Der rasant steigende Energiebedarf und seine Folgen für Klima und Umwelt stellen unsere Welt vor eine große Herausforderung. Daher wird heutzutage intensiv an Technologien zur Nutzung von umweltfreundlichen, regenerativen Energiequellen geforscht und deren Praxisanwendungen laufend verbessert.
Besonders die Wasserstofftechnologie stellt ein sinnvolles und anschauliches Modell für eine umweltfreundliche und energetisch gesicherte Zukunft dar.
Doch was ist Wasserstoff eigentlich?
Wie wird Wasserstoff hergestellt, gespeichert und transportiert?
Wie wird Wasserstoff in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren genutzt und wie funktionieren diese?
Was sind Probleme und Vorteile von Wasserstoff als Energieträger?
Die vorliegende Veröffentlichung gibt einfache Antworten auf diese Fragen und zeigt dabei, dass Wasserstoff die Bezeichnung als Energieträger der Zukunft verdient.
Inhaltsverzeichnis
I) Einführung (S. 1 - 4)
1) Allgemeines (S. 1 - 4)
a) Definition: Wasserstoff (S. 1 - 3)
b) Eigenschaften (S. 3 - 4)
c) Vorkommen (S. 4)
II) Herstellung (S. 5 - 15)
1) Dampfreformierung von Erdgas (S. 5 - 6)
2) Pyrolyse und Vergasung von Biomasse (S. 6 - 7)
3) Kværner-Verfahren (S. 7)
4) Wasserstofferzeugung durch Grünalgen (S. 7 - 8)
5) Elektrolyse (S. 8 - 12)
6) Potenziale für die Herstellung von Wasserstoff (S. 12 - 14)
a) Windenergie (S. 13)
b) Solarthermische Energie (S. 13)
c) Biomasse (S. 13)
d) Wasserenergie (S. 13)
e) Weitere Potenziale (S. 13 - 14)
III) Speicherung (S. 15 - 20)
1) Druckgas-Wasserstoffspeicherung (S. 16 - 17)
2) Flüssigwasserstoff-Speicherung (S. 17 - 18)
3) Metallhydrid-Speicherung (S. 19 - 20)
IV) Transport (S. 20 - 23)
1) Pipeline-Netze (S. 21 - 22)
2) Lkw, Tankschiffe und Eisenbahn (S. 22 - 23)
V) Brennstoffzelle (S. 23 - 33)
1) Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle (S. 23 - 28)
2) Vergleich verschiedener Brennstoffzellentypen (S. 28 - 29)
3) Anwendungsmöglichkeiten (S. 29 - 33)
a) Anwendung in Alltagsgegenständen (portabel) (S. 30)
b) Verwendung als (Heiz-)Kraftwerke (stationär) (S. 31)
c) Fahrzeugantriebe auf Brennstoffzellenbasis (mobil) (S. 31 - 33)
VI) Wasserstoff-Verbrennungsmotoren (S. 33 - 35)
1) Hybridisiertes Erdgasfahrzeug (S. 33)
2) Funktionsweise eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors (S. 34)
3) Wasserstoff-Hubkolbenmotor (S. 34)
4) Wasserstoff-Wankelmotor (S. 35)
VII) Wasserstoff als Energieträger (S. 36 - 41)
1) Probleme (S. 36 - 37)
a) Finanzielle Betrachtung (S. 36)
b) Hoher Energieaufwand zur Wasserstoffgewinnung (S. 36)
c) Brand- und Explosionsgefahr (S. 37)
2) Vorteile (S. 37 - 40)
a) Keine größeren Risiken als bei herkömmlichen Energieträgern (S.37 - 38)
b) Chance für Entwicklungsländer (S. 38)
c) Wasserstoff als integrativer Energieträger (S. 38)
d) Umweltfreundlichkeit (S. 38 - 39)
e) Alternativer, regenerativer Kraftstoff (S. 39 - 40)
VIII) Aussichten für die Zukunft (S. 41)
Anmerkungen (S. 42)
Quellenverzeichnis (S. 43 - 52)
I) 1) Allgemeines
Die heutige Zeit ist gekennzeichnet durch eine beginnende Energiekrise und die Folgen der verschwenderischen und umweltfeindlichen Lebensweisen in den vergangenen beiden Jahrhunderten.
Fossile Brennstoffe werden knapp, Kraftstoff- und Energiepreise schießen in die Höhe, Vorräte werden eifersüchtig eingelagert und mittlerweile sogar umkämpft.
