Wasserstofferzeugung: Was ist Wasserstoff und wie wird er erzeugt?

Wasserstoff ist ein vielversprechender sauberer Energieträger und gewinnt daher zunehmend an Bedeutung – insbesondere im Hinblick auf eine klimafreundlichere Zukunft. Aber haben Sie sich schon einmal gefragt, was Wasserstoff eigentlich ist und wie er erzeugt wird? In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf die Grundlagen und die Technologien für die Herstellung von Wasserstoff und erläutern, warum Wasserstoff ein besonderes Element ist.

Wasserstoff ist einfach ausgedrückt ein Gas, das farblos, geruchlos und geschmacklos ist. Es gilt als das einfachste und am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum. Wasserstoff besteht aus winzigen Partikeln, Protonen und Elektronen.

Er ist äußerst reaktiv und kann mit anderen Elementen kombiniert werden, um Verbindungen wie Wasser zu bilden. Er dient als leistungsstarker Kraftstoff und kann zur Erzeugung von Elektrizität, zum Betrieb von Fahrzeugen und zur Wärmeerzeugung verwendet werden. Als sauberer Energieträger hat Wasserstoff das Potenzial, Umweltauswirkungen zu reduzieren und zu einer nachhaltigen Energieversorgung beizutragen.

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

• Dampfreformierung von Erdgas: Dies ist derzeit die am weitesten verbreitete Technologie zur Wasserstofferzeugung. Dabei wird Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserdampf erhitzt. Bildlich kann man sich die Dampfreformierung als das "Aufspalten" von Erdgas vorstellen.
  
  Dabei reagiert das Methan im Erdgas mit dem Wasserdampf und erzeugt Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO). Der erhaltene Wasserstoff wird gereinigt und kann dann als Kraftstoff in Fahrzeugen, zur Erzeugung von Strom in Brennstoffzellen oder in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet werden. Dieser Prozess ist kostengünstig, hat aber auch Nachteile, da als Nebenprodukt Kohlendioxid freigesetzt wird, was wiederum Auswirkungen auf die Umwelt hat.

• Elektrolyse von Wasser: Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die Elektrolyse wird dabei von einem Gerät namens Elektrolyseur durchgeführt.

• Wasserstofferzeugung mit Solarenergie: Bei dieser Methode wird Solarenergie anstelle von elektrischer Energie für den Elektrolyseprozess verwendet. Diese kann entweder durch direktes Sonnenlicht oder durch Bündelung der Sonnenstrahlung mithilfe von Sonnenspiegeln oder -Kollektoren eingefangen werden. Diese neue Technologie könnte in Ländern mit viel Sonne eingesetzt werden, um besonders kosteneffektiv Wasserstoff zu erzeugen.

• Thermochemische Wasserstofferzeugung (biologische Erzeugung von Wasserstoff): Einige Mikroorganismen, wie bestimmte Bakterien oder Algen, können durch Fermentierung oder Photosynthese Wasserstoff erzeugen. Diese Methode befindet sich noch in der Entwicklung, bietet aber Potenzial als nachhaltige und umweltfreundliche Wasserstoffquelle. Der Nachteil dieser Produktionsmethode sind jedoch die endlichen Ressourcen.

Es ist wichtig zu wissen, dass nicht alle Verfahren zur Wasserstofferzeugung gleichermaßen nachhaltig oder umweltfreundlich sind. Der Nachhaltigkeitsgrad der Wasserstofferzeugung hängt von der verwendeten Energiequelle und den CO₂-Emissionen während der Erzeugung ab. Um die Vorteile von Wasserstoff als sauberer Energiequelle optimal zu nutzen, ist es entscheidend, bei der Wasserstofferzeugung auf erneuerbare Energiequellen zu setzen.

Durch die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Windenergie oder Wasserkraft können die CO₂-Emissionen bei der Wasserstofferzeugung deutlich reduziert werden. Das gestaltet die Produktion nachhaltiger und dient der Erzeugung von umweltfreundlichem Wasserstoff. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer CO₂-armen Zukunft und zur Bekämpfung des Klimawandels.

Die Elektrolyse ist dabei der vielversprechendste Prozess und ermöglicht die umweltfreundliche Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere wenn der dafür verwendete Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Diese Technologien spielen eine wichtige Rolle bei der Erzeugung von sauberem Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger für verschiedene Anwendungen. Daher haben wir uns die verschiedenen Technologien und deren Vor- und Nachteile genau angesehen.

PEM-Elektrolyse, auch bekannt als Protonen-Austausch-Membranelektrolyse, spaltet Wasser mithilfe einer Polymermembran und elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff.

Vorteile:

• Schnelle Inbetriebnahme und Anpassung an variable Lasten
• Hohe Effizienz im Teillastbetrieb
• Niedrige Betriebstemperatur (50–80 °C), wodurch der Einsatz teurer Materialien reduziert wird
• Kompakte Größe und einfache Integration in bestehende Systeme
• Hoher technologischer Reifegrad (TRL 7-8)

Nachteile:

• Empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Wasser, weswegen das Wasser vorbehandelt werden muss
• Begrenzte Lebensdauer der PEM-Brennstoffzelle (ca. 10.000 Betriebsstunden)
• Höhere Kosten im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse

Bei der alkalischen Elektrolyse wird Wasser mithilfe eines alkalischen Elektrolyts, in der Regel einer wässrigen Kaliumhydroxidlösung, in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Vorteile:

• Geringere Kosten im Vergleich zur PEM-Elektrolyse
• Beständig gegen Verunreinigungen im Wasser
• Lange Lebensdauer der Elektrolytzelle (ca. 40.000–80.000 Betriebsstunden)
• Höchster technologischer Reifegrad (TRL 8-9)

Nachteile:

• Geringere Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur PEM-Elektrolyse
• Höhere Betriebstemperaturen (70–100 °C) führen zu einem höheren Energieverbrauch
• Schwierigere Integration in bestehende Systeme aufgrund unterschiedlicher Betriebsparameter

SOEC steht für Festoxid-Elektrolyseurzelle und bezeichnet eine Hochtemperatur-Elektrolytzelle, die Wasser bei hohen Temperaturen und mit Festoxiden als Elektrolyt in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt.

Vorteile:

• Hohe Effizienz und Wärmerückgewinnung aufgrund hoher Betriebstemperaturen (800–1000 °C)
• Einsatz mit unterschiedlichen Brennstoffen möglich (z. B. Dampf, CO₂)

Nachteile:

• Hohe Betriebstemperaturen erfordern teure Materialien und spezielle Wärmedämmung
• Langsame Inbetriebnahme und Anpassung an variable Lasten
• Größere Maße und komplexe Systemintegration
• Wenig Erfahrung mit dem Betrieb in großen Dimensionen

AEM steht für Anionenaustauschmembran und bezeichnet eine Elektrolyseur-Technologie, bei der eine spezielle Membran verwendet wird, die durchlässig für negativ geladene Ionen ist und Wasser mittels elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet.

Vorteile:

• Geringere Kosten im Vergleich zur PEM-Elektrolyse
• Beständig gegen Verunreinigungen im Wasser
• Betrieb bei niedrigeren Temperaturen (ca. 60–80 °C)

Nachteile:

• Begrenzte Entwicklung und Vermarktung im Vergleich zu PEM und alkalischer Elektrolyse
• Mögliche Herausforderungen bei der Langzeitstabilität der Membran
• Keine Großinstallationen verfügbar. Geringer technologischer Reifegrad.