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Herstellung vom Wasserstoff Der Sekundärenergieträger Wasserstoff kann, wie der Sekundärenergieträger Strom, aus allen Energieformen hergestellt werden:
Von der nicht ganz vollständigen Aufzählung sind nur die ersten beiden Verfahren von technisch wirtschaftlicher Bedeutung. Nur diese werden näher erläutert.
Wasserelektrolyse Wenn über die Erzeugung von Wasserstoff im Zusammenhang mit der Energiewirtschaft debattiert wird, ist meistens die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse gemeint. Hintergrund ist die Speicherung von überschüssigem Strom in Form von Wasserstoff. Deshalb soll das Prinzip der Elektrolyse hier kurz dargestellt werden. |
Elektrolyse ist der Umkehrprozess zur Brennstoffzelle. Prinzipiell kann es sich um die gleiche Konstruktion handeln. Bei der Elektrolyse muss Wasser und Strom zugeführt werden. Bei der Brennstoffzelle muss Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) zugeführt werden. Eine Brennstoffzelle produziert Strom und Wasser. Beide Zelltypen lassen sich beliebig groß oder klein bauen. Bei Brennstoffzelle werden heute vorzugsweise Größen im kW-Maßstab, bei Elektrolyseuren vorzugsweise im MW-Maßstab nachgefragt |
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Prinzip der Brennstoffzelle Taucht man 2 Elektroden in einen Elektrolyten und führt den Elektroden Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) zu, beginnt ab etwa 1V Strom zu fließen. Als Elektrolyt sind Salzlösungen, Laugen oder Säuren geeignet. Hier ist eine saure (protonenleitende) Kunststoffmembran dargestellt, die poröse Elektroden erfordert |
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Prinzip der Wasserelektrolyse Taucht man 2 Elektroden in einen Elektrolyten, beginnt ab einer Spannung von 1,23 V die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Bei 1,48 V arbeitet die Zelle mit einem energetischen Wirkungsgrad von 100%. Bei höherer Spannung erwärmt sich die Zelle. Die zugeführte Energie ist dann nicht nur an Wasserstoff gebunden, sondern wird teilweise als Wärme frei. Als Elektrolyt sind Salzlösungen, Laugen oder Säuren geeignet. Hier ist eine saure (protonenleitende) Kunststoffmembran dargestellt, die poröse Elektroden erfordert |
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Wasserstoffwirtschaft mit Elektrolyse-Wasserstoff Wasserstoff aus Strom ist immer teurer als der Strom aus dem er hergestellt wurde. So ist häufig dieses Statement zu lesen: Es ist unsinnig aus Strom mit Verlusten ein Gas herzustellen, das am Ende mit Verlusten wieder verstromt wird. Das stimmt, wenn Wasserstoff in einer Nische genutzt wird und es nur auf den Strom ankommt. In einer Wasserstoffwirtschaft mit systembedingten Stromüberschuss ist das anders, auch weil die Infrastruktur für Wasserstoff einfacher ist und in einer wärmegeführten Energiewirtschaft Strom verlustlos bereitgestellt wird. Allein die kostengünstige Verteilung des Wasserstoffs, würde eine Elektrolyse schon rechtfertigen. Volkswirtschaftlich ist es heute so, dass Strom aus fossilen Kraftwerken gegenüber EE-Strom nicht wettbewerbsfähig ist. Nur einen Teil dieser Stromkosten aus fossilen Kraftwerken zahlen wir über die Stromrechnung. Die sozialen Kosten der Stromerzeugung (Fachleute sagen externe Kosten) zahlen wir als Krankenkassenbeitrag, Krankheit und Tod (70 000 Tote/a allein durch Feinstaub in Deutschland) oder verlagern die Kosten auf künftige Generationen (CO2). Einen weiteren Teil der Kosten zahlen wir mit Steuerabzügen, denn die Subventionen für fossile Energien allein aus dem Bundeshaushalt sind höher als alle durch das EEG verursachten Kosten. |
Wasserstoff aus Biomasse Wasserstoff lässt sich auch auf direktem Wege chemisch aus Biomasse gewinnen. Das geschieht durch Reaktion mit Wasserdampf bei 800°C bis 1000°C. Diese thermochemische Reaktion wird Dampfreformierung genannt (Steam-Reforming). Die chemischen Modellgleichungen lauten: C6H9O4 + 8 H2O = 6 CO2 + 12,5 H2 (allotherm) C6H9O4 + 1,095 O2 + 5,81 H2O = 6 CO2 + 10,31 H2 (autotherm) Es handelt sich um eine endotherme Reaktion bei der keine Wärme freigesetzt wird, sondern Wärme zugeführt werden muss, damit die Reaktion überhaupt erst möglich wird. Das bedeutet, alle Energie, die zugeführt wird, kommt gebunden an Wasserstoff am Ende wieder heraus. Wenn Energie von außen zugeführt (z. B. Elektroheizung) wird, spricht man von einer allothermen Reaktionsführung. Wird die erforderliche Wärme durch Teilverbrennung der Biomasse erzeugt, spricht man von einer autothermen Reaktion. Dieses Verfahren benötigt Sauerstoff. Die Wirkungsgrade beider Verfahren sind gleich. Die oben angegebenen Gleichungen sind Bruttogleichungen. In der Praxis wird zunächst Synthesegas bei ca. 850°C erzeugt, das noch Kohlenmonoxid (CO) enthält. Dieses wird bei Temperaturen von 200°C bis 400°C mit Wasserdampf in Gegenwart eines Katalysators in sogenannten Shift-Reaktoren zu CO2 und H2 umgesetzt. |
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