Es ist also unbedingt notwendig sich jetzt nach alternativen Energiequellen und Energieträgern umzusehen, welche fossile Stoffe ersetzen können. In der späten Hälfte des letzten Jahrhunderts begann man bereits mit solchen Überlegungen; intelligente Pionierforschung in Theorie und Praxis in dieser Zeit haben den Weg geebnet für alternative Forschung und umweltfreundlichere Methoden der Energiegewinnung. Heute werden die Theorien von damals bereits in die Praxis umgesetzt und weiter verfeinert. Einen richtigen Ansatz zur Lösung der Energiekrise macht man so beispielsweise bereits mit praktischer Experimentierung von Photovoltaik, Geothermik, Bioenergie, Wasserstofftechnologie, etc., mit der theoretischen (und inzwischen bereits experimentellen) Erforschung von Fusionskraft und anderen Techniken wie z.B. Gezeitenkraftwerken.
Besonders in die Wasserstofftechnologie werden heutzutage große Bemühungen investiert und immer wieder werden neue Entwicklungen gemacht. Auf diese Wissenschaft soll nun intensiv eingegangen werden.
Um über Wasserstoff als Energieträger der Zukunft diskutieren zu können, sollte man zuerst klären, was Wasserstoff eigentlich ist:
Wasserstoff wurde bereits im 18. Jahrhundert entdeckt, wo er von Henry Cavendish als „brennbare Luft“ bezeichnet wurde.
Da „brennbare Luft“ durch Verbrennung die Fähigkeit besaß, Wasser zu erzeugen, bekam sie den Namen Hydrogenium (griechisch: hydor = Wasser, genao = ich erzeuge).
1783 wurde erkannt, dass Wasserstoff ein chemisches Element ist. Das chemische Symbol für gewöhnlichen Wasserstoff ist iH. Hierbei gibt die obere Ziffer die Massenzahl an und die untere Ziffer die Ordnungszahl. In Molekülform liegt er fast ausschließlich in H2 vor.
Wasserstoff ist ein farbloses Gas ohne Geruch und Geschmack. Es gibt ihn in Form dreier Isotope, nämlich als gewöhnlichen, schweren und überschweren Wasserstoff.
Den gewöhnlichen Wasserstoff bezeichnet man als Protium (griechisch: protos = der Erste), dessen Atome lediglich aus je einem Proton und einem Elektron bestehen.
Schwerer Wasserstoff wird Deuterium (griechisch: deuteros = das Zweite) genannt. Er trägt das chemische Symbol ?H. Der Kern dieses Atoms wird Deuteron genannt und setzt sich aus einem Proton und einem Neutron zusammen. Deshalb besitzt Deuterium auch die doppelte Masse von Protium.
Das dritte Wasserstoffisotop ist der überschwere Wasserstoff, welcher als Tritium (griechisch: tritos = der Dritte) bezeichnet wird. Sein Atom besitzt einen Kern, genannt Triton, der aus einem Proton und zwei Neutronen besteht. Tritium hat also die dreifache Masse von Protium. Tritium ist zudem radioaktiv.
Die natürliche Häufigkeit beträgt für Protium 99,9885%, für Deuterium 0,0115% und für Tritium 10-15%.
Die Atome der drei Wasserstoffisotope unterscheiden sich also nur in der Anzahl der Neutronen im Atomkern.
Zur bildlichen Veranschaulichung soll folgende Skizze dienen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die großen Kreise stellen jeweils vereinfacht die Elektronenhülle um den Atomkern herum dar. Die Kreise mit „e-“ sind die negativ geladenen Elektronen. Die in der Mitte der großen Kreise, also im Atomkern, enthaltenen kleinen Kreise mit einem „p“ sind die positiv geladenen Protonen und diejenigen mit einem „n“ sind die ungeladenen Neutronen.
Das Wasserstoffmolekül in H2-Form muss man sich folgendermaßen vorstellen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 1: Wasserstoffmolekül in H2-Form
Zum Nachweis von Wasserstoff dient die sogenannte Knallgasprobe:
Werden gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff im richtigen Verhältnis gemischt (mit einem Volumenanteil des Wasserstoffs zwischen 4% und 77% bei atmosphärischem Druck in der Luft), so entsteht eine explosionsfähige Mischung: Knallgas. Da die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, die Knallgasreaktion, explosionsartig abläuft, gibt es bei der Knallgasprobe (mit kleinen Mengen Knallgas) ein dumpfes Geräusch. Ist dieses Geräusch zu vernehmen, so wurde der Wasserstoff nachgewiesen, der sich mit dem Luftsauerstoff zum Knallgas vermischt hat.
