Über Wasserstoff, die Energie der nächsten Generation

Wir stellen „Wasserstoff“ vor, die nächste Generation kohlenstoffneutraler Energie. Wasserstoff wird in drei Typen unterteilt: „grüner Wasserstoff“, „blauer Wasserstoff“ und „grauer Wasserstoff“, die jeweils unterschiedliche Produktionsmethoden haben. Wir erläutern außerdem die Herstellungsmethoden, die physikalischen Eigenschaften der Elemente, die Speicher- und Transportmethoden sowie die Nutzungsmöglichkeiten. Außerdem erkläre ich, warum Wasserstoff die dominierende Energiequelle der nächsten Generation ist.

Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Bei der Verwendung von Wasserstoff ist es ohnehin wichtig, Wasserstoff zu produzieren. Am einfachsten geht das durch die Elektrolyse von Wasser. Vielleicht hast du das im Naturwissenschaftsunterricht der Grundschule gemacht. Fülle den Becher mit Wasser und halte die Elektroden hinein. Wenn eine Batterie an die Elektroden angeschlossen und mit Strom versorgt wird, finden im Wasser und in jeder Elektrode die folgenden Reaktionen statt.
An der Kathode verbinden sich H+ und Elektronen zu Wasserstoffgas, während an der Anode Sauerstoff entsteht. Dieser Ansatz eignet sich zwar für naturwissenschaftliche Experimente in der Schule, doch für die industrielle Wasserstoffproduktion müssen effiziente, großtechnisch taugliche Mechanismen entwickelt werden. Das ist die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse).
Bei diesem Verfahren wird zwischen Anode und Kathode eine semipermeable Polymermembran eingefügt, die den Durchgang von Wasserstoffionen ermöglicht. Wird Wasser in die Anode des Geräts gegossen, wandern die durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffionen durch die semipermeable Membran zur Kathode, wo sie zu molekularem Wasserstoff werden. Sauerstoffionen hingegen können die semipermeable Membran nicht passieren und werden an der Anode zu Sauerstoffmolekülen.
Auch bei der alkalischen Wasserelektrolyse erzeugt man Wasserstoff und Sauerstoff, indem Anode und Kathode durch einen Separator getrennt werden, den nur Hydroxidionen passieren können. Darüber hinaus gibt es industrielle Verfahren wie die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse.
Durch die großtechnische Durchführung dieser Prozesse können große Mengen Wasserstoff gewonnen werden. Dabei entsteht auch eine erhebliche Menge Sauerstoff (die Hälfte des produzierten Wasserstoffvolumens), sodass eine Freisetzung in die Atmosphäre keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hätte. Da die Elektrolyse jedoch viel Strom benötigt, kann kohlenstofffreier Wasserstoff produziert werden, wenn dieser mit Strom ohne fossile Brennstoffe, wie beispielsweise Windkraftanlagen und Solaranlagen, erzeugt wird.
„Grüner Wasserstoff“ lässt sich durch die Elektrolyse von Wasser mithilfe sauberer Energie gewinnen.

Zur großtechnischen Produktion dieses grünen Wasserstoffs steht außerdem ein Wasserstoffgenerator zur Verfügung. Durch den Einsatz von PEM im Elektrolyseurbereich kann Wasserstoff kontinuierlich produziert werden.

Blauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen

Welche anderen Möglichkeiten gibt es, Wasserstoff herzustellen? Wasserstoff kommt in fossilen Brennstoffen wie Erdgas und Kohle als andere Substanz als Wasser vor. Nehmen wir beispielsweise Methan (CH4), den Hauptbestandteil von Erdgas. Es enthält vier Wasserstoffatome. Man kann Wasserstoff gewinnen, indem man diesen Wasserstoff entnimmt.
Eines dieser Verfahren ist die sogenannte „Dampfreformierung von Methan“, bei der Dampf verwendet wird. Die chemische Formel dieser Methode lautet wie folgt.
Wie Sie sehen, können aus einem einzigen Methanmolekül Kohlenmonoxid und Wasserstoff extrahiert werden.
Auf diese Weise kann Wasserstoff durch Prozesse wie „Dampfreformierung“ und „Pyrolyse“ von Erdgas und Kohle erzeugt werden. „Blauer Wasserstoff“ bezeichnet den auf diese Weise erzeugten Wasserstoff.
Dabei entstehen jedoch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Nebenprodukte. Diese müssen daher recycelt werden, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Wird das Nebenprodukt Kohlendioxid nicht zurückgewonnen, entsteht Wasserstoffgas, der sogenannte „graue Wasserstoff“.

Was für ein Element ist Wasserstoff?

Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1 und ist das erste Element im Periodensystem.
Die Anzahl der Atome ist die größte im Universum und macht etwa 90 % aller Elemente im Universum aus. Das kleinste Atom, das aus einem Proton und einem Elektron besteht, ist das Wasserstoffatom.
Wasserstoff hat zwei Isotope mit an den Kern gebundenen Neutronen: ein neutronengebundenes „Deuterium“ und zwei neutronengebundene „Tritium“. Diese Isotope eignen sich ebenfalls zur Energieerzeugung durch Fusion.
Im Inneren eines Sterns wie der Sonne findet die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium statt, die die Energiequelle für das Leuchten des Sterns darstellt.
Wasserstoff kommt auf der Erde jedoch selten als Gas vor. Wasserstoff bildet Verbindungen mit anderen Elementen wie Wasser, Methan, Ammoniak und Ethanol. Da Wasserstoff ein leichtes Element ist, erhöht sich mit steigender Temperatur die Bewegungsgeschwindigkeit der Wasserstoffmoleküle und sie entweichen der Erdanziehungskraft in den Weltraum.

Wie wird Wasserstoff genutzt? Nutzung durch Verbrennung

Wie wird Wasserstoff, der weltweit als Energiequelle der nächsten Generation Beachtung findet, genutzt? Er wird hauptsächlich in zwei Formen genutzt: als Verbrennungskraftstoff und als Brennstoffzelle. Beginnen wir mit der Verbrennungskraftstoff-Nutzung.
Es werden hauptsächlich zwei Verbrennungsarten verwendet.
Die erste ist die Verwendung als Raketentreibstoff. Japans H-IIA-Rakete nutzt Wasserstoffgas (flüssigen Wasserstoff) und flüssigen Sauerstoff (ebenfalls kryogen) als Treibstoff. Diese beiden werden kombiniert, und die dabei entstehende Wärmeenergie beschleunigt den Ausstoß der entstehenden Wassermoleküle und beschleunigt deren Flug ins All. Da es sich jedoch um ein technisch anspruchsvolles Triebwerk handelt, ist es außer Japan nur den USA, Europa, Russland, China und Indien gelungen, diese Treibstoffe erfolgreich zu kombinieren.
Der zweite Aspekt ist die Stromerzeugung. Auch bei der Stromerzeugung mit Gasturbinen wird Wasserstoff und Sauerstoff kombiniert, um Energie zu erzeugen. Anders ausgedrückt: Es handelt sich um ein Verfahren, das die durch Wasserstoff erzeugte Wärmeenergie nutzt. In Wärmekraftwerken erzeugt die Wärme aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas Dampf, der Turbinen antreibt. Wird Wasserstoff als Wärmequelle genutzt, ist das Kraftwerk klimaneutral.

Wie nutzt man Wasserstoff? Als Brennstoffzelle

Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu nutzen, ist die Verwendung in Brennstoffzellen, die Wasserstoff direkt in Strom umwandeln. Toyota hat in Japan insbesondere dadurch Aufmerksamkeit erregt, dass es im Rahmen seiner Maßnahmen gegen die globale Erwärmung wasserstoffbetriebene Fahrzeuge anstelle von Elektrofahrzeugen (EVs) als Alternative zu Benzinfahrzeugen anpries.
Konkret gehen wir bei der Einführung des Herstellungsverfahrens für „grünen Wasserstoff“ genau umgekehrt vor. Die chemische Formel lautet wie folgt.
Wasserstoff kann Wasser (Heißwasser oder Dampf) erzeugen und gleichzeitig Strom erzeugen. Dies ist sinnvoll, da es die Umwelt nicht belastet. Allerdings weist dieses Verfahren einen relativ geringen Wirkungsgrad von 30–40 % auf und benötigt Platin als Katalysator, was zu höheren Kosten führt.
Derzeit werden Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) eingesetzt. PEFC wird insbesondere in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt, sodass mit einer künftigen Verbreitung zu rechnen ist.

Ist die Speicherung und der Transport von Wasserstoff sicher?

