Wasserstoff bzw. Knallgas als Motor-Treib­stoff

Beim „normalen“ Benzin-Verbrennungs-Motor findet folgende Reaktion statt:

 

2 C8H18 + 25 O2 =>16 CO2 + 18 H2O

 

1 l Benzin + 9.400 l Luft =>1.260 l (2.300 g) CO2 + 1.420 l (1070 g) H2O-Dampf

 

1 kg Benzin + 13.530 l Luft => 1.680 l (3090 g) CO2 + 1.900 l H2O-Dampf

 

 

 

bzw. wenn man die Luft (21 % O2 und 79 % N2) in ihre Bestandteile aufschlüsselt:

 

1 l Benzin + 2.000 l Sauerstoff + 7.500 l Stickstoff => 1.300 l CO2 +1.400 l Wasserdampf + 7.500 l Stickstoff (bezogen auf 20°).

 

 

 

Wird der Motor (statt mit Benzin) mit Propan betrieben, findet folgende Reaktion statt:

 

C3H8 + 5 O2 =>3 CO2 + 4 H2O

 

Anhand der Koeffizienten von Propan und Sauerstoff sieht man, dass 1 Vol.-Teil Pro­pan mit 5 Vol.-Teilen Sauerstoff reagiert. Wie wir beim Wasserstoff sehen werden sind, reagieren bei dieser „Knallgas-Reaktion 2 Vol.-Teile Wasserstoff mit 1 Vol.-Teil Sauerstoff.
D.h. 1 Vol.-Teil Was­serstoff reagiert mit 0,5 Vol.-Teilen Sauerstoff.

 

D. h.: Wird ein Motor –statt mit Flüssig-Gas– mit Wasserstoff betrie­ben, so braucht er 10-mal so viel Sauerstoff (bzw. Luft).

 

 

 

Nachdem wir die Atomgewichte von C, O, und H in die Reaktions-Gleichung einsetzen (und berücksichtigen, dass 1 Mol Gas bei Raumtemperatur 24 l Volu­men entsprechen) erhalten wir:

 

24 l (44 g) Propan + 5 x 24 l (160 g) O2 => 3 x 24 l (132 g) CO2 +4 x 24 l (72 g) H2O-Dampf

 

24 l (44 g) Propan + 120 l (160 g) O =>72 l (132 g) CO2 + 96 l (72 g) H2O-Dampf

 

bzw. wenn man nicht mit Sauerstoff, sondern mit Luft (21 % O2 und 79 % N2) arbeitet (Luft enthält nur ca. 1/5 Sauerstoff):

 

I.) 24 l (44 g) Propan-Gas) + 570 l Luft [120 l (160 g) O2 /450 l Stickstoff]
=> 72 l (132 g) CO2 + 96 l (72 g) H2O-Dampf

 

 

 

auf 1 kg Propan umgerechnet: Gleichung I.) x 1000/44 = I.) x 22,7

 

1.0 kg Propan (545 l Propan-Gas) + 13.0m3 Luft (2.7m3 O2 /10.3 m3 N2)
=> 1.6 m3 CO2 + 2.2 m3 (1630 g) H2O-Dampf

 

 

 

bzw. auf 1 m3 Propan umgerechnet: Gleichung I.) x 1000/24 =41,7):

 

1.000 l (1.835 g) Propan-Gas + 23.750 l Luft [5.000 l (6.673 g) O2 / 18.765 l N2] 
=> 4.003 l (3.000 g) Wasser Dampf+ 3.000 l (5.500 g) CO2

 

 

 

aufgerundet:

 

1m3 (1.8 kg) Propan-Gas + 23.8 m3 Luft [5 m3 (6.7 kg) O2 / 18.8 m3 N2] 
=> 4 m3 Wasser Dampf+ 3m3 (5,5 kg) CO2

 

 

 

Wird der Motor (statt mit Benzin bzw. Propan) mit Wasserstoff betrieben, findet fol­gende Reaktion statt:

 

2 H2 + O2 =>2 H2O

 

Nachdem wir die Atomgewichte von C, O, und H einsetzen (und berücksichti­gen, dass 1 Mol Gas bei Raumtemperatur 24 l Volumen entsprechen) erhalten wir:

 

4 g (48 l) H2  + 32 g (24 l) O2  => 36 g Wasser

 

bzw. wenn man nicht mit Sauerstoff, sondern mit Luft (21 % O2 und 79 % N2) arbeitet (Luft enthält nur ca. 1/5 Sauerstoff):

 

4 g (48 l) H2  + 114 l Luft (24 l O2  / 90 l N2) => 36 g Wasser

 

 

 

auf 1 kg Wasserstoff umgerechnet (x 1000/4 = 250):

 

1.0 kg (12,0 m3 ) H2 + 28.6 m3 Luft [6,0 m3 (8.0 kg) O2 / 22.6 m3 N2] 
=> 9.0 kg Wasser-Dampf + 22,6 m3 N2

 

 

 

bzw. auf 1 m3 Wasserstoff umgerechnet und aufgerundet:

 

1. m3 (83 g) H2 + 2.4 m3 Luft [500 l (667 g) O2 / 1.9 m3 N2] 
=>750 g Wasser + 1.9 m3 N2

 

 

 

D.h. 1 Volumen-Teil Wasserstoff muss man entweder mit 0,5 Teile Sauerstoff (oder mit 5-mal so viel = 2,5 Vol.-Teilen Luft) mischen, um eine optimale Verbrennung zu gewährleisten.
Diese Mischung mit Sauerstoff wird als Knallgas bezeichnet. Sie ist für einen Verbren­nungsmotor (auf Grund der extrem hohen Verbrennungsgeschwindig­keit
=> Detonation!) zu „explosiv“ und führt zur Zerstörung des Motors.

