Das Speicherelement Wasserstoff
Wasserstoff ist auf der Erde in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffe und anderen organischen Verbindungen). Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas und mit einem spezifischen Gewicht von 0,0899 g/l gegenüber Luft ein Leichtgewicht. Faustformel: 1 kg Wasserstoff enthält soviel Energie wie 2,8 kg Benzin.
Wasserstoff ist keine Energiequelle sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe man Energie speichern und transportieren kann. Wasserstoff ist somit eine Sekundärenergie, da zur Herstellung zunächst bei allen Herstellungsarten Primärenergie aufgewendet werden muss. Eine umweltfreundliche Energieerzeugung mittels Wasserstoff findet erst dann statt, wenn der Wasserstoff mit regenerativen Energiequellen erzeugt
wird.
Erzeugung von Wasserstoff
Die am weitesten entwickelten Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff sind das Reformierungsverfahren und die Wasser-Elektrolyse.
Reformierungsverfahren
Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion entsteht als Nebenprodukt in Prozessen der chemischen Industrie und wird dort auch meist wieder verbraucht. Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erdgas erzeugt. Aber auch leichte Kohlenwasserstoffe aus anderen Quellen sind nutzbar, wie z.B. Benzin, Kohle, Methanol oder Biomasse. In den unterschiedlichen Reformierungsverfahren wird den aus Kohlen-Wasserstoffen-Ketten bestehenden fossilen Energieträgern in mehreren Schritten der Wasserstoff entzogen. Als Nebenprodukte entstehen u.a. Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid.
Wasser-Elektrolyse
Ein weiterer schon gebräuchlicher Herstellungsprozess ist die Elektrolyse. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mit einer Flüssigkeit versetzt,
die den Ionentransport ermöglicht. Unter Einsatz von Strom wird Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Dabei wird die elektrische in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. In einer Brennstoffzelle kann das umgekehrte Prinzip genutzt werden, um die zuvor chemisch im Wasserstoff gespeicherte Energie wieder in elektrische zurückzugewinnen.
Weitere Herstellungsarten stellen die Vergärung von Biomasse, das Kvæner-Verfahren sowie die Erzeugung von Wasserstoff aus Grünalgen dar. Jedoch befinden sich diese Technologien noch in der Erprobungsphase.
Speicherung von Wasserstoff
Wasserstoff lässt sich als Energieträger relativ leicht transportieren. Wasserstoff kann wie Erdgas zusammengepresst unter hohem Druck oder in flüssiger Form gespeichert werden. Druckspeicher gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, von zehn Liter fassenden Gasflaschen bis hin zu Großspeichern mit 100.000 Kubikmetern. Für Brennstoffzellenautos sind Tankdrücke von 700 bar in der Erprobung. Außerdem gibt es noch andere Speichermöglichkeiten, die sich noch in der Entwicklung befinden. Man unterscheidet grundsätzlich drei unterschiedliche Speichermöglichkeiten von Wasserstoff: gasförmig in Druckbehältern, flüssig in vakuumisolierten Behältern und als Einlagerung in Metallen
auf molekularer Ebene.
Wasserstoffwirtschaft
Wasserstoff ist ein wichtiges Industrieprodukt. Er ist das Ausgangselement bei der Synthese von Ammoniak, bei der Raffinierung von Mineralöl, der Synthese von Methanol und bei vielen metallurgischen Fertigungsprozessen. Der energiewirtschaftliche Stellenwert von Wasserstoff nimmt ebenfalls stetig zu. Derzeit wird der Einsatz des Energieträgers Wasserstoff im Zusammenhang mit Brennstoffzellensystemen in den unterschiedlichsten Bereichen erprobt. Dazu gehören u.a. die Automobil- und Schiffsindustrie, portable Stromversorgung für Elektrogeräte und Camping sowie die Anwendung in Kleinkraftwerken.
Der Vorteil des Wasserstoffs als Energieträger liegt in seiner Speicherbarkeit und Transportfähigkeit, obwohl für eine funktionierende Wasserstoffwirtschaft noch einige Probleme zu lösen sind. So entsteht bei der Herstellung des Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern
Kohlenmonoxid bzw. Kohlendioxid, also ein Treibhausgas. Probleme für eine Markteinführung stellen u.a. die kurze Lebensdauer, die flächendeckende Versorgung (z.B. Wasserstofftankstellen), Emissionen bei der Herstellung, das Gewicht einiger Speichermedien und die noch relativ hohen Kosten dar. Bei stationären Brennstoffzellen steht mit Erdgas ein Energieträger zur Verfügung, der fast in jedes Haus reicht. Für die mobile Nutzung
der Brennstoffzelle ist die Versorgung noch ein entscheidender Aspekt. Bisher existiert z.B. noch kein Wasserstoff-Tankstellennetz in Deutschland. Ohne diese Wasserstofftankstellen wird sich die Technologie im Automobilbereich nur schwer durchsetzen können (weitere Infos zu
alternativen Treibstoffen ->Biodiesel, reines Pflanzenöl, Erdgas und Autogas). Ebenso wird es voraussichtlich kein flächendeckendes Tankstellennetz geben, solange es nicht serienreife Brennstoffzellenautos gibt.
Haben wir Ihr Interesse geweckt? Besuchen Sie doch einmal das Wasserstoff Forschungszentrum in Herten!
Dr.-Ing. Michael Weber
Netzwerk- und Projektentwickler
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