung, saisonale Speicherung und Dekarbonisierung schwer elektrifizierbarer Bereiche wie Industrie und Schwerlastverkehr.
Nenne die drei Haupttypen der Wasserelektrolyse und ihre Betriebstemperaturen.
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Alkalische Elektrolyse (AEL, 60–80 °C), PEM-Elektrolyse (50–80 °C) und Hochtemperaturelektrolyse (SOEL, 700–900 °C) unterscheiden sich durch Elektrolyt, Temperatur und Systemkomplexität.
Wie funktioniert die Dampfreformierung von Erdgas zur Wasserstoffherstellung?
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Methan reagiert mit Wasserdampf bei 700–1000 °C über Nickelkatalysator zu Synthesegas (H₂ + CO); nach Water-Gas-Shift und CO₂-Abtrennung entsteht grauer Wasserstoff.
Was unterscheidet grünen, blauen, grauen und türkisen Wasserstoff?
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Grün: Elektrolyse mit EE-Strom; Blau: Dampfreformierung mit CCS; Grau: Dampfreformierung ohne CCS; Türkis: Methanpyrolyse zu H₂ und festem Kohlenstoff.
Welche Speicherdichte erreicht verdichteter Wasserstoff bei 700 bar?
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Bei 700 bar erreicht gasförmiger Wasserstoff ca. 40 kg/m³ (ca. 1,3 kWh/l), benötigt aber energieintensive Verdichtung (10–15 % des Heizwerts) und Hochdrucktanks aus CFK.
Welche Vor- und Nachteile hat flüssiger Wasserstoff (LH₂) bei −253 °C?
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LH₂ bietet höhere volumetrische Dichte (71 kg/m³, 2,4 kWh/l), aber hoher Verflüssigungsenergieaufwand (30–35 % Heizwert), Boil-off-Verluste und komplexe Kryotechnik.
Wie funktioniert die Wasserstoffspeicherung in LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers)?
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Wasserstoff wird exotherm an ein Trägermolekül (z. B. Dibenzyltoluol) gebunden (Hydrierung) und endotherm wieder freigesetzt (Dehydrierung) – speicherbar bei Umgebungsbedingungen in bestehender Tankinfrastruktur.
Welche Reaktionen laufen an Anode und Kathode einer PEM-Brennstoffzelle ab?
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Anode: H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻ (Oxidation); Kathode: ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂O (Reduktion); Gesamt: H₂ + ½ O₂ → H₂O + elektrische Energie + Wärme.
Was charakterisiert eine SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) gegenüber der PEMFC?
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SOFC arbeitet bei 600–1000 °C mit keramischem Elektrolyt (YSZ), toleriert CO als Brennstoff, erreicht höhere elektrische Wirkungsgrade (bis 60 %), benötigt aber lange Anfahrzeiten und teure Hochtemperaturmaterialien.
Wie hoch ist der typische Gesamtwirkungsgrad der Kette Strom → H₂ (Elektrolyse) → Strom (Brennstoffzelle)?
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Power-to-Power-Wirkungsgrad liegt bei 30–45 % (Elektrolyse 65–75 % × Brennstoffzelle 50–60 %), deutlich niedriger als Batteriespeicher (85–95 %).
Welche Explosionsgrenzen besitzt Wasserstoff in Luft und warum ist das sicherheitsrelevant?
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Untere Explosionsgrenze (UEG) 4 Vol.-%, obere (OEG) 75 Vol.-% – extrem breiter Explosionsbereich, niedrigste Zündenergie (0,017 mJ), daher strenge ATEX-Anforderungen und Leckdetektion Pflicht.
Warum eignet sich Wasserstoff für den Schwerlastverkehr besser als batterieelektrische Antriebe?
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Hohe spezifische Energiedichte (33 kWh/kg) ermöglicht große Reichweite bei geringem Gewicht; schnelles Betanken (10–15 min) und keine Kapazitätsverluste bei niedrigen Temperaturen wie bei Batterien.
Was versteht man unter Levelized Cost of Hydrogen (LCOH) und welche Faktoren dominieren?
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LCOH sind gestaffelte Gestehungskosten pro kg H₂ über Anlagenlebensdauer; dominiert von Stromkosten (60–80 % bei Elektrolyse), Volllaststunden, CAPEX der Elektrolyseure und WACC.
Welche Rolle spielt Wasserstoff bei Power-to-X (PtX) und Sektorenkopplung?
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H₂ als Plattformchemikalie ermöglicht Synthese von E-Fuels (Methanol, Kerosin, Ammoniak), stoffliche Nutzung in Chemie/Stahl und Rückverstromung – verbindet Strom-, Wärme-, Verkehrs- und Industriesektor.
Wie beeinflusst die Wasserstoffqualität (ISO 14687) die Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen?
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Verunreinigungen (CO, H₂S, NH₃, Formaldehyd) vergiften Platin-Katalysator irreversibel; ISO 14687-2 fordert z. B. CO < 0,2 µmol/mol, Gesamtnicht-H₂-Gase < 300 µmol/mol für Fahrzeug-Brennstoffzellen.