Wasserstoffherstellung

Die Wasserstoffherstellung kann auf verschiedene Art erfolgen und meint grundsätzlich die Bereitstellung von H₂. Demgegenüber ist Wasserstoff als Produkt ein farb- und geruchloses Gas und kommt als Rohstoff nicht in natürlicher Form vor. Insofern ist es fast ausschließlich ein Teil in chemischen Verbindungen. Weil Wasserstoff ein Energieträger und keine Energiequelle ist, muss die zur Erzeugung notwendige Energie bereitgestellt werden.

Wir stellen die Wasserstoffherstellung nach verschiedenen Kriterien gefiltert vor.

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) mit Hilfe von Strom in seine beiden Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) aufgeteilt. Die eingesetzte elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.

Die Reaktion findet in einem mit leitfähigen Elektrolyten (Salze, Säuren, Basen) gefüllten Gefäß statt. Aus diesem Grund befinden sich in diesem Gefäß zwei Elektroden , die mit Gleichstrom betrieben werden. Die Elektrolyte sind für den Ionenaustausch notwendig. Durch den Strom wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen Pol (Kathode) und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol (Anode).

Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser beträgt je nach angewandtem Detailverfahren zwischen etwas über 60 % und 85 %. Einige Anlagenhersteller schaffen einen höheren Wirkungsgrad von über 80%, das MIT forscht an einem Verfahren mit nahezu 100%.

Übrigens interessant wird der Wirkungsgrad bei der Rückverstromung. Also wenn Wasserstoff wieder zu Strom werden soll. Auf jeden Fall haben wir bisher einen Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent in den Medien gefunden. Energieseitig sollte in dem Verfahren auch der gewonnene Sauerstoff verwendet werden.

Der deutsche Chemiker Johann Wilhelm Ritter hat die Umwandlungsform von Wasser in Wasserstoff etwa um 1800 nachgewiesen.

Zu den wichtigsten Verfahren der Elektrolys zählen die

• Alkalische Elektrolyse (AEL)
• Proton-Exchange-Membran – Elektrolyse (PEM)
• Solid-Oxid – Elektrolyse (SOEC)

Nebenprodukt

Als Nebenprodukt steht Wasserstoff ohne weiteren Aufwand und damit umweltfreundlich direkt zur Verfügung. Bei vielen industriellen Prozessen wird Wasserstoff erzeugt. Das erste Beispiel ist die Herstellung von Chlor (Chlor-Alkali-Elektrolyse). Auch bei der Raffinerie von Rohöl (Benzinreformierung) sowie bei der Produktion von Ethen oder Methanol. steht am Ende Wasserstoff als Produkt.

Jedoch ist die Bezeichnung umweltfreundlich relativ, weil die bei der Herstellung anfallenden Emissionen dem Hauptprodukt und nicht dem Wasserstoff als Nebenprodukt zugeordnet werden.

Der als Nebenprodukt gewonnene Wasserstoff nützt direkt vor Ort als Treibstoff für Züge, Lastkraftwagen oder Busse.

Reformierung

Das Reformierungsverfahren erzeugt Wasserstoff in industrieller Größenordnung. Hauptenergieträger für die Reformierung ist meistens Erdgas. Auch andere Kohlenwasserstoffe sind nutzbar. Somit sind das zum Beispiel Benzin, Kohle, Methanol oder Biomasse. Unterschiedliche Verfahren erzeugen in mehreren Schritten den Wasserstoff. Als Folge entstehen Nebenprodukte wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid.

Dampfreformierung

Dieses Verfahren produziert Wasserstoff in zwei Schritten. Die Basis bilden Kohlenwasserstoffe wie Methan (Erdgas), die unter Zugabe von Wasserdampf, hohen Temperaturen und Druck in Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan aufgespalten werden.

Mittels Katalysatoren spaltet man in weiteren Schritten das Kohlenmonoxid und den Wasserstoff auf.

Partielle Oxidation

Die partielle Oxidation versetzt Erdgas oder einen schweren Kohlenwasserstoff (Heizöl) in einem exothermischen Prozess mit Sauerstoff.

Erneuerbare Energien zur Wasserstoffherstellung

Das Verfahren der Elektrolyse ist CO₂-neutral unter der Voraussetzung der verwendete Strom stammt nicht von fossilen Energieträgern.

Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen, wird der sogenannte grüne Wasserstoff erzeugt. Folgerichtig bestehen weitere Möglichkeiten grünen Wasserstoff zu erzeugen in der Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie der Reformierung von Biogas. Andersgesprochen sind alle dies aufgezählten Verfahren CO₂-neutral.

Biomasse

Die Wasserstoffherstellung aus Biomasse erfolgt entweder durch biologische Prozesse – Gärung – oder chemische Prozesse – mittels thermochemischer Verarbeitung.

Gärung

Im Gärungsprozess entsteht aus energiereichen organischen Verbindung und vergärenden Bakterien unter anderem H₂. Dieser Prozess ist aktuell in geringem Umfang sprich Laborbetrieb umgesetzt.

Thermochemische Verarbeitung oder Vergasung

Die thermochemische Verarbeitung erfolgt bereits im industriellen Umfang und der Wasserstoff wird durch Vergasung oder Pyrolyse sowie anschließender oder direkter Dampfreformierung produziert. Schlußendlich ist die Wasserstoffherstellung aus Erdgas ein gutes Beispiel, wobei das eigentliche Ziel die Produktion von Stickstoffdünger ist.

Quellen

https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffherstellung
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserelektrolyse
https://www.chemie.de/lexikon/Wasserstoffherstellung.html
https://www.energie-experten.org/energie-sparen/energieverbrauch/energietraeger/wasserstoff#c42298