Über Wasserstoff der nächsten Generation

Wir werden „Wasserstoff“ einführen, die nächste Energiegeneration, die klimaneutral ist. Wasserstoff wird in drei Typen unterteilt: „grüner Wasserstoff“, „blauer Wasserstoff“ und „grauer Wasserstoff“, die jeweils eine andere Produktionsmethode haben. Wir erklären außerdem jede Herstellungsmethode, die physikalischen Eigenschaften der Elemente, die Lagerungs-/Transportmethoden und die Verwendungsmethoden. Und ich werde auch vorstellen, warum es die dominierende Energiequelle der nächsten Generation ist.

Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Bei der Nutzung von Wasserstoff kommt es ohnehin darauf an, „Wasserstoff zu produzieren“. Der einfachste Weg ist die „Elektrolyse von Wasser“. Vielleicht haben Sie in der Grundschule Naturwissenschaften studiert. Füllen Sie den Becher mit Wasser und legen Sie die Elektroden in Wasser. 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. Für schulwissenschaftliche Experimente eignet sich dieser Ansatz zwar gut, aber um Wasserstoff industriell herzustellen, müssen effiziente Mechanismen vorbereitet werden, die für die Produktion im großen Maßstab geeignet sind. Das ist „Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyse“.
Bei dieser Methode wird eine semipermeable Polymermembran, die den Durchgang von Wasserstoffionen ermöglicht, zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet. Wenn Wasser in die Anode des Geräts gegossen wird, wandern die durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffionen durch eine semipermeable Membran zur Kathode, wo sie zu molekularem Wasserstoff werden. Andererseits können Sauerstoffionen die semipermeable Membran nicht passieren und an der Anode zu Sauerstoffmolekülen werden.
Auch bei der alkalischen Wasserelektrolyse erzeugt man Wasserstoff und Sauerstoff, indem man Anode und Kathode durch einen Separator trennt, durch den nur Hydroxidionen passieren können. Darüber hinaus gibt es industrielle Verfahren wie die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse.
Durch die Durchführung dieser Prozesse im großen Maßstab können große Mengen Wasserstoff gewonnen werden. Dabei entsteht auch eine erhebliche Menge Sauerstoff (die Hälfte des produzierten Wasserstoffvolumens), so dass eine Freisetzung in die Atmosphäre keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hätte. Allerdings benötigt die Elektrolyse viel Strom, sodass kohlenstofffreier Wasserstoff hergestellt werden kann, wenn er mit Strom erzeugt wird, der keine fossilen Brennstoffe wie Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren nutzt.
Sie können „grünen Wasserstoff“ erhalten, indem Sie Wasser mit sauberer Energie elektrolysieren.

Für die großtechnische Produktion dieses grünen Wasserstoffs gibt es auch einen Wasserstoffgenerator. Durch den Einsatz von PEM im Elektrolysebereich kann kontinuierlich Wasserstoff erzeugt werden.

Blauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen

Welche anderen Möglichkeiten gibt es also, Wasserstoff herzustellen? Wasserstoff kommt in fossilen Brennstoffen wie Erdgas und Kohle als andere Substanz als Wasser vor. Betrachten Sie beispielsweise Methan (CH4), den Hauptbestandteil von Erdgas. Hier gibt es vier Wasserstoffatome. Man kann Wasserstoff gewinnen, indem man diesen Wasserstoff herausnimmt.
Einer davon ist ein Prozess namens „Dampf-Methan-Reformierung“, bei dem Dampf verwendet wird. Die chemische Formel dieser Methode lautet wie folgt.
Wie Sie sehen, können Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus einem einzigen Methanmolekül extrahiert werden.
Auf diese Weise kann Wasserstoff durch Prozesse wie „Dampfreformierung“ und „Pyrolyse“ von Erdgas und Kohle erzeugt werden. Unter „blauem Wasserstoff“ versteht man so erzeugten Wasserstoff.
Dabei entstehen jedoch als Nebenprodukte Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Sie müssen sie also recyceln, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Das Nebenprodukt Kohlendioxid wird, wenn es nicht zurückgewonnen wird, zu Wasserstoffgas, dem sogenannten „grauen 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, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, ist das Wasserstoffatom.
Wasserstoff hat zwei Isotope mit an den Kern gebundenen Neutronen. Ein neutronengebundenes „Deuterium“ und zwei neutronengebundenes „Tritium“. Dabei handelt es sich auch um Materialien zur Fusionsstromerzeugung.
Im Inneren eines Sterns wie der Sonne findet eine Kernfusion von Wasserstoff zu Helium statt, das die Energiequelle für das Leuchten des Sterns darstellt.
Allerdings kommt Wasserstoff auf der Erde 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 entweicht der Schwerkraft der Erde in den Weltraum.