Wir gehen davon aus, dass Sie nun wissen, wie Wasserstoffgas hergestellt und verwendet wird. Wie wird dieser Wasserstoff gespeichert? Wie gelangt er dorthin, wo er benötigt wird? Und wie steht es um die Sicherheit? Wir erklären es Ihnen.
Tatsächlich ist Wasserstoff auch ein sehr gefährliches Element. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts nutzten wir Wasserstoff als Gas, um Ballons, Ballons und Luftschiffe am Himmel schweben zu lassen, da er sehr leicht war. Am 6. Mai 1937 ereignete sich jedoch in New Jersey, USA, die „Explosion des Luftschiffs Hindenburg“.
Seit dem Unfall ist allgemein bekannt, dass Wasserstoffgas gefährlich ist. Insbesondere wenn es Feuer fängt, explodiert es heftig mit Sauerstoff. Daher ist es wichtig, „von Sauerstoff fernhalten“ oder „von Hitze fernhalten“.
Nachdem wir diese Maßnahmen ergriffen hatten, haben wir eine Versandmethode entwickelt.
Wasserstoff ist bei Raumtemperatur gasförmig und daher trotz seiner Gasform sehr voluminös. Die erste Methode besteht darin, bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken hohen Druck auszuüben und den Behälter wie einen Zylinder zu komprimieren. Bereiten Sie einen speziellen Hochdrucktank vor und lagern Sie ihn unter Hochdruckbedingungen wie 45 MPa.
Toyota, der Entwickler von Brennstoffzellenfahrzeugen (FCV), entwickelt einen Hochdruck-Wasserstofftank aus Harz, der einem Druck von 70 MPa standhält.
Eine weitere Methode besteht darin, flüssigen Wasserstoff durch Abkühlung auf -253 °C herzustellen und ihn in speziellen wärmeisolierten Tanks zu lagern und zu transportieren. Ähnlich wie LNG (Flüssigerdgas) beim Import von Erdgas aus dem Ausland wird Wasserstoff während des Transports verflüssigt, wodurch sein Volumen auf 1/800 seines gasförmigen Zustands reduziert wird. 2020 haben wir den weltweit ersten Flüssigwasserstofftransporter fertiggestellt. Dieser Ansatz eignet sich jedoch nicht für Brennstoffzellenfahrzeuge, da die Kühlung viel Energie benötigt.
Es gibt eine Methode zur Lagerung und zum Transport in solchen Tanks, aber wir entwickeln auch andere Methoden zur Wasserstoffspeicherung.
Die Speichermethode besteht in der Verwendung von Wasserstoffspeicherlegierungen. Wasserstoff hat die Eigenschaft, Metalle zu durchdringen und zu zersetzen. Dieser Entwicklungsansatz wurde in den 1960er Jahren in den USA entwickelt. JJ Reilly et al. haben in Experimenten gezeigt, dass Wasserstoff mithilfe einer Magnesium-Vanadium-Legierung gespeichert und freigesetzt werden kann.
Danach gelang es ihm, eine Substanz wie Palladium zu entwickeln, die das 935-fache ihres eigenen Volumens an Wasserstoff aufnehmen kann.
Der Vorteil dieser Legierung besteht darin, dass sie Unfälle durch Wasserstofflecks (vor allem Explosionen) verhindern kann. Daher kann sie sicher gelagert und transportiert werden. Bei unvorsichtiger Lagerung und Lagerung in der falschen Umgebung können Wasserstoffspeicherlegierungen jedoch mit der Zeit Wasserstoffgas freisetzen. Schon ein kleiner Funke kann eine Explosion auslösen, also seien Sie vorsichtig.
Es hat außerdem den Nachteil, dass wiederholte Wasserstoffabsorption und -desorption zur Versprödung führen und die Wasserstoffabsorptionsrate verringern.
Die andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Rohren. Diese müssen drucklos und unter niedrigem Druck betrieben werden, um eine Versprödung der Rohre zu verhindern. Der Vorteil besteht jedoch darin, dass vorhandene Gasleitungen genutzt werden können. Tokyo Gas führte Bauarbeiten am Harumi FLAG durch und nutzte städtische Gaspipelines, um Brennstoffzellen mit Wasserstoff zu versorgen.

Wasserstoffenergie für die Gesellschaft der Zukunft

Betrachten wir abschließend die Rolle, die Wasserstoff in der Gesellschaft spielen kann.
Noch wichtiger ist, dass wir eine kohlenstofffreie Gesellschaft fördern wollen. Wir nutzen Wasserstoff zur Stromerzeugung statt als Wärmeenergie.
Anstelle großer Wärmekraftwerke haben einige Haushalte Systeme wie ENE-FARM eingeführt, die durch Reformierung von Erdgas gewonnenen Wasserstoff zur Stromerzeugung nutzen. Die Frage, was mit den Nebenprodukten des Reformierungsprozesses geschehen soll, bleibt jedoch offen.

Sollte künftig die Wasserstoffzirkulation zunehmen, etwa durch die Zahl der Wasserstofftankstellen, könnte Strom ohne Kohlendioxidemissionen genutzt werden. Zur Erzeugung von grünem Wasserstoff wird natürlich Strom aus Sonnen- oder Windenergie genutzt. Der für die Elektrolyse genutzte Strom sollte dazu dienen, die Stromerzeugung zu reduzieren oder den Akku zu laden, wenn ein Überschuss an natürlichem Strom vorhanden ist. Anders ausgedrückt: Der Wasserstoff befindet sich in derselben Position wie der Akku. Dadurch könnte die thermische Stromerzeugung letztendlich reduziert werden. Der Tag, an dem der Verbrennungsmotor aus dem Auto verschwindet, rückt immer näher.

Wasserstoff kann auch auf anderem Wege gewonnen werden. Tatsächlich entsteht Wasserstoff noch heute als Nebenprodukt bei der Herstellung von Natronlauge. Unter anderem ist er ein Nebenprodukt der Koksproduktion in der Eisenherstellung. Führt man diesen Wasserstoff in die Verteilung ein, erschließt sich eine Vielzahl von Quellen. Das so erzeugte Wasserstoffgas wird auch von Wasserstofftankstellen geliefert.

Blicken wir weiter in die Zukunft. Auch der Energieverlust ist ein Problem bei der Stromübertragung über Kabel. Daher werden wir künftig den über Pipelines gelieferten Wasserstoff nutzen, genau wie die Kohlensäuretanks für kohlensäurehaltige Getränke, und uns einen Wasserstofftank für zu Hause kaufen, um Strom für jeden Haushalt zu erzeugen. Mobile Geräte, die mit Wasserstoffbatterien betrieben werden, werden immer alltäglicher. Es wird spannend sein, diese Zukunft zu erleben.