Frage an die Physiker unter euch zur Wasserstoffspeicherung

[Teeschlürfer]

Wenn ich mir den Fred mit der Überschrift: "Frage an die Physiker unter euch..." anschaue, wird mir gesagt das ich bitte nur Antworten soll wenn ich Ahnung von der Materie habe. Deswegen schreibe ich auch nichts dazu, weil ich keinerlei Fachkenntnisse auf dem Gebiet nachweisen kann.

ChatGPT ist ein klasse Tool zur Datenaufbereitung und reinschnuppern in fachfremde Themen. Leider spuckt es auch oft Halbwahrheiten oder schlicht falsche Informationen aus, die man als Laie nicht identifizieren kann.
Ist wie mit Reportagen über Fachthemen: Als Fachfremder denkt man sich: "Joah, interessant das ganze" Wenn jedoch mal Reportage zu einem Thema kommt, bei dem ich durchaus mitreden kann, komme ich aus dem Kopfschütteln nicht mehr raus bei dem Unfug der da teilweise verzapft wird.

Ich benutzte ChatGPT selber gerne, nicht um mir alles vorkaufen zu lassen, sondern um einen groben Einblick zu bekommen und mit neuen Schlagbegriffen Google anzuschmeißen, denn eben jene Schlagbegriffe fehlen einem oft und ohne die Spuckt Google nur sehr halbgares aus. Merke ich grade sehr deutlich beim Thema Mikrofonbau.
Nun schreibet weiter werte Physiker, ist ganz interessant das Thema

 

[Müs Lee]

Wäre schön wenn du uns minder bemittelte noch teilhaben lassen würdest, was und an wen du konkret adressieren wolltest.
So läuft das in der Kommunikation.

Das ist doch vollkommen klar: es war an dich adressiert und der Inhalt war das Geschriebene. Du brauchst jetzt nicht die beleidigte Leberwurst zu spielen, dein Beitrag war inhaltlich teilweise falsch und hat wunderbar bewiesen, wieso ChatGPT nicht blind für alles mögliche benutzt werden soll, für das es weder gedacht noch
geeignet ist. Es ist ein Chatbot zum Labern und keine unfehlbare Koryphäe aller Wissenschaftszweige. Wenn DU etwas aus DEINEM Wissensschatz teilen möchtest - gerne, das ist höchstwillkommen. Jetzt dürfte diese Diskussion zu ChatGPT auch ausreichend breitgetreten sein, um auf das eigentliche Thema zurückzukommen.

 

[xxlrider]

Nun schreibet weiter werte Physiker, ist ganz interessant das Thema

Richtig, geschlossenes Thema , nur für ausgewiesene Physiker.

 

[simpsonsfan]

Jetzt fang ich trotz der vorhergehenden Beiträge nochmal an, das ChatGPT-Thema weiterzutreiben. Vielleicht hilft es ja, wenn man die sachlichen Fehler direkt benennt. Dann weiß man, warum konkret diese Antwort unbrauchbar war/ist.

Bei einer typischen Betriebstemperatur von etwa -253°C und einem Volumen von 1 m^3 beträgt der Sättigungsdampfdruck von flüssigem Wasserstoff etwa 0,12 bar.

Das ist falsch. Der Sättigungsdampfdruck von Wasserstoff bei -253°C beträgt ca. 1bar. Das betrachtete Volumen ist dafür unerheblich. In einem 10m³ Raum ist der Luftdruck auch gleich wie in einem 100m³ Raum.

Das bedeutet, dass sich der Druck im Tank auf diesem Niveau einpendeln würde, wenn der Tank vollständig mit flüssigem Wasserstoff gefüllt ist und die Umgebungstemperatur bei Raumtemperatur (ca. 20°C) liegt.

Das ist falsch. Das bedeutet, dass oberhalb von diesem Druck netto Gas auskondensieren würde und unterhalb von diesem Druck Flüssigkeit verdampfen würde. Auf die Frage, was passiert, wenn man Wärme zuführt ist das hier unerheblich.
Die ganze Idee, den Tank thermisch zu isolieren, fußt darauf, dass man den Tankinhalt nicht an die Umgebungstemperatur angleichen möchte. Die Ausgangsfrage (und das Wort einpendeln) beziehen sich darauf, was eben stationär passiert, wenn der Tankinhalt doch die Umgebungstemperatur annimmt. Ein Unterschied von vier Größenordnungen lässt sich nicht mehr als Messtoleranz abtun.