Wie nutzt man Wasserstoff? Verwendung durch Verbrennung

Wie wird dann „Wasserstoff“, der als Energiequelle der nächsten Generation weltweit Beachtung gefunden hat, genutzt? Es wird hauptsächlich auf zwei Arten verwendet: „Verbrennung“ und „Brennstoffzelle“. Beginnen wir mit der Verwendung von „brennen“.
Es werden hauptsächlich zwei Arten der Verbrennung eingesetzt.
Der erste ist als Raketentreibstoff. Japans H-IIA-Rakete nutzt Wasserstoffgas „flüssigen Wasserstoff“ und „flüssigen Sauerstoff“, der sich ebenfalls in einem kryogenen Zustand befindet, als Treibstoff. Diese beiden werden kombiniert und die dabei erzeugte Wärmeenergie beschleunigt die Injektion der erzeugten Wassermoleküle und fliegt in den Weltraum. Da es sich jedoch um einen technisch schwierigen Motor handelt, haben außer Japan nur die USA, Europa, Russland, China und Indien diesen Kraftstoff erfolgreich kombiniert.
Die zweite ist die Stromerzeugung. Bei der Stromerzeugung durch Gasturbinen wird ebenfalls die Methode der Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zur Energieerzeugung eingesetzt. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Methode, die die von Wasserstoff erzeugte Wärmeenergie untersucht. In Wärmekraftwerken erzeugt die Wärme aus der Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas Dampf, der Turbinen antreibt. Wenn Wasserstoff als Wärmequelle genutzt wird, wird das Kraftwerk CO2-neutral sein.

Wie nutzt man Wasserstoff? Wird als Brennstoffzelle verwendet

Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu nutzen, ist die Brennstoffzelle, die Wasserstoff direkt in Strom umwandelt. Insbesondere Toyota hat in Japan Aufmerksamkeit erregt, indem es im Rahmen seiner Gegenmaßnahmen zur globalen Erwärmung wasserstoffbetriebene Fahrzeuge anstelle von Elektrofahrzeugen (EVs) als Alternative zu Benzinfahrzeugen anpreist.
Konkret gehen wir den umgekehrten Weg, wenn wir die Herstellungsmethode „Grüner Wasserstoff“ einführen. Die chemische Formel lautet wie folgt.
Wasserstoff kann bei der Stromerzeugung Wasser (Heißwasser oder Dampf) erzeugen und ist bewertbar, da er die Umwelt nicht belastet. Andererseits hat diese Methode einen relativ geringen Wirkungsgrad der Stromerzeugung von 30–40 % und erfordert Platin als Katalysator, was höhere Kosten verursacht.
Derzeit verwenden wir Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC). Insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen PEFC, so dass in Zukunft mit einer Verbreitung zu rechnen ist.

Ist die Speicherung und der Transport von Wasserstoff sicher?

