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AGUS Markgräflerland e.V.
 
Arbeitsgemeinschaft Umweltschutz e.V.
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2021,
23.11., HELGOLAND: "Wo der raue Wind auf See für Wasserstoff sorgen soll"...
27.3.: "Wohnträume mit Wasserstoff"!
1.3.: "Energiedienst setzt auf grünen Wasserstoff"!
26.2.: "Versorger im Dreiländereck forcieren grünen Wasserstoff"!
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Wasserstoffwirtschaft_1:
Wo kann H2 sinnvoll eingesetzt werden?

  • Die größte Menge an Wasserstoff wird heute noch zur Herstellung von Ammoniak verwendet:
    28 g Luftstickstoff (N2) + 6 g Wasserstoff (3 H2) → 34 g Ammoniak (2 NH3)
    Das gewonne Ammoniak wird dann wiederum zu größten Teil für die Herstellung von Düngemittel verwendet  
  • Wasserstoff dient in der chemischen Industrie zudem als Rohstoff für die gezielte Herstellung diverser organischer Verbindungen, angefangen bei einfachen Ölen bis hin zu Pharma-Produkten.  
  • Relativ neu ist die Verwendung von Wasserstoff für die Herstellung von flüssigen Treibstoffen. Mehr dazu im Abschnitt "PtX".  
  • Desweiteren ist Wasserstoff ein Brennstoff, der unter großer Energiefreisetzung mit dem Luftsauersoff zu harmlosem Wasser "verbrennt":
    4 g Wasserstoff (2 H2) + 32 g Luftsauerstoff (O2) → 36 g Wasser (2 H2O)
    Die "Verbrennung" des Wasserstoffs kann einerseits in Brennstoffzellen erfolgen und führt dann zu elektrischer Energie oder erfolgt als freie Flamme zur Erzeugung von Wärmeenergie, bevorzugt für Prozesse mit besonders hohen Temperaturen wie z.B. der Stahlherstellung.  

Wasserstoffwirtschaft _2: "Farbenlehre"

  • Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) gespalten. Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO2.  
  • Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, dessen CO2 bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird (Englisch: Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann als CO2-neutral betrachtet werden.  
  • Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100% aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO2-frei ist.  
  • Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.  

Wasserstoffwirtschaft _3:
Wie ist Wasserstoff klimagünstig herzustellen?

Bild ELEKTROLYSE
Bild-Quelle
Klassisch (also bis heute/2020) wird Wasserstoff großtechnisch über zwei Wege hergestellt:
  • Wasser-Elektrolyse
    Bei der Elektrolyse reinen Wassers werden Wassermoleküle mit Hilfe von Strom so zerlegt, dass einerseits Wasserstoff entsteht, andererseits Sauerstoff.

    36 g Wasser (2 H2O) → 4 g Wasserstoff (2 H2)+ 32 g Sauerstoff (O2)
    Strombedarf: ca. 50 kWh pro kg Wasserstoff

    Die Produktion von Wasserstoff auf diesem Wege ist wegen des hohen Strombedatfs unwirtschaftlich.
     
  • Chlor-Alkali-Elektrolyse
    Heute (Jahr 2020) wird statt reinem Wasser normalerweise eine Salzlösung eingesetzt und dabei statt Sauerstoff Chlor hergestellt, welches für die Produktion von PVC und anderer organischer Chlorverbindungen benötigt wird. Gleichzeitig werden bei diesem Elektrolyseverfahren Wasserstoff sowie Natronlauge hergestellt. Es handelt sich also um eine gekoppelte Produktion aller dieser 3 Produkte.

    Teilreaktion 1:
    117 g Salz (2 NaCl) - Strom {2 Elektronen} → 71 g Chlor (Cl2) + 46 g Natrium-Kationen (2 Na+)
    Teilreaktion 2:
    46 g Natrium-Kationen (2 Na+) + 72 g Wasser (4 H2O) → 116 g 50%ige Natronlauge (2 NaOH/H2O) + 2 g Wasserstoff (H2) + Strom {2 Elektronen}

    Gesamtreaktion:
    117 g Salz (2 NaCl) + 72 g Wasser (4 H2O) → 71 g Chlor (Cl2) + 116 g 50%ige Natronlauge (2 NaOH/H2O) + 2 g Wasserstoff (H2)
    Strombedarf: 53 kWh pro kg Wasserstoff (rechnerisch), aber in der Praxis werden die Stromkosten unter den 3 produzierten Produkten aufgeteilt

    Im Zuge der heute verfügbaren Elektrolysekapazitäten wird jedoch insgesamt deutlich weniger Wasserstoff produziert als in der Chemieindustrie benötigt wird. Daher hat sich das zuvor beschriebene Dampfreformieverfahren etablieren können, welcher Erdgas als Rohstoff verwendet.
    Wollte man jetzt kurzfristig die vorhandenen Elektrolyseeinheiten verwenden, um deutlich größere Mengen an Wasserstoff zu produzieren, würde dies entweder zu einer Überproduktion von Chlorgas führen oder man müsste zurück auf die Elektrolyse des reinen Wassers. Beide Wege sind daher stark unwirtschaftlich und benötigen zudem sehr große Strommengen, die wiederum innerhalb der kommenden 20 Jahre durch erneuerbare Energiequellen vermutlich nicht bedient werden können. Die Produktion von Wasserstoff auf diesem Wege mit dem Ziel der klimagünstigen Herstellung von Stahl oder anderen Produktion ist also mit Blick auf die heute verfügbaren Techniken nur in sehr geringem Umfang möglich.  
  • Dampfreformierung (Steam Reforming)
    Vorab: Dampfreformierung darf nicht mit Dampfspaltung (siehe eigene Überschrift) verwechselt werden. Die Verfahren unterscheiden sich im Bezug auf die Zielrichtung und auch bezüglich der Klimarelevanz.
    Ziel des Dampf-Reforming-Prozesses ist es, Wasserstoff herzustellen. Dazu wird Methan (= Hauptbestandteil des Erdgases) thermisch gespalten. Dabei entsteht der gewünschte Wasserstoff sowie gewichtsmässig in einem deutlich größeren Ausmass auch CO2 als unerwünschtes Nebenprodukt, welches direkt in die Atmosphäre entlassen wird:

    16 g Methan (CH4) + 36 g Wasser (2 H2O) → 8 g Wasserstoff (4 H2) + 44 g Kohlendioxid (CO2)
    Verfahren ohne Strom!

    Zusätzliche Mengen an CO2 entstehen durch die Verbrennung von weiterem Erdgas, um die für diese chemische Reaktion notwendige Temperatur von 700-900 Grad C zu erzeugen.  

Bild SCHAUBILD METHAN-PYROLYSE
Bild-Quelle
Neue Verfahren:
  • HT-Elektrolyse
    Im Prinzip nichts anderes als die "normale" Wasser-Elektrolyse bei der das flüssige Wasser gegen Hochtemperatur-Wasserdampf (bis 850 Grad) ausgetauscht ist. Das Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten; ein elektrisch geladenes Diaphragma verhindert die spontane Rückreaktion, d.h. die beiden Gase werden getrennt aufgefangen.

    36 g Wasser (2 H20) → 4 g Wasserstoff (2 H2) + 32 g Sauerstoff (O2)
    Strombedarf: ca. 30 kWh pro kg Wasserstoff

    Größter Vorteil dieses modifizierten Elektrolyse-Verfahrens ist der massiv reduzierte Strombedarf, was trotz der notwendigen Heizung insgesamt zu einer besseren Wirtschaftlichkeit der HT-Elektrolyse führt.  
  • Methan-Pyrolyse
    Dies ist eine völlig neue Technologie für die Wasserstoffherstellung, die darauf basiert, dass Methan bei 2500 Grad spontan unter Bildung von Wasserstoff und Kohlenstoff (=Graphit) zerfällt.
    Labortechnisch funktioniert dieses Verfahren. Großtechnisch gibt es noch Probleme mit dem Abtransport des gebildeten Kohlenstoffs aus dem Reaktor. Es wurden bereitsverschiedene Metall-Legierungen als "Schlepper" getestet, so dass man relativ sicher ist, innerhalb von 3-5 Jahren einen marktreifen Produktionsprozess entwickelt zu haben.
    Die entscheidende Vorteil dieses Verfahrens sind, dass der Prozess komplett ohne Zufauhr von elektrischem Strom funktioniert (welcher ja nur vergleichsweise aufwendig hergestellt werden müsste) und der entstehende Kohlenstoff als Graphit anföllt, welches entweder als Rohstoff für andere Produkte verwendet werden kann oder aber relativ problemlos in Deponien gespeichert werden kann (sozusagen umgekehrte Bergwerke). Die Energiebereitstellung für den Prozess erfolgt am sinnvollsten durch Verbrennung von ca. 16% des hergestellten Wasserstoffes unter Bildung von reinem Wasser.
    Insgesamt ergeben sich folgende Reaktionsgleichungen:

    Pyrolyse-Reaktion:
    96 g Methan (6 CH4) → 24 g Wasserstoff (12 H2) + 72 g Kohlenstoff (6 C)
    Heizung:
    2 g Wasserstoff (H2) + 16 g Sauerstoff (0.5 O2) → 18 g Wasser (H2O)

    Gesamtreaktion:
    96 g Methan (6 CH4) + 16 g Sauerstoff (0.5 O2)→ 22 g Wasserstoff (11 H2) + 72 g Kohlenstoff (6 C) + 18 g Wasser (H2O)
    Verfahren ohne Strom! 

Verfahrensvergleich
Herstellung von
1000 g Wasserstoff
Rohstoff- und Energieeinsatz
Erdgas (Methan) // Strom
Besonderes
Wasser
-Elektrolyse
(ohne) // 50 kWh *
Chlor-Alkali
-Elektrolyse
(ohne) // 53 kWh *Produktion auch von
Koppelprodukten, die
in der Chemieindustrie
benötigt werden.!
Dampf
-Reformierung
2000 g // (ohne) 700-900 Grad C **
Als Nebenprodukt entsteht
5500 g CO2!
Hochtemperatur
-Elektrolyse
(ohne) // 30 kWh *bis 850 Grad C **
Methan-Pyrolyse 2000 g // (ohne) 2500 Grad C
Brennstoffbedarf
für die Heizung bereits
berücksichtigt.


Legende: *= klimaneutral, wenn EEG-Strom; **=Heizung entweder durch Verbrennung von Erdgas unter Freisetzung von CO2 (evtl. 50% durch CCS reduziert) oder Verbrennung von Wasserstoff (klimaneutral, aber 10-15% Minderausbeute bzw. zusätzlich Gasbedarf von ca 250 g je 1000 g Wasserstoff.)