Ja, es ist möglich, bei der Entnahme von Wasserstoff aus einem Drucktank eine Mini-Turbine zwischenzuschalten, um die Energie aus dem Druck zu nutzen und die Traktionsbatterie aufzuladen. Diese Art von Technologie wird als "Pressure Retarded Osmosis" bezeichnet und ist bereits in einigen Anwendungen im Einsatz.

Das ist ebenso schlicht falsch.

@Nowareeng 490 GPa = 4,9e11 Pa = 4,9e6 bar, korrekt. Vielleicht kann @Müs Lee ja abschätzen, wie dick eine metallene Tankwand sein müsste, um solchem Druck Stand zu halten. Der Fairness halber lassen wir den Tank perfekt kugelförmig sein.

 

[Piktogramm]

@simpsonfan
Kesselformel für Kugeln:
s=(p * r )/( 2 * t)
s ist die Spannung im Material, p der Druck, r der Innenradius der Kugel, t der Wanddicke des Behälters

Mit recht ordentlichem Stahl und einer Zugfestigkeit von 1300MPa/mm² kommt ich auf ein notwendiges t von 0,94m. Ohne jedwede Sicherheitsreserve für Fertigungsfehler, Materialfehler, Crash, Anschlüsse, Temperaturschwankungen, Korrosion, Wasserstoffversprödung.

ABER, die Kesselformel taugt in dem Bereich nicht mehr. Die Faustformel 5*t < r sollte beachtet werden.

Als kleine Referenz, maximale Explosionsdrücke von Gas bzw. Staub/Luftgemischen:
https://link.springer.com/content/pdf/bbm:978-3-322-80197-5/1.pdf

490GPa in einem Druckbehälter sorgt wirklich für eine Bombenstimmung

Nachtrag: Wenn wir den Innendurchmesser von unserem Kugeltank auf 30cm begrenzen, bzw r=0,15m, landen wir bei 0,28m Wandstärke für den Tank.

Ans Tanken oder nur kleinste Lecks im Kraftstoffsystem will ich da gar nicht denken.

 

[Nowareeng]

Probier mal ChatGPT, die Mühle weis ziemlich viel.

Die Mühle weiss gar nichts ..es ist ein Sprachmodell ...welches lediglich Text wi(e)dergibt welcher am wahrscheinlichsten zur Fragestellung passt..
https://www.psychologie-aktuell.com...-ist-ein-sprachmodell-kein-wissensmodell.html

460GPascal ....Ich kann in solchen Dimensionen nicht mehr klar Denken und finde es unglaublich welche Drücke da entstehen ......

 

[Skysnake]

Hm... ich hab mal geschaut. Zugfestigkeit von Stählen liegt wohl im Bereich von GPa. Sprich in dem Bereich oder drunter.

Wenn ich mich jetzt nicht gerade völlig auf dem Holzweg befinde müsste es dann zu plastischen fließen kommen. Also der gleiche Effekt wie bei HEAT Geschossen die einfach durch den Panzerstahl durch gehen.

Durch kleinste Variationen in Material sollte sich diese wohl vergrößern und die Hülle durchbrochen werden egal wie Dick. Im Endeffekt geht es nur darum ob durch die Vergrößerung des Innenvolumens der Druck soweit absinkt, dass die Zugfestigkeit des Materials wieder unterschritten wird.

Da wir ja aber wohl davon ausgehen, dass das Tankvolumen >> Hüllenvolumen sein sollte und selbst wenn nicht wir eben nicht nur einmalig bedanken wollen, dann sehe ich da ziemlich schwarz.

Wie gesagt vielleicht bin ich gerade auf dem Holzweg aber ich würde das definitiv weiter untersuchen wenn ich das lösen müsste.

Vor allem ist meiner Meinung aber wichtig bei so Sachen immer echte Experimente zu machen. Man ist da von den "normalen" Bereichen einfach Größenordnungen weg. Da kann man sich nie sicher sein ob die Vereinfachungen nicht signifikante Effekte erzeugen die eben nicht mehr vernachlässigbar sind...