 

 

 

Es wäre denkbar, in einem abgeschlossenen System (z.B. U-Boot, Weltraumsta­tion, Mond-Station usw.) durch Elektrolyse Wasser zu Knallgas zu zersetzen und dieses dann direkt in ei­nem Verbrennungs-Motor zur Energie-Gewinnung zu verwenden. Luft –statt Sauerstoff- für die „normale“ Wasserstoff-Explosion hat man dort natürlich nicht!
Dies ist nur ein Gedanken-Experiment. Mit der ursprünglichen Elektro-Energie (evtl. durch einen Kernreaktor erzeugt) könnte man entweder einen Elektro-Motor betreiben. Und mit dem Knallgas eine Brennstoff-Zelle (die umgekehrte Elektrolyse) betreiben.

 

 

 

Es wäre einen Versuch wert, festzustellen, mit wie viel „Luft“ man das bei der Elektro­lyse entstehende Knallgas vermischen muss, um vom „Detonati­ons-Bereich“ in den „Explosions-Bereich“ zu kommen.

 

 

 

Explosionsgrenzen von Wasserstoff (lt. Handbuch der Raumexplosionen; Ver­lag Chemie, Weinheim, 1965):

 

·        mit Luft: 4,0 bis 75,6 Vol% = 3 bis 64 g/m3

 

·        mit O2: 4,0 bis 93,9 Vol% = 3 bis 80 g/m3 (H2 in O2) [entspr. 6,1 bis 95,4 Vol% O2 in H2]

 

 

 

Detonationsgrenzen von Wasserstoff (Handbuch der Raumexplosionen; Ver­lag Chemie, Weinheim, 1965):

 

·        mit Luft: 18,3 bis 58,9 Vol%
[Maximum bei 28 Vol.-% = 2/7 = stöchiometrisches Gemisch 2 H2 + O2 + 4 N2 (v = 5 Mach)]

 

·        mit O2: 15 bis 90 Vol%
[Maximum bei 67 Vol%  = 2/3 = stöchiometrisches Gemisch 2 H2 + O2 (v = 6 Mach)]

 

 

 

Rechenbeispiel für die Mischung von Knallgas mit Luft bis zu einem H2-Gehalt = 8 Vol %; d.h. etwas oberhalb der unteren Explosionsgrenze von 4 Vol%):

 

 (für die Berechnung wird die Technik des „Mischungs-Kreuzes“ verwendet)

 

 

 

  Aus­gangs-
Konz. % H2
ge­wünschte Konz. % H2   benötigte Vol.-Teile für die ge­wünschte Konz. Prozent­gehalt der Endmi­schung (Knall­gas/ Luft) Prozent­gehalt der Endmi­schung (H2/O2/2N2/)
Knall­gas 68 % H2   0-8 = 8 8 Tle. Knallgas 8/68  = 12 %

7,8 % H2

22,5 % O2

70 % N2
    8 %      
Luft 0 % H2   68-8 = 60 60 Tle. Luft 60/68 = 88 %

 

 

 

Man muss also 8 Teile Knallgas (12 %) mit 60 Teilen Luft (88 %) mischen, um auf einen Wasserstoff-Gehalt von ca. 8 Vol% zu kommen

 

 

 

Natürlich muss in einer Reihe von Versuchen („Versuch macht kluch!“) heraus­gefunden wer­den, bei welcher Mischung der Motor „noch läuft“, sich aber noch nicht im „Detonations-Be­reich“ (=> Zerstörung!) befindet. Es wird wohl im Be­reich 8 – 15 % sein.

 

Kennen Sie vielleicht diesen Choral?

You don’t know what you got,
until it’s gone.

Cinderella

Störche und Geburten
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Das gelungene, vollendete, erfüllte Leben ist eines, in dem wir in Einklang mit unsrer Natur das Beste aus unseren Möglichkeiten gemacht haben – selbstverständlich ohne den Mitmenschen zu schaden, ohne andere unglücklich zu machen.

 

Der Philosoph Bernulf Kanitscheider, Spektrum der Wissenschaft, Juli 2008

 

Des Menschen Tage sind wie Gras,
er blüht wie die Blume des Feldes.

Fährt der Wind darüber, ist sie dahin;
der Ort, wo sie stand, weiß von ihr nichts mehr.

 

Psalm 103

Es wäre doch möglich, dass einmal unsere Chemiker auf ein Mittel gerieten, unsere Luft plötzlich zu zersetzen, durch eine Art Ferment. So könnte die Welt untergehen.


Georg Christoph Lichtenberg

Letzte Worte des Indianerhäuptlings Crowfoot

Nur noch eine kurze Weile, dann bin ich von euch gegangen. Wohin, das kann ich euch nicht sagen. Wir kommen aus dem Nirgendwo, und wir gehen ins Nirgendwo. Was ist das Leben? Es ist der Lichtblitz eines Leuchtkäfers in der Nacht. Es ist der Atem eines Büffels im Winter. Es ist der kleine Schatten, der über das Gras huscht und sich im Sonnenuntergang verliert.

 

Crowfoot (um 1830 – 1890) Häuptling der Blackfoot-Indianer, 25. April 1890

 

Gespräch von Anno 33:

A: Wissen Sie schon das Neueste?

B: Nein, was ist passiert?

A: Die Welt ist erlöst!

B. Was Sie sagen!

A: Ja, der liebe Gott hat Menschengestalt angenommen und sich in Jerusalem hinrichten lassen: dadurch ist nun die Welt erlöst und der Teufel geprellt.

B: Ei, das ist ja ganz scharmant.

 

Arthur Schopenhauer