Methoden der Wasserstofferzeugung

  • Wasserspaltung mit Strom und Wärme
  • Wasserstoffgewinnung aus Erdgas – Anlagenentwicklung und Systemtechnik
  • Wasserstofferzeugung aus Dieselkraftstoffen
  • Wasserstofferzeugung aus Biomasse – Wasserspaltung mit organischen Verbindungen

Wasserstoff zeichnet sich gegenüber allen anderen Brennstoffen durch den höchsten Energieinhalt aus: bei der Verbrennung von nur 1 Kilogramm Wasserstoff zu Wasser wird dieselbe Energie frei wie bei der Verbrennung von 2,75 Kilogramm Benzin.

Dieser hohe Gehalt des Wasserstoffs an chemischer Energie muss bei der Herstellung von Wasserstoff aus Wasser auch aufgewendet werden. Und da kein technischer Prozess in idealer Weise und ohne Verluste den thermodynamischen Gesetzen folgt, ist der Energieaufwand zur Bereitstellung von Wasserstoff immer höher als die letztlich im Energieträger Wasserstoff gespeicherte Energie. Jede Energiewandlung ist also mit irreversiblen Verlusten behaftet.

Die vordringliche Aufgabe der Energietechnik ist es daher, diese Umwandlungsverluste möglichst klein zu halten. Im folgenden werden daher die verschiedenen Möglichkeiten der Wasserstoffherstellung aus Wasser aus technischer und energetischer Sicht dargestellt.

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 Speicherungsmöglichkeiten, die sich noch in der Entwicklung befinden. Man unterscheidet grundsätzlich drei unterschiedliche Speicherungsmöglichkeiten 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 entscheidener 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 Pflanzöl, Erdgas und Autogas). Ebenso wird es voraussichtlich kein flächendeckendes Tankstellennetz geben, solange es nicht serienreife Brennstoffzellenautos gibt.

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