Ergänzung (8. März 2023)

Btw hier nich ne Seite mit win paar Zahlenwerte, die sicherlich halbwegs akkurat sein werden.

https://de.wikibrief.org/wiki/Ultimate_tensile_strength

Wenn das stimmt bekommen wir bei allem im Bereich von GPa echte Probleme und bei 10GPa quasi unlösbare Probleme die spätestens bei 100GPa dann wirklich unlösbar werden.

Aber wie gesagt, bitte mal jemand nochmals scharf drüber nachdenken. Vielleicht bin ich ja auf dem Holzweg.

 

[Nowareeng]

Also doch nicht lösbar wie ich mal geraten habe ?
Fließendes Metall bei Raumtemperatur ..
coooool 😁

Kopfrechnung + Finger

1 MPa = 1 kg/m²
490GPa = 490t/mm²

Ja , ne ? oder?

 

[Erkekjetter]

Wenn das ein einfach zu lösendes Problem wäre, hätte die Industrie das längst umgesetzt. Genau diese Problematik ist es aber, die Wasserstofffahrzeuge so schwierig machen. Im cyrogenen Zustande könnte man soviel Wasserstoff tanken, dass man entweder sehr kleine Tanks oder aber große Reichweiten hätte. Da man aber schon bei den tanks für nicht cyrogenen Wasserstoff an seine Grenzen stößt, dürfte nach aktuellem Stand der Technik nicht umsetzbar sein, selbst wenn man den Punkt "rentabel" außen vorlässt. Zum Thema: https://www.bam.de/Content/DE/Stand...verteilen sie zumeist,bis auf 875 bar befüllt.

Da sind auch Prüfverfahren umrissen, mit denen dann auch die Dauerbelastung und die Unfallgefahr untersucht werden. Da sieht man erstmal, dass ein Tank, der den Druck standhält, nicht das ist, was man benötigt sondern einen, der auch nach mechanischen Dauerbelastung durch den Druckabfall selbst in einem Unfallszenario noch hält.

 

[Müs Lee]

Die 490GPa sind doch nicht sonderlich relevant, das Paper hat nur ein paar Atome simuliert und nicht einen ganzen Behälter. Hat also wenig praktischen Mehrwert oder Erkenntnis für Transport oder Lagerung von Wasserstoff. Zitat aus der Zusammenfassung:

In summary, we simulated the hydrogen cubic supercells of 216 and 128 atoms at room temperature and a pressure of 490 GPa.

490GPa in einem Druckbehälter sorgt wirklich für eine Bombenstimmung

Jau, das wäre selbst bei kleinsten Volumina absolut fatal. Bei Interesse könnt ihr mal mit dem Rechner hier rumspielen: https://unsaferguard.org/un-saferguard/kingery-bulmash Die reflektierte Druckwelle einer Explosion von 1kg TNT hat selbst bei 0.1m Distanz "nur" einen Druck von 464MPa, also 4640 Bar. (Auch interessant: https://en.wikipedia.org/wiki/Blast_wave und https://en.wikipedia.org/wiki/Equation_of_state#Jones–Wilkins–Lee_equation_of_state_for_explosives_(JWL_equation))

Hm... ich hab mal geschaut. Zugfestigkeit von Stählen liegt wohl im Bereich von GPa. Sprich in dem Bereich oder drunter. Wenn ich mich jetzt nicht gerade völlig auf dem Holzweg befinde müsste es dann zu plastischen fließen kommen.

Kommt doch ganz auf die Konstruktion an. Mit ausreichend Material drumherum kann man theoretisch alles stabil genug auslegen, und wenn diese 490GPa auf einer winzigen Fläche wirken wirds noch einfacher. Kraft = Druck x Fläche. Wenns nur ein paar Moleküle im Nanometerbereich sind, ists wesentlich einfacher als ein 100m³-Tank.