Wasserstoff hat bei 0°C (bzw. 273 K) und Atmosphärendruck eine Dichte von 0,08988 g/l (bzw. kg/m3) und ist somit 14,38-mal leichter als Luft. In flüssigem Zustand hat Wasserstoff eine Dichte von ca. 70 g/l (bzw. kg/m3).
Er ist nicht giftig. In Verbindung mit Sauerstoff ist Wasserstoff brennbar; der spezifische Heizwert beträgt dabei 10,8 MJ/m3. Wasserstoff diffundiert schneller als alle anderen Gase und hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit (0,1815 W/(m · K)). Seine spezifische Wärmekapazität beträgt 14304 J/(kg · K) und sein molares Volumen 22,42 · 10 3 m3/mol.
Der Siedepunkt, bei dem der flüssige Wasserstoff in den gasförmigen Zustand übergeht, liegt bei ca. 20,268 K (-252,882 °C) mit einer Verdampfungswärme von 0,891 kJ/mol.
Der Schmelzpunkt, bei dem der Wasserstoff in den flüssigen Zustand übergeht, befindet sich bei ca. 14,025 K (-259,125 °C) mit einer Schmelzwärme von 0,117 kJ/mol.
Wasserstoff besitzt auch die höchste Energiedichte aller Energieträger; sein Energieinhalt beträgt etwa 3,5 kWh.
„Die Masse eines Wasserstoffatoms [1,6735 * 10-27 kg] verhält sich zur Masse 1g wie die Masse 10kg zu der gesamten Erdmasse“. 1)
Die Masse der Wasserstoffatome (Atommasse 1,00794 u) ist also erstaunlich gering; sie ist die geringste unter allen anderen atomaren Massen. Dies ist auch der Grund weshalb Wasserstoff im Periodensystem der Elemente (nach D. I. Mendelejew) an erster Stelle steht.
Professor Hoimar v. Ditfurth stellte einst folgende Formel auf:
„Wasserstoff + Zeit + Raum + Naturgesetze = die Welt, der Mensch und letztlich auch alle Kultur“ 2)
Allein schon anhand dieser Formel lässt sich die Bedeutung des Wasserstoffs erdenken.
In der Natur ist Wasserstoff einer der am weitesten und meist verbreiteten Grundstoffe. Im Weltall findet man ihn überall; hier ist er das bei Weitem häufigste Element. 90% aller Atome und somit drei Viertel der gesamten Masse des Universums sind Wasserstoff!
Er ist Hauptbestandteil und Betriebsstoff der Sonne; man findet ihn aber beispielsweise auch auf anderen Sternen und in Sternnebeln.
Die Ur-Atmosphäre der Erde bestand ebenfalls aus Wasserstoff. Wegen seiner hohen Reaktionsfreudigkeit befindet sich Wasserstoff auf der Erde fast ausschließlich im gebundenen Zustand. Hauptsächlich findet man ihn in Wasser (H2O), also in einer Verbindung mit Sauerstoff. Weitere Verbindungen, die Wasserstoff enthalten, sind zum Beispiel Methan (CH4), Ammoniak (NH3), aber auch allgemein Felsen, Rohöl oder organische Verbindungen. Im freien, elementaren Zustand tritt Wasserstoff nur in vulkanischen Gasen oder eventuell auch als Begleitstoff von Erdgas auf.
Es besteht sogar ein Prozent der gesamten Erdrinde (welche vor allem die Wassermassen und die Lufthülle enthält) aus Wasserstoff; somit ist er das dritthäufigste Element der Erdrinde!
„Weltweit werden mehr als 600 Milliarden m3 Wasserstoff hergestellt und verbraucht, wobei nur etwa 1 % davon als Treibstoff für Raketen dient. Der Energieinhalt des insgesamt produzierten Wasserstoffs könnte etwa 1,5 % des Weltenergieverbrauchs decken.“ 3)
Um Wasserstoff für energetische Zwecke einsetzen zu können, ist es folglich notwendig, ihn zusätzlich in größeren Mengen zu erzeugen.
