Zukünftige grüne Wasserstoffwirtschaft
Das Thema der Zukunft ist die Energiegewinnung aus Wasserstoff. Das Potenzial ist riesig, insbesondere für grünen Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird. Für die Gewinnung, den Transport und die Nutzung von Energie stehen zahlreiche neue Technologien zur Verfügung.
Grüner Wasserstoff ist für die Erreichung der Pariser Klimaschutzziele enorm wichtig. Die Produktion erfolgt mittels Power-to-Gas-Technologie. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solarenergie hergestellt. Grüner Wasserstoff enthält daher kein Kohlendioxid.
Wasserstofftechnologien sind verschiedene mechanische oder chemische Anwendungen, die Wasserstoff nutzen. Sie sollen dazu beitragen, klimaschädliche Gase wie Kohlendioxid oder Methan zu reduzieren. Zu den Anwendungsgebieten gehören die industrielle Produktion, Fracht und Transport, Stromerzeugung und Heizung usw. Darüber hinaus kann die Wasserstofftechnologie zur flexiblen Speicherung erneuerbarer Energie genutzt werden.
Wasserstoffproduktionstechnologie
Grüner Wasserstoff muss durch Elektrolyse hergestellt werden. Es gibt verschiedene Arten der Elektrolyse, ein Elektrolyseur besteht jedoch immer aus mehreren in Reihe geschalteten Elektrolysezellen. Mit Strom aus erneuerbaren Quellen wird dann eine Redoxreaktion erzwungen und das Wasser in seine einzelnen Bestandteile aufgespalten: Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff kann dann in verschiedenen Formen gespeichert werden.
Laut dem Handbuch Wasserstofftechnologie des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS ist insbesondere die Hochtemperaturelektrolyse „eine Schlüsseltechnologie zur effizienten Herstellung von Wasserstoff und Synthesegas“. Es bietet mehrere Vorteile gegenüber alkalischen Elektrolyseuren und Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren. Beispielsweise benötigt der Prozess keine Edelstahlkomponenten und kann direkt Synthesegas produzieren. Bei der Hochtemperaturelektrolyse von Festoxidbatterien (englisch: Solid Oxide Electrolysis, kurz SOE) erreicht die Temperatur während des Umwandlungsprozesses mehr als 750 Grad Celsius. Der Elektrolyt dient als festes keramisches Material, das die beiden Halbzellen trennt. Das Wasser gelangt dann in Form von Dampf in die Reaktionskammer.
Neben der Hochtemperaturelektrolyse gibt es auch die alkalische Elektrolyse und die Protonenaustauschmembranelektrolyse. Aufgrund der geringen Investitionskosten und der langfristigen Technologiestabilität ist die alkalische Elektrolyse (AEL) derzeit das am weitesten verbreitete Elektrolyseverfahren. AEL verwendet einen OH-leitenden Flüssigelektrolyten.
Die Protonenaustauschmembranelektrolyse (PEM) arbeitet bei niedrigen Temperaturen und ist eine relativ neue Technologie. Wasserstoff kann aus Industrie- und Bergbauwasser gewonnen werden. Das Fraunhofer IKTS hat hierfür das Rodosan-Verfahren entwickelt. Die Vorteile von PEM liegen in der schnellen Reaktionsfähigkeit auf Schwankungen der Zusatzenergie und dem guten Lastwechselverhalten. Bei der elektrochemischen Behandlung von Schwefelsäure und sulfatfreiem Wasser in Membranelektrolysezellen wird Wasserstoff als verwertbares Reaktionsprodukt abgetrennt.
Technologie mit geringem Kohlendioxidgehalt, die in Wasserstoff eingesetzt wird
Als Prozessgas zur Herstellung lebenswichtiger und wertvoller Produkte sorgt grüner Wasserstoff dafür, dass kein CO2 mehr ausgestoßen wird. Um Stahl herzustellen, muss Eisenerz in Roheisen umgewandelt werden. Zu diesem Zweck wird im Hochofenprozess Koks eingesetzt. Um den Prozess nahezu klimaneutral zu gestalten (mehr als 95 % Reduzierung der CO2-Emissionen), kann im Direktreduktionsverfahren Wasserstoff anstelle von Erdgas eingesetzt werden. Am besten geeignet ist laut Fraunhofer IKTS die Hochtemperaturelektrolyse. Vorhandene Abwärme kann effektiv genutzt und Synthesegas erzeugt werden.