Ich weiss nicht so ganz, was du mit dem Rest aussagen möchtest. HEAT-Geschosse oder shaped charges basieren darauf, dass eine konische Kupferplatte derart stark beschleunigt (7-14 km/s) und durch die Form auf einen winzigen Punkt konzentriert wird, sodass sie allein durch pure kinetische Energie das Zielmaterial durchschneidet - im Prinzip wie ein kleiner Meteorit. Das Zielmaterial wird so schnell und stark verformt, dass Eigenheiten wie die Festigkeit komplett irrelevant werden und hauptsächlich die Dichte und Dicke des Materials zählen. Man kann es dann als Flüssigkeit annähern, zB mit dem hydraulic Johnsson-Cook-Gesetz oder Mie-Grüneisen, die den Druck im Material in diesem Zustand beschreiben.

Also doch nicht lösbar wie ich mal geraten habe ?

Wie gesagt, nicht relevant da nicht auf die gebrauchte Skala übertragbar. Keiner will oder braucht 490GPa im Tank.

Fließendes Metall bei Raumtemperatur ..
coooool 😁

Jo, normales plastisches Verhalten oberhalb der Streckgrenze eben

1 MPa = 1 kg/m²
490GPa = 490t/mm²

1 MPa = 1N/mm² = 1.000.000 N/m² = 100t/m²
490GPa = 490.000 N/mm² = 49.000.000t/m². Das wäre anscheinend ungefähr das Gewicht von 100 Burj Khalifa auf einen Quadratmeter, wenn ich mich jetzt nicht mit den Magnituden vertan hab.

 

[Piktogramm]

Hm... ich hab mal geschaut. Zugfestigkeit von Stählen liegt wohl im Bereich von GPa. Sprich in dem Bereich oder drunter.

Die Hochfesten Stähle mit solchen Werten sind alle unschön teuer und die Menge an Seltenerden die es da in den Legierungen braucht ist erheblich. Neben der Ineffizienz von H² hätte man da auch gleich das Ressourcenproblem der Akkus in gesteigerter Form.

Keiner will [...]490GPa im Tank.

Sprich nur von dir!

 

[Müs Lee]

Die Hochfesten Stähle mit solchen Werten sind alle unschön teuer und die Menge an Seltenerden die es da in den Legierungen braucht ist erheblich.

Noch dazu sind die Festigkeitswerte der Idealfall. Dann kommt noch der Größeneinflussfaktor, Oberflächenbehandlung, Schweißnähte und allerhand Zeug drauf.

Sprich nur von dir!

Na gut, ICH will nirgendwo mit 490GPa hantieren müssen

 

[Skysnake]

Kommt doch ganz auf die Konstruktion an. Mit ausreichend Material drumherum kann man theoretisch alles stabil genug auslegen, und wenn diese 490GPa auf einer winzigen Fläche wirken wirds noch einfacher. Kraft = Druck x Fläche. Wenns nur ein paar Moleküle im Nanometerbereich sind, ists wesentlich einfacher als ein 100m³-Tank.

Na das ist doch der Witz an der Sache. Das Volumen ist völlig irrelevant. Ist das gleiche Prinzip wie beim Stausee. Ob man 1m oder 1km Wasser hinter der Staumauer ist ist völlig egal. Es kommt nur auf die Wasserhöhe und den damit verbundenen Wasserdruck an.

Und ja bei kleinen Durchmessern spielt der Radius ne Rolle, aber in erster Näherung ist es egal.

 

[Bennomatico]

Leider nein, leider gar nicht.

 

[Müs Lee]

Na das ist doch der Witz an der Sache. Das Volumen ist völlig irrelevant. Ist das gleiche Prinzip wie beim Stausee. Ob man 1m oder 1km Wasser hinter der Staumauer ist ist völlig egal. Es kommt nur auf die Wasserhöhe und den damit verbundenen Wasserdruck an.

Und ja bei kleinen Durchmessern spielt der Radius ne Rolle, aber in erster Näherung ist es egal.

Schau dir die Kesselformel doch an, die Spannung wächst linear mit dem Durchmesser und mit dem Druck. Das Volumen wächst zwangsweise bei größerem Durchmesser, wenn man nicht zB bei einem Zylinder gleichzeitig die Höhe verringert. Bei ner Sphäre gehts gar nicht anders, als das Volumen auch zu erhöhen.