Wasserstoff als Energieträger ist im Gegensatz zu Kohle, Erdöl, Erdgas, oder Ähnlichem kein Primärenergieträger. Er ist eher mit elektrischem Strom zu vergleichen, den man aus unterschiedlichen Quellen erzeugen kann.
Für die Herstellung von Wasserstoff gibt es viele verschiedene Möglichkeiten; einige bedeutende sollen im Folgenden kurz erklärt werden.
II) 1) Dampfreformierung von Erdgas
Das zurzeit am häufigsten verwendete Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Erdgas. Durch technische Fortschritte auf diesem Gebiet ist dieses Verfahren relativ günstig anwendbar. Der Preis für die Reformierung von Erdgas beträgt in etwa 5 US$/GJ (2006).
Die Dampfreformierung von Erdgas ist in zwei Prozessschritte gegliedert:
Zuerst werden leichte Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Methan, mit Wasser umsetzt. Dies geschieht bei einer Temperatur von ca. 800°C und einem Druck von etwa 25 bar, da dieser Schritt endotherm, also Energie benötigend, abläuft. Zudem muss ein Nickelkatalysator anwesend sein. Das Methan reagiert hierbei mit dem Wasser des Wasserdampfes unter Bildung von Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.
Die entsprechende Reaktionsgleichung lautet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Der zweite Prozessschritt wird auch als CO-Shiftreaktion bezeichnet. Das entstehende Kohlenstoffmonoxid wird bei einer Temperatur von etwa 400°C an einem Eisen(III)- oxidkatalysator mit Wasserdampf umgeben. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.
Die Reaktionsgleichung hierfür lautet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das entstandene Gas wird anschließend gereinigt. Das Kohlendioxid und weitere unerwünschte Restbestandteile werden entfernt. Somit erhält man als Endprodukt Wasserstoff. Das restliche Gas enthält zu 60% brennbare Verbindungen und wird deshalb als Teil der Temperaturerzeugung für die Dampfreformierung verwendet.
II) 2) Pyrolyse und Vergasung von Biomasse
Die Dampfreformierung von Erdgas ist aber von dessen primären Energieträger abhängig. Dies bedeutet eine weitere Ausbeutung der natürlichen Ressourcen und eine steigende Gefährdung des Weltklimas durch die entstehenden Schadstoff-Emissionen.
Deshalb werden in naher Zukunft, besonders aufgrund der derzeitigen Klimaschutzdiskussionen, andere, vor allem regenerative Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff an Bedeutung gewinnen.
Dazu gehört unter anderem auch die Pyrolyse und Vergasung von Biomasse.
Diese hängt zwar von einem Primärenergieträger, also organischer Substanz (Biomasse) ab, ist aber deshalb umweltschonend, da die organische Substanz auch ohne menschliches Zutun durch die Natur abgebaut wird.
Die Pyrolyse und Vergasung von Biomasse erfolgt in zwei Schritten:
Der erste Schritt ist die thermische Zersetzung der Biomasse durch Lebewesen (bakterielle Destruenten); dies ist die Pyrolyse. Dabei entstehen Primärgase (Erdgase), Koks und Methanol.
Im zweiten Schritt, der Vergasung, werden diese Gase mit Wasserdampf versetzt. Sie reagieren mit diesem Wasserdampf und mit Sauerstoff (aus der Luft) zu einem Gemisch aus Wasserstoff (ca. 20%), Kohlenstoffmonoxid (ca. 20%), Kohlenstoffdioxid (ca. 10%), Methan (ca. 5%) und Stickstoff (ca. 45%).
Dieses Mischgas wird über die endotherme, also Energie benötigende, Dampfreformierung (mit Wasserdampf) in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt. Anschließend folgt die CO- Shiftreaktion, sodass am Ende reiner Wasserstoff anfällt.
II) 3) Kværner-Verfahren
Eines der in Zukunft vielleicht besten Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff könnte das Kværner-Verfahren werden, das seit Anfang der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts in Norwegen entwickelt wird. Seinen Namen erhielt dieses Verfahren durch die Kværner Engineering S.A., welche das in der Pilotphase befindliche Kværner-Verfahren ("Kværner Carbon Black and Hydrogen Process") entdeckt hat.
Beim Kværner-Verfahren werden Kohlenwasserstoffe, in einem Plasmabrenner bei ca. 1600°C unter Zugabe von Energie in Aktivkohle und Wasserstoff getrennt. Aktivkohle ist reiner Kohlenstoff.
