Wasserstoffenergietechnik: Die Zukunft der Energiegewinnung?

Wasserstoffenergietechnik: Die Zukunft der Energiegewinnung?

 

Wasserstoff hat als Energieträger viele Vorteile. Deshalb gilt er als möglicher Nachfolger der fossilen Energieträger in einer künftigen Energiewirtschaft. Seine Vorzüge: Er ist praktisch unerschöpflich, und bei seiner Umwandlung in Strom oder Wärme entsteht fast nur Wasserdampf. Zudem sind die Komponenten der Wasserstoffwirtschaft im Prinzip verfügbar. Allerdings steht dem gegenüber, dass man für die Gewinnung von Wasserstoff Energie aufwenden muss. Er ist also nur so umweltfreundlich wie der Prozess für seine Herstellung. Deshalb favorisiert man hierfür erneuerbare Energien und betrachtet Wasserstoff als Speichermedium für Wind- und Wasserkraft, für Biomasse und Solarenergie. Man könnte ihn beispielsweise in sonnenreichen Ländern gewinnen und dann als Gas per Pipeline oder in flüssiger Form mit Tankschiffen zu den Verbrauchern bringen. Der Aufwand für Erzeugung und Transport verschlechtert die Bilanz. Ökonomisch ist Wasserstoff heute nur mit Wasserkraft regenerativ herzustellen.

 

Speichert man Wasserstoff als Gas und erzeugt damit in Brennstoffzellen Strom, so müssen für 1 kWh elektrischer Energie insgesamt 2 kWh Energie aufgewendet werden. Zudem ist Wasserstoff als Gas, bezogen auf die Volumeneinheit, ein schlechter Energieträger. Seine Energiedichte, bezogen auf die Gewichtseinheit, ist für flüssigen Wasserstoff wesentlich höher. Die Verflüssigung ist aber sehr energieaufwendig.

 

 Erzeugung von Wasserstoff

 

Wasserstoff kann durch Elektrolyse direkt aus Wasser gewonnen werden. Dazu legt man eine Gleichspannung an zwei Elektroden in einer wässrigen, alkalischen Lösung. Ein Diaphragma zwischen den Elektroden trennt die Reaktionsräume, damit sich die Reaktionsgase (Wasserstoff und Sauerstoff) nicht vermischen. Allerdings ist das Diaphragma für Hydroxidionen (OH^-) einseitig durchlässig. Mit weniger elektrischer Energie kommt die Hochtemperatur-Dampf-Elektrolyse aus, bei der Dampf statt Wasser verwendet wird. Elektrolyt ist eine Keramik, die Sauerstoffionen leitet. Der Wasserdampf wird auf der Kathodenseite zugeführt. An der Kathode entsteht durch Elektronenaufnahme Wasserstoff, während die Sauerstoffionen durch die Keramik hindurch zur Anode wandern und dort zu Sauerstoff reduziert werden. Bei dem Verfahren der Membranelektrolyse dient eine Ionenaustauschermembran mit protonenleitenden Eigenschaften als Festelektrolyt. Das Wasser wird bei diesem Verfahren auf der Anodenseite zugeführt.

 

Auch andere Substanzen, die Wasserstoff enthalten, sind als Ausgangsstoffe geeignet, z. B. Methan, Kohle, Erdöl oder Erdgas. In thermisch-katalytischen Prozessen gewinnt man Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, ebenso in Pyrolyseverfahren unter Einsatz von Plasmabrennern. Freilich sind diese Ausgangsstoffe nicht unerschöpflich, und die Verfahren selbst werden oft fossil befeuert.

 

Regenerativ hingegen ist die photobiologische Erzeugung von Wasserstoff. Es gibt zwei aussichtsreiche Verfahren: Photolytisch lässt sich Wasserstoff durch Ausnutzen der Photosynthese gewinnen; denn Pflanzen, Algen und manche Bakterien zerlegen Wasser mit Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff. Das zweite Verfahren beruht darauf, dass viele Mikroorganismen Biomasse abbauen und dabei auch Wasserstoff produzieren.

 

 Speicherung und Transport

 

Als Gas lässt sich Wasserstoff mit geringerem Aufwand speichern als in flüssigem Zustand. Die Methoden sind im Prinzip vom Erdgas her vertraut. In der Praxis wird Wasserstoff meist in Druckgasflaschen und in Drucktanks aufbewahrt. Auch die Speicherung in unterirdischen Kavernen ist möglich. Wegen der höheren Energiedichte ist es vorteilhafter, Wasserstoff als Flüssigkeit zu speichern. Da man das Gas aber auf -253 ºC abkühlen muss, um es zu verflüssigen, ist diese Variante sehr energieintensiv. Eine weitere Option ist die Speicherung und der Transport in gebundener Form. Eine Möglichkeit ist die Adsorption, d. h. eine physikalische Bindung gasförmigen Wasserstoffs an eine Oberfläche, etwa an Aktivkohle. Eine andere ist die Absorption in Metallhydriden, bei der atomarer Wasserstoff chemisch in Metallen gebunden wird.

 

 Einsatz von Wasserstoff

 

Der Energieträger Wasserstoff ist für alle energetischen Zwecke nutzbar: Wärme lässt sich damit ebenso erzeugen wie Strom, und er ist als Treibstoff von Automobilen wie von Flugzeugen einsetzbar. Zur Wärmeerzeugung sind katalytische Brenner interessant, weil sie die Emissionen weiter mindern. Das Brenngas reagiert an der Oberfläche eines porösen, katalytisch aktiven Metallsinterkörpers mit Luftsauerstoff. Neben Wasserdampf können Stickoxide entstehen, die aber wegen der niedrigen Verbrennungstemperaturen in geringerer Konzentration als bei Flammenbrennern auftreten. Für die Stromerzeugung und als Antriebe sind Brennstoffzellen aussichtsreich.