Auch die Hochtemperaturelektrolyse eignet sich zur Ammoniaksynthese. Der Prozess nutzt derzeit Erdgas, das große Mengen Kohlendioxid produziert. Wenn CO2-Emissionen unvermeidbar sind, können sie als Kohlenstoffquelle genutzt werden. So kann beispielsweise Wachs für die Kosmetikindustrie oder Treibstoff für die Luftfahrt hergestellt werden. Die Fischer-Tropsch-Synthese eignet sich zur Herstellung kohlenstoffhaltiger Produkte aus CO2 und Wasserstoff. Damit diese Technologie jedoch besonders effizient und effektiv ist, muss sie mit einem (Co-)Elektrolyseverfahren kombiniert werden. Durch den Co-Elektrolyse-Prozess entsteht Synthesegas, was die Herstellung chemischer Produkte besonders effizient macht.
Grüner Wasserstoff kann auch als Energiequelle für Strom, Wärme und Verkehr genutzt werden. Theoretisch könnten Erdgaskessel in Gebäuden mit Wasserstoff betrieben werden. Bei der Stromerzeugung kann eine Brennstoffzelle genutzt werden, um Wasserstoff in Strom umzuwandeln. Dies geschieht bei der Kaltverbrennung, bei der es innerhalb der Brennstoffzelle zu einer Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff kommt. Das Abfallprodukt der entstehenden Spannung ist Wasser, es entstehen also keine Emissionen. Im Transportsektor sind wasserstoffbetriebene Autos, Schiffe und Züge eine gute Ergänzung zu Elektrofahrzeugen. Insbesondere in der Luftfahrt und im Schwerlastverkehr können auch synthetische Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis eingesetzt werden.
Im Rahmen des Kärnten-Projekts „H2 Carinthia“ wird grüner Wasserstoff gleich doppelt genutzt: für die industrielle Produktion von Infineon-Mikrochips und anschließend zur Betankung von Transportfahrzeugen. Nach Abschluss der Produktion wird der grüne Wasserstoff abgesaugt und zur PSA-Anlage (Druckwechselabsorption) an der Wassertankstelle transportiert, wo er für die Verkehrsnutzung gereinigt wird. Im Dezember 2022 werden die ersten fünf mit recyceltem grünem Wasserstoff betriebenen Busse im Kärntner ÖPNV zum Einsatz kommen.
Technologie zur Speicherung und zum Transport von grünem Wasserstoff
Damit Wasserstoff zur anderweitigen Nutzung transportiert werden kann, muss er gespeichert werden. Dies stellt eine große Herausforderung dar, da es sich um eine leichte und flüchtige Chemikalie handelt. Wasserstoff kann in verschiedenen Aggregatzuständen in oberirdischen Tanks oder unter der Erde gespeichert werden. Flüssiger Wasserstoff wird in isolierten Kryotanks bei extrem niedrigen Temperaturen (-553 Grad Celsius) gespeichert, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Kryospeichertanks müssen gut isoliert sein, um ein Verdampfen des Wasserstoffs zu verhindern.
Wasserstoff wird gasförmig in Druckspeichern oder unterirdischen Kavernenspeichern gespeichert. Diese Art der Lagerung wird am häufigsten verwendet, da sie eine gute Mobilität gewährleistet. Insbesondere Höhlenspeicher verfügen über hohe Speicherkapazitäten. Darüber hinaus ist keine Versiegelung der neuen Oberfläche erforderlich. Es gibt auch Metallhydridspeicher, bei denen große Mengen Wasserstoff in festen metallischen Gitterstrukturen (z. B. Metall oder Kohlenstoff) gespeichert werden und durch Erhitzen wieder freigesetzt werden können. Aufgrund des hohen Gewichts wird der Transport jedoch schwieriger. Darüber hinaus kann Wasserstoff in einem flüssigen Trägermedium wie Öl (flüssiger organischer Wasserstoffträger) absorbiert werden. Allerdings geht durch die Wirkung des Katalysators viel Energie verloren. Anschließend wird der gespeicherte Wasserstoff transportiert, beispielsweise per LKW, Schiff oder Bahn. Um dies klimafreundlich zu erreichen, muss der Verkehr mit Strom oder grünem Wasserstoff betrieben werden. Wasserstoff kann auch über bestehende oder neue Erdgasleitungen transportiert werden. Besonders interessant ist hier die Erdgasinfrastruktur. Wasserstoff kann in bestimmten Anteilen dem Erdgas beigemischt werden. Im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen werden auch Polyethylenrohre und Metall-Kunststoff-Verbundrohre für den Wasserstofftransport getestet.
Quelle: www.ntv.de