Eine mögliche Reaktionsgleichung hierfür lautet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das Kværner-Verfahren ist sehr umweltfreundlich, da diese Art von Wasserstoffherstellung C02-frei abläuft und es somit keine nennenswerten Emissionen gibt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch der sehr hohe Energiebedarf.
Seit bereits 1992 wird in Kanada eine Pilotanlage betrieben. Diese Pilotanlage zum Kværner- Verfahren erzielte einen Wirkungsgrad von nahezu 100%! Von diesen 100% gehen ca. 48 % in Wasserstoff, 40 % in Aktivkohle und 10 % in Heißdampf über.
II) 4) Wasserstofferzeugung durch Grünalgen
Der Energieproduzent der Zukunft könnte eine einzellige Grünalge werden, welche reinsten Wasserstoff produziert. Eine solche Alge wurde bereits 2005 von einem deutsch-australischen Forscherteam hergestellt.
Dieses Forscherteam hat außerdem eine genetisch veränderte Mutante der Grünalge Chlamydomonas reinhadtii, mit dem Namen „Stm6“, erschaffen.
Stm6 ermöglicht es, 13-mal mehr Wasserstoff zu produzieren als die gewöhnliche, genetisch unveränderte Grünalge. Der reine Wasserstoffgehalt, der durch Stm6 erzeugt wird, beträgt 99,8% und ist damit extrem hoch. Dies ist wichtig, um den aus Grünalgen produzierten Wasserstoff als Treibstoff verwenden zu können.
Nun sind Bioreaktoren geplant, um diese Art von Wasserstoffherstellung großtechnisch auszunutzen. Das Verfahren hierbei funktioniert folgendermaßen:
Der Bioreaktor ist ein geschlossener Behälter, in welchem sich die genetisch veränderten Algen in einer wässrigen Suspension befinden. Grünalgen besitzen ein Enzym namens Hydrogenase, womit sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten können. Für diesen Vorgang benötigen die Algen Energie. Diese Suspension im Bioreaktor (und damit auch die Algen) wird beleuchtet. Dadurch können die Algen Photosynthese betreiben und erhalten die nötige Energie für die Wasserstoffabspaltung.
Somit ist es möglich gasförmigen Bio-Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser mit Hilfe von Mikroorganismen, den Grünalgen, zu gewinnen. Und dies komplett emissionsfrei!
Nach zwei Wochen sterben die Algen ab und bilden reine Biomasse. Aus dieser kann durch das bereits beschriebene Verfahren „Pyrolyse und Vergasung von Biomasse“ nochmals Wasserstoff hergestellt werden. Dabei würde zwar CO2 anfallen, welches aber wiederum für die Algen-Produktion verwendet werden kann.
Somit ergibt sich bei der Wasserstofferzeugung durch Grünalgen im Bioreaktor ein nahezu geschlossener Kreislauf. Wenn dieses Verfahren ausgereift ist, dann ist es ideal für eine nachhaltige Wasserstoffherstellung.
II) 5) Elektrolyse
Das derzeit nahezu einzige Verfahren zur Wasserstoffherstellung, das praktisch angewendet wird, ist die Elektrolyse (Wasserspaltung). Deshalb wird die Elektrolyse im Folgenden etwas genauer betrachtet.
1890, zur Ära der Luftschiffe, die anfangs noch mit Wasserstoff befüllt wurden, begann man mit dem großtechnischen Einsatz der Elektrolyse zur Wasserstoffherstellung.
Die Elektrolyse ist ein chemischer Vorgang, der unter Aufwand elektrischer Energie (Gleichstrom) abläuft. Bei diesem Vorgang werden stoffliche Veränderungen, nämlich die Zersetzung, des Elektrolyten erzwungen. Ein Elektrolyt ist ein elektrischer Leiter, der eben bei Stromdurchgang chemisch zersetzt wird. Als Elektrolyte verwendet man meist wässrige Lösungen von Säuren, Salzen und Basen, da diese den elektrischen Storm gut leiten.
Für eine Elektrolyse werden zwei Elektroden in den Elektrolyten, also in eine Flüssigkeit, gebracht. Elektroden sind feste Leiterstücke, die mit der Stromquelle verbunden sind; die positive Elektrode nennt man Anode, die negative Kathode.
An diesen Leiterstücken wird der Strom der Flüssigkeit zu- und abgeleitet.
Wird nun die Stromquelle aktiviert, so fließt Gleichstrom und die Elektrolyse findet statt. In diesem Fall wandern die positiven Ladungsträger zur Kathode, wo sie (negativ geladene) Elektronen aufnehmen, während die negativen Ladungsträger zur Anode wandern und dort Elektronen abgeben.
Dadurch werden beide Ladungsträger an den Elektroden neutralisiert.
Großtechnisch findet die Elektrolyse in einem Gefäß statt, dem Elektrolyseur.
Um sich diese Vorgänge bildlich vorstellen zu können, soll folgende Skizze dienen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Ein Beispiel für die Wasserelektrolyse, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird, ist die alkalische Elektrolyse. Diese wird vor allem in Norwegen und Island, wegen der dort günstigen Strompreise, genutzt.
Der Vorgang sieht dann entsprechend der Elektrolyse folgendermaßen aus:
In einem mit Wasser gefüllten Elektrolyseur werden eine Anode und eine Kathode unter Gleichstrom gesetzt. An der Anode entsteht Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff.
Diese zwei Gase würden sich nach ihrem Entstehen sofort wieder vermischen und zu Knallgas vereinen. Um dies zu vermeiden wird in den Elektrolyseur eine Scheidewand, ein Diaphragma, eingebaut. Dieses Diaphragma ist ein Material, welches die Kathode und die Anode trennt. Es ist flüssigkeitsdurchlässig, um den Stromfluss aufrecht zu erhalten, und gasundurchlässig, um eben ein Vermischen der Produktgase zu verhindern.
Bei der Elektrolyse gibt es zwei Teilreaktionen:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Derartige Elektrolyseure erreichen zurzeit Wirkungsgrade von ca. 75 %. Hierbei ist der untere Brennwert des erzeugten Wasserstoffs auf die zugeführte elektrische Energie bezogen.
Um Wasserstoff mit einem Energieäquivalent von 1 kWh zu erzeugen, verbraucht man fast 300 ml Wasser.
In folgender Skizze ist die Wasserstoffherstellung aus Wasserelektrolyse vereinfacht dargestellt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Folgende zwei Bilder zeigen großtechnisch genutzte Elektrolysegeräte Wasserstoffherstellung:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2: Ein Elektrolysegerät zur Gewinnung von Wasserstoff
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3: Ein Elektrolysegerät. Der Wasserstoff wird aus Wasser gewonnen. Das Gerät besteht aus 100 bis 556 engen Druckzellen, die alle eine Kathode und Anode haben und durch ein Diaphragma abgeteilt werden. Der Elektrolyt (Ätzkali) wird zusammen mit dem Wasser von unten eingepumpt. Die entstandenen Gase bilden ein Emulsionsgemisch mit dem Elektrolyten. Sie werden über getrennte Kanäle den beiden oberen Rohren zugeführt. Die Gase werden hier vom Elektrolyten, der wieder verwendet wird, getrennt.
Die Elektrolyse benötigt jedoch sehr viel Energie. Um die Elektrolyse als Herstellungsverfahren für Wasserstoff nachhaltig betreiben zu können, benötigt man als Energiequelle hierfür erneuerbare Energien mit entsprechend großen Potenzialen.
II) 6) Potenziale für die Herstellung von Wasserstoff
Die Herstellung von Wasserstoff stützt sich derzeit noch fast ausschließlich auf fossile Energien, insbesondere auf Erdgas. Ziel ist es die fossilen Energien durch erneuerbare Energieträger zu ersetzen.
Dafür stehen in Europa eine ganze Menge Potenziale zur Verfügung. Einige davon seien kurz erläutert:
Ein großes Potenzial stellt die Windenergie dar. In Europa hat man sich das Ziel gesetzt bis zum Jahr 2010 150 GW (das sind 150* 106 kW) Energie aus Windkraft zu gewinnen, also entsprechend viele Windkraftanlagen zu errichten. Mit dieser Menge ist man in der Lage, 300 TWh (das sind 300*109 kWh) Strom pro Jahr erzeugen. Europa besitzt auf dem Land (onshore) und im Meer (offshore) ein gesamtes Windenergiepotenzial von jährlich 3.000 bis 4.000 TWh. 1998 lag der Jahresstromverbrauch der EU bei 2.500 TWh. Folglich sind pro Jahr ca. 1.000 TWh Strