Wasserstoff Herstellung: Was ist Wasserstoff und wie wird er hergestellt?

Als vielversprechender sauberer Energieträger gewinnt Wasserstoff zunehmend an Bedeutung − insbesondere mit Blick auf eine klimafreundlichere Zukunft. Doch haben Sie sich mal gefragt, was Wasserstoff eigentlich ist und wie er hergestellt wird? In diesem Artikel beschäftigen wir uns mit den Grundlagen und den Technologien, die zur Wasserstoff Herstellung genutzt werden und was Wasserstoff zu einem besonderen Element macht.

Wasserstoff: Das einfachste chemische Element und seine Zusammensetzung

Einfach gesagt ist Wasserstoff ein Gas, welches farblos, geruchlos und geschmacklos ist. Es genießt seinen Ruf als einfachstes und häufigstes chemisches Element im Universum. Wasserstoff besteht aus winzigen Teilchen, den Protonen und Elektronen. Er ist äußerst reaktionsfreudig und kann sich mit anderen Elementen zu Verbindungen wie Wasser zusammenschließen. Er fungiert als leistungsfähiger Brennstoff und kann zur Erzeugung von Strom, zum Betrieb von Fahrzeugen und zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Als sauberer Energieträger hat Wasserstoff das Potenzial, die Umweltauswirkungen zu reduzieren und zur nachhaltigen Energieversorgung beizutragen.

Wasserstoff herstellen durch technologischen Einsatz

Es gibt mehrere Technologien zur Wasserstoff Herstellung, die je nach den spezifischen Anforderungen und verfügbaren Ressourcen eingesetzt werden können. Hier sind einige gängige Methoden:

Dampfreformierung von Erdgas: Dies ist derzeit die am weitesten verbreitete Technologie zur Wasserstoff Herstellung. Bei diesem Prozess wird Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, mit Wasserdampf in Gegenwart eines Katalysators erhitzt. Bildlich kann man sich die Dampfreformierung wie das "Aufbrechen" von Erdgas vorstellen. Bei diesem Prozess reagiert das Methan im Erdgas mit dem Wasserdampf, wodurch Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) entstehen. Der gewonnene Wasserstoff wird gereinigt und kann dann als Brennstoff in Fahrzeugen, zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen oder in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet werden.

Dieser Prozess ist kostengünstig, bringt aber auch Nachteile mit sich. Als Nebenprodukt wird nämlich Kohlendioxid freigesetzt, welches Auswirkungen auf die Umwelt hat.

Elektrolyse von Wasser: Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Dies geschieht mit  Anlagen oder Geräten, die als Elektrolyseure bezeichnet werden und den Elektrolyseprozess durchführen.

Solare Wasserstoff Herstellung: Bei dieser Methode wird solare Energie anstelle elektrischer Energie zur Durchführung des Elektrolyseprozesses genutzt. Dies kann entweder durch direkte Sonneneinstrahlung oder durch Konzentration der Sonnenstrahlung mit Hilfe von Solarspiegeln oder -kollektoren erfolgen. Diese neue Technologie könnte in Ländern zum Einsatz kommen, in denen ausreichend Sonne zur Verfügung steht und ermöglichen Wasserstoff besonders kostengünstig zu produzieren.

Thermochemische Wasserstoff Herstellung (Biologische Wasserstoff Herstellung): Einige Mikroorganismen wie bestimmte Bakterien oder Algen können Wasserstoff durch Fermentation oder Photosynthese produzieren. Diese Methode ist noch in der Entwicklung, hat aber Potenzial als nachhaltige und umweltfreundliche Wasserstoffquelle. Der Nachteil bei dieser Herstellungsart sind jedoch die endlichen Ressourcen.

Nachhaltigkeit der Wasserstoff Herstellung: Die Wahl der richtigen Energiequelle

Es ist zu beachten, dass nicht alle Wasserstoffherstellungsverfahren gleichermaßen nachhaltig oder umweltfreundlich sind. Die Nachhaltigkeit der Wasserstoff Herstellung hängt von der verwendeten Energiequelle und den CO2-Emissionen während des Herstellungsprozesses ab. Um die Vorteile von Wasserstoff als saubere Energiequelle optimal zu nutzen, ist es von großer Bedeutung, erneuerbare Energiequellen für die Herstellung von Wasserstoff einzusetzen. Durch die Nutzung von erneuerbaren Energien wie Solarenergie, Windenergie oder Wasserkraft können die CO2-Emissionen bei der Wasserstoff Herstellung erheblich reduziert werden, wodurch nachhaltiger und

umweltfreundlicher Wasserstoff erzeugt wird. Dies ist ein wichtiger Schritt, um eine kohlenstoffarme Zukunft zu erreichen und den Klimawandel zu bekämpfen.

Wasserstoff wird auch häufig als „Champagner der Energiewende“ bezeichnet. Aber wie können wir großtechnisch Wasserstoff aus erneuerbaren Energien herstellen?

Die Elektrolyse ist das Verfahren, das am aussichtsreichsten ist. Der Elektrolyseprozess ermöglicht die umweltfreundliche Herstellung von Wasserstoff, insbesondere wenn der dafür verwendete Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Diese Technologien spielen eine wichtige Rolle, damit sauberer Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger für verschiedene Anwendungen entstehen kann. Wir haben uns die verschiedenen Technologien im Detail angeschaut und einen Blick auf die jeweiligen Vor- und Nachteile geworfen.

PEM-Elektrolyse:

Die PEM-Elektrolyse, auch bekannt als Proton Exchange Membrane-Elektrolyse, spaltet Wasser mithilfe einer Polymermembran und elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff auf.

Vorteile:

• Schnelle Inbetriebnahme und schnelles Anpassen an variable Lasten
• Hohe Effizienz bei Teillastbetrieb
• Geringe Betriebstemperatur (50-80°C), wodurch der Einsatz von teuren Werkstoffen reduziert wird
• Kompakte Größe und einfache Integration in bestehende Systeme
• Hoher Technologischer Reifegrad (TRL 7-8)

Nachteile:

• Empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Wasser, erfordert daher eine Vorbehandlung des Wassers
• Begrenzte Lebensdauer der PEM-Brennstoffzelle (ca. 10.000 Betriebsstunden)
• Höhere Kosten im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse
  
  

Alkalische Elektrolyse:

Bei der alkalischen Elektrolyse wird Wasser mithilfe eines alkalischen Elektrolyten, typischerweise einer wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid, in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Vorteile:

• Niedrigere Kosten im Vergleich zu PEM-Elektrolyse
• Robust gegenüber Verunreinigungen im Wasser
• Lange Lebensdauer der Elektrolysezelle (ca. 40.000-80.000 Betriebsstunden)
• Höchster Technologischer Reifegrad (TRL 8-9)

Nachteile:

• Langsamere Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur PEM-Elektrolyse
• Höhere Betriebstemperaturen (70-100°C) führen zu höherem Energieverbrauch
• Schwierigere Integration in bestehende Systeme aufgrund der unterschiedlichen Betriebsparameter

SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell):

SOEC steht für Solid Oxide Electrolysis Cell und bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Elektrolysezelle, die bei hohen Temperaturen und mit festen Oxiden als Elektrolyt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt.

Vorteile:

• Hohe Effizienz und Wärmerückgewinnung durch hohe Betriebstemperaturen (800-1000°C)
• Flexibilität bei der Verwendung von verschiedenen Brennstoffen (z. B. Wasserdampf, CO2)

Nachteile:

• Hohe Betriebstemperaturen erfordern teure Materialien und spezielle Wärmeisolierung
• Langsamer Start und Anpassung an variable Lasten
• Größere Abmessungen und komplexe Systemintegration
• Wenig Betriebserfahrung im großen Maßstab

AEM-Elektrolyse (Anion Exchange Membrane):

AEM steht für Anion Exchange Membrane und bezieht sich auf eine Elektrolyseur-Technologie, bei der eine spezielle Membran verwendet wird, die die Durchlässigkeit für negativ geladene Ionen ermöglicht und Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet.

Vorteile:

• Geringere Kosten im Vergleich zu PEM-Elektrolyse
• Robust gegenüber Verunreinigungen im Wasser
• Betrieb bei niedrigeren Temperaturen (ca. 60-80°C)

Nachteile:

• Begrenzte Entwicklung und Kommerzialisierung im Vergleich zu PEM- und alkalischer Elektrolyse
• Potenzielle Herausforderungen bei der Langzeitstabilität der Membran
• Keine großtechnischen Anlagen verfügbar. Geringer technologischer Reifegrad.

 Zusammenfassend ist zu beachten, dass die Effizienz, Kosten und Leistungsfähigkeit der verschiedenen Elektrolysetechnologien weiterentwickelt werden können. Die Auswahl der geeigneten Technologie hängt von der spezifischen Anwendung, den Betriebsbedingungen und den Zielsetzungen ab. In Zukunft werden wir voraussichtlich weitere Verbesserungen in Bezug auf Effizienz, Kostenreduktion und Leistungsfähigkeit erleben, was zur breiteren Anwendung von Wasserstoff als sauberer Energieträger beitragen wird.