Wir glauben, dass Sie inzwischen verstehen, wie Wasserstoffgas hergestellt und verwendet wird. Wie speichert man diesen Wasserstoff? Wie bringen Sie es dorthin, wo Sie es brauchen? Wie war es damals mit der Sicherheit? Wir erklären es Ihnen.
Tatsächlich ist Wasserstoff auch ein sehr gefährliches Element. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts verwendeten wir Wasserstoff als Gas, um Ballons, Ballons und Luftschiffe in den Himmel schweben zu lassen, da es sehr leicht war. Am 6. Mai 1937 ereignete sich jedoch in New Jersey, USA, die „Luftschiff-Hindenburg-Explosion“.
Seit dem Unfall ist allgemein bekannt, dass Wasserstoffgas gefährlich ist. Besonders wenn es Feuer fängt, explodiert es heftig mit Sauerstoff. Daher ist „Von Sauerstoff fernhalten“ oder „Von Hitze fernhalten“ unerlässlich.
Nachdem wir diese Maßnahmen ergriffen hatten, entwickelten wir eine Versandart.
Wasserstoff ist bei Raumtemperatur ein Gas. Obwohl es immer noch ein Gas ist, ist es sehr sperrig. Die erste Methode besteht darin, bei der Zubereitung kohlensäurehaltiger Getränke hohen Druck auszuüben und wie einen Zylinder zu komprimieren. Bereiten Sie einen speziellen Hochdrucktank vor und lagern Sie ihn unter Hochdruckbedingungen wie 45 MPa.
Toyota, das Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV) entwickelt, entwickelt einen Hochdruck-Wasserstofftank aus Harz, der einem Druck von 70 MPa standhält.
Eine andere Methode besteht darin, auf -253 °C abzukühlen, um flüssigen Wasserstoff herzustellen und ihn in speziellen wärmeisolierten Tanks zu speichern und zu transportieren. Wie LNG (Flüssigerdgas) wird Wasserstoff beim Import von Erdgas aus dem Ausland während des Transports verflüssigt, wodurch sein Volumen auf 1/800 seines gasförmigen Zustands reduziert wird. Im Jahr 2020 haben wir den weltweit ersten Flüssigwasserstoffträger fertiggestellt. Für Brennstoffzellenfahrzeuge ist dieser Ansatz jedoch nicht geeignet, da zum Kühlen viel Energie benötigt wird.
Es gibt eine Methode zur Speicherung und zum Transport in solchen Tanks, wir entwickeln aber auch andere Methoden zur Wasserstoffspeicherung.
Die Speichermethode besteht in der Verwendung von Wasserstoffspeicherlegierungen. Wasserstoff hat die Eigenschaft, in Metalle einzudringen und diese zu zerstören. Hierbei handelt es sich um einen Entwicklungstipp, der in den 1960er Jahren in den USA entwickelt wurde. JJ Reilly et al. Experimente haben gezeigt, dass Wasserstoff mithilfe einer Legierung aus Magnesium und Vanadium 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 der Verwendung dieser Legierung besteht darin, dass Unfälle mit Wasserstofflecks (hauptsächlich Explosionsunfälle) verhindert werden können. Daher kann es sicher gelagert und transportiert werden. Wenn Sie jedoch nicht vorsichtig sind und es in der falschen Umgebung belassen, können Wasserstoffspeicherlegierungen mit der Zeit Wasserstoffgas freisetzen. Nun ja, selbst ein kleiner Funke kann einen Explosionsunfall verursachen, seien Sie also vorsichtig.
Es hat außerdem den Nachteil, dass eine wiederholte Wasserstoffaufnahme und -desorption zu einer Versprödung führt und die Wasserstoffaufnahmerate verringert.
Die andere besteht darin, Rohre zu verwenden. Es gilt die Bedingung, dass es nicht komprimiert sein muss und einen niedrigen Druck aufweist, um eine Versprödung der Rohre zu verhindern. Der Vorteil besteht jedoch darin, dass vorhandene Gasleitungen verwendet werden können. Tokyo Gas führte Bauarbeiten an der Harumi FLAG durch und nutzte Stadtgasleitungen zur Versorgung von Brennstoffzellen mit Wasserstoff.

Zukünftige Gesellschaft durch Wasserstoffenergie geschaffen

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 Erzeugung des benötigten Stroms nutzen. Es bleibt jedoch die Frage, was mit den Nebenprodukten des Reformierungsprozesses geschehen soll.

Wenn in Zukunft die Zirkulation von Wasserstoff selbst zunimmt, beispielsweise durch die Erhöhung der Zahl von Wasserstofftankstellen, wird es möglich sein, Strom zu nutzen, ohne Kohlendioxid auszustoßen. Strom erzeugt natürlich grünen Wasserstoff, also Strom aus Sonnenlicht oder Wind. Der für die Elektrolyse verwendete Strom sollte der Strom sein, um die Stromerzeugung zu unterdrücken oder den Akku aufzuladen, wenn überschüssiger Strom aus natürlicher Energie vorhanden ist. Mit anderen Worten: Der Wasserstoff befindet sich an der gleichen Position wie die wiederaufladbare Batterie. Wenn dies geschieht, wird es irgendwann möglich sein, die thermische Stromerzeugung zu reduzieren. Der Tag, an dem der Verbrennungsmotor aus den Autos verschwindet, rückt immer näher.

Wasserstoff kann auch auf einem anderen Weg gewonnen werden. Tatsächlich ist Wasserstoff immer noch ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Natronlauge. Es ist unter anderem ein Nebenprodukt der Koksproduktion in der Eisenherstellung. Wenn Sie diesen Wasserstoff in die Verteilung einbringen, können Sie mehrere Quellen nutzen. Das so erzeugte Wasserstoffgas wird auch von Wasserstofftankstellen geliefert.

Schauen wir weiter in die Zukunft. Der Energieverlust ist auch ein Problem bei der Übertragungsmethode, bei der Kabel zur Stromversorgung eingesetzt werden. Deshalb werden wir in Zukunft den über Pipelines gelieferten Wasserstoff genauso nutzen wie die Kohlensäuretanks, die bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken verwendet werden, und zu Hause einen Wasserstofftank kaufen, um Strom für jeden Haushalt zu erzeugen. Mobile Geräte, die mit Wasserstoffbatterien betrieben werden, werden immer beliebter. Es wird interessant sein, eine solche Zukunft zu sehen.