Seit dem Sommer 2020 besch\u00e4ftigt mich das Thema gr\u00fcner Wasserstoff intensiv. St\u00e4ndig, wenn ich diesen Beitrag schreiben will, kommen neue Aspekte dazu. Jetzt ist es aber soweit, finden Sie hier im #RestartThinking Blog eine ausf\u00fchrliche Betrachtung der Technologie und Einsatzgebiete von Wasserstoff, die hochtrabenden Pl\u00e4ne sowie die Potentiale und Knackpunkte. Kostenaspekte sind explizit ausgeklammert, denn dann w\u00fcrden Sie den Umfang einer Diplomarbeit lesen m\u00fcssen. <\/p>\n\n\n\n
Im ersten Teil geht es um die Grundlagen, im zweiten Teil werden die verschiedenen Anwendungen und Pl\u00e4ne erl\u00e4utert. Das ganze Konvolut wird zum Abschluss als PDF hier im Blog f\u00fcr Sie zum Download bereitgestellt. <\/p>\n\n\n\n
Es ist unbestritten, dass uns der Klimawandel<\/a> vor gro\u00dfe Herausforderungen stellt. Deshalb ist die Abkehr von fossilen Brennstoffen ein wichtiger Beitrag, um den wir nicht herumkommen. Wasserstoff wird derzeit von vielen als die L\u00f6sung des Problems angesehen. Doch kann das klappen? Kommen Sie mit auf eine spannende Reise in die Zukunft…<\/p>\n\n\n\n Vielleicht erinnern Sie sich noch an den Chemie-Unterricht in der Schule. Im Periodensystem steht das chemische Element Wasserstoff (H) ganz oben links. In jedem Organismus kommt Wasserstoff (in gebundenen Form) vor und es ist das h\u00e4ufigste chemische Element im Universum. Auch bei uns auf der Erde ist es zu finden \u2013 einerseits in den Gew\u00e4ssern (Meere, Fl\u00fcsse, Seen, Grundwasser, etc.), im Wasserdampf in der Luft (Luftfeuchtigkeit) und im Eis (Permafrost, Arktis, Antarktis, Gletscher). Aber auch Gase, wie etwa Methan, und Erd\u00f6l basieren auf Wasserstoff-Verbindungen (1).<\/p>\n\n\n\n Nicht ganz. Wasserstoff in atomarer<\/strong> Form (H) mit einem positiv geladenem Kern mit einem Proton und null bis zwei Neutronen und einem negativ geladenen Elektron gibt es unter \u201enormalen\u201c Bedingungen auf der Erde nicht (2). H\u00e4ufig findet man den molekularen<\/strong> Wasserstoff (H2), als zweiatomiges Wasserstoffgas, welches farb- und geruchslos ist (3). Und wie kommt man an dieses Gas?<\/p>\n\n\n\n Es gibt verschiedenen M\u00f6glichkeiten um Wasserstoff (H2) herzustellen. Meistens wird in der derzeitigen Diskussion von Elektrolyse gesprochen, aber es gibt noch wesentlich mehr M\u00f6glichkeiten und momentan wird intensiv geforscht. <\/p>\n\n\n\n Bei der Elektrolyse wird Wasser mittels Stromzufuhr<\/strong> in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in einem Elektrolyseur zerlegt<\/strong>. Dazu wird elektrische Spannung an zwei Elektroden angelegt. Die entstehenden Gase sind rein und m\u00fcssen nicht nachbehandelt werden. Mit 4,3 \u20134,9 kWh Energie kann 1 m3 Wasserstoff hergestellt werden (4). Au\u00dferdem ben\u00f6tigt man 9 Liter Wasser um 1 kg H2 und 8 kg Sauerstoff (O2) als Beiprodukt zu erzeugen (5). Wird Salzwasser verwendet, kann es notwendig sein, dieses vorher noch zu entsalzen(6). Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyseuren:<\/p>\n\n\n\n Die derzeit g\u00e4ngigste Elektrolyse-Methode funktioniert mit dem sogenannten alkalischen Elektrolyseur<\/strong>, welcher bereits seit den 1920iger Jahren in der chemischen Industrie im Einsatz ist und bei dem die Anlagekosten niedriger als bei anderen Varianten sind (7). Die Betriebstemperatur liegt zwischen 60 und 80 Grad Celsius, der Druck betr\u00e4gt 1 bis 30 bar (8). Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Konzentration von 20\u201340 % verwendet. In der Mitte dieses Elektrolyseurs befindet sich eine gasdichte Membran, damit sich der entstehende Wasserstoff und der entstehende Sauerstoff auf der jeweiligen Elektrodenseite nicht vermischen (9). <\/p>\n\n\n\n Der PEM-Elektrolyseur<\/strong> kommt durch die \u201eProton Exchange Membran\u201c, eine Polymermebran, zu seinem Namen. In diesem Elektrolyseur wird destilliertes Wasser \u00fcber zwei speziell beschichtete Elektroden (Platin \u00fcberzogener Kohlenstoff auf der Kathodenseite und Iridium und Ruthenium beschichtete Anode) unter Spannung gesetzt. Durch die Polymermembran k\u00f6nnen nur die Wasserstoff-Ionen entweichen, so kann Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden (10). Die Betriebstemperatur betr\u00e4gt 50 bis 80 Grad Celsius bei 30 bis 80 bar Druck (11). Laut der IEA sind PEM-Elektrolyseure noch nicht so weit entwickelt wie die alkalischen Elektrolyseure, aber sie k\u00f6nnen flexibler arbeiten und damit besser in variablen Bedingungen, etwa mit Schwankungen bei der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen, betrieben werden (12).<\/p>\n\n\n\n Weitere Varianten<\/strong> sind beispielsweise Hochtemperatur-Elektrolyseure oder Nickel-Eisen-Elektrolyseure (13). Die Festoxid-Elektrolyseurzelle <\/strong>(englisch solid oxide electrolyzer cell<\/em> \u2013 kurz SOEC<\/em><\/strong>) ist eine neue Entwicklung und Hoffnungstr\u00e4ger vieler. Brennstoffzellen und das Thema \u201ePower to X\u201c werden sp\u00e4ter genauer erkl\u00e4rt. Grunds\u00e4tzlich verwandeln Brennstoffzellen chemische Energie, enthalten in kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen, in elektrische Energie. Die SOEC kann zudem als \u201ereversible Brennstoffzelle\u201c Dampf mittels Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Diese Vielseitigkeit ist bei erneuerbaren Energiequellen interessant, um Lastschwankungen bei Produktions\u00fcbersch\u00fcssen oder Bedarfsspitzen entsprechend ausgleichen zu k\u00f6nnen (14). <\/p>\n\n\n\n Dabei werden kohlenstoffhaltige Energietr\u00e4ger, die gasf\u00f6rmig<\/strong> (z.B. Erdgas, Biogas) oder mit verdampfbarer Fl\u00fcssigkeit (z.B. Leichtbenzin) sind, gemeinsam mit hei\u00dfem Wasserdampf<\/strong> in einem Katalysator bei etwa 500 Grad in Gas (Synthesegas) umgewandelt. Dieses Synthesegas besteht aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) (15). <\/p>\n\n\n\n Um den Wasserstoffanteil im Gas zu steigern<\/strong>, wird ein weiterer Prozessschritt (Shiftreaktion<\/strong>) durchgef\u00fchrt. Dort wird in einem Katalysator bei 250-450 Grad Wasserdampf zugef\u00fchrt. Damit reagiert das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (CO2) (16).<\/p>\n\n\n\n Dabei wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch<\/strong> in einem Reformer (Katalysator) bei hohen Temperaturen teilweise verbrannt<\/strong>. Je nach Verfahren liegen die Temperaturen bei 800-900 Grad oder bei 1200 Grad und dar\u00fcber. Dadurch entsteht ein wasserstoffreiches Synthesegas, welches in gewissen Arten auch von Brennstoffzellen verwendet werden kann. (17)<\/p>\n\n\n\n Bei Dampfreformierung, Pyrolyse und partieller Oxidation sind je nach Verfahren, unterschiedliche und unterschiedlich komplexe Reinigungs- und Weiterverarbeitungsschritte n\u00f6tig. Die Shiftreaktion wurde schon bei der Dampfreformation erkl\u00e4rt. Weitere Ma\u00dfnahmen k\u00f6nnen Ru\u00dfabtrennung, Wasserentfernung und Trocknung oder die Abtrennung von CO2- oder Schwefelverbindungen sein (18).<\/p>\n\n\n\n Bei diesem Prozess werden feste Brennstoffe<\/strong>, wie zum Beispiel Biomasse oder Kohle, unter Ausschluss von Sauerstoff hohen Temperaturen ausgesetzt<\/strong>. Dabei entsteht ein wasserstoffhaltiges Synthesegas und Wasserdampf. Die Reste bestehen aus reinem Kohlenstoff, der weiterverwendet werden kann und auch muss. Dazu kommen wir sp\u00e4ter nochmals.<\/p>\n\n\n\n An dieser Stelle m\u00fcssen wir nochmals zur\u00fcck in den Chemie-Unterricht gehen. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Methan h\u00e4ufig mit Erdgas gleichgesetzt. Zwar besteht Erdgas zu einem gro\u00dfen Anteil (\u00fcber 85 %) aus Methan, doch je nach Vorkommen variiert die chemische Zusammensetzung, etwa durch Ethan, Propan, Butan, Schwefelwasserstoff oder CO2 (19). <\/p>\n\n\n\n Bei der Methanpyrolyse wird \u2013 wie der Name schon sagt – reines Methan<\/strong> unter Ausschluss von Sauerstoff<\/strong> im Hochtemperaturbereich<\/strong> verarbeitet um Wasserstoff zu erzeugen. Dazu muss das Erdgas vorher entsprechend gereinigt werden um die Nicht-Methan-Bestandteile zu entfernen. Bei dem Pyrolyseprozess bleibt der im Gas enthaltene Kohlenstoff nach der Behandlung als Feststoff \u00fcbrig. Das entstehenden Gas muss ebenfalls wieder gereinigt werden (20).<\/p>\n\n\n\n Damit der Prozess einen nachhaltigen Beitrag zum Klimaschutz<\/strong> liefert, muss der Kohlenstoff gebunden bleiben<\/strong> und darf nicht wieder thermisch verwertet, also verbrannt, werden. Je nach Qualit\u00e4t des abgeschiedenen Kohlenstoffs, k\u00f6nnen unterschiedliche Nutzungen resultieren. Etwa kann der Kohlenstoff bei entsprechender Qualit\u00e4t in industriellen Prozessen als \u201eThermal- oder Industrieru\u00df\u201c (englisch carbon black<\/em>) genutzt werden (21). Die Einlagerung in alten Kohleabbaugebieten w\u00e4re ebenfalls denkbar (22). Auch die Nutzung zum Humusaufbau in B\u00f6den (Stichwort Terra Preta) kann angedacht werden, wenn die Schadstoffwerte entsprechend eingehalten werden (23).<\/p>\n\n\n\n Die Methanpyroylse kann auf drei verschiedene Arten<\/strong> erfolgen: Mittels Plasma, thermischer (24) oder katalytischer (25) Spaltung. Die beiden letztgenannten sind derzeit noch im Versuchsstadium. <\/p>\n\n\n\n Die Wasserstoffgewinnung durch Methanpyrolyse mittels Plasma wird auch Kv\u00e6rner-Verfahren genannt. Dieses Verfahren wurde von dem norwegischen Unternehmen Kv\u00e6rner in den 1980iger Jahren entwickelt. Dabei wird Methan mit einem Plasmabrenner bei etwa 1600 Grad in reinen Kohlenstoff (Aktivkohle) und Wasserstoff getrennt (26).<\/p>\n\n\n\n Aufgrund des derzeitigen Wasserstoff-Booms werden verschiedene Erzeugungsm\u00f6glichkeiten erforscht. Beispielswiese wird die H2 Herstellung mittels Gr\u00fcnalgen probiert, wobei der Aufwand der Algenz\u00fcchtung gro\u00df ist. Die Reaktion verd\u00fcnnter S\u00e4uren mit unedlen Metallen oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetallen erzeugen ebenfalls H2, sind aber aufgrund des Aufwandes nicht f\u00fcr den industriellen Einsatz geeignet (27). <\/p>\n\n\n\n Bisher wird Wasserstoff haupts\u00e4chlich (\u00fcber 99 %) aus fossilen Energietr\u00e4gern – vor allem mittels Dampfreformation – gewonnen. Daher kann von „gr\u00fcnem Wasserstoff“ kann nicht die Rede sein, mehr dazu finden Sie im n\u00e4chsten Blogbeitrag<\/a>. Die Internationale Energie Agentur (IEA) listet alle seit dem Jahr 2000 weltweit betriebenen und geplanten Wasserstoff-Projekte auf. Bei den Neuprojekten sind der gr\u00f6\u00dfte Teil bisher Elektrolyse-Anlagen (28).<\/p>\n\n\n\n Ich hoffe, Sie haben nach dem ganzen \u201eTech Talk\u201c noch Lust weiterzulesen. Wenn man sich die ganzen o.a. Methoden ansieht, merkt man, dass viel Aufwand dahinter steckt um Wasserstoff zu produzieren. In der folgenden Tabelle habe ich nochmals f\u00fcr Sie eine deskriptive \u00dcbersicht der Problemfelder und eventueller positiver Effekte zusammengestellt.<\/p>\n\n\n\nWas ist Wasserstoff?<\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Wenn es soviel Wasserstoff gibt, kann ja nichts mehr schief gehen? <\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Technologien <\/strong><\/h2>\n\n\n\n
Elektrolyse<\/strong> <\/h3>\n\n\n\n
Alkalischer Elektrolyseur<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
PEM-Elektrolyseur<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
Weitere Elektrolyseure<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
\n\n\n\nDampfreformierung<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nPartielle Oxidation<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nExkurs Synthesegasreinigung<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nPyrolylse<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nMethanpyrolyse<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
Drei Arten der Methanpyrolyse<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
\n\n\n\nWeitere Wasserstoff-Herstellarten<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nBisherige Umsetzung<\/strong><\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\nNotwendiger Aufwand<\/strong><\/h2>\n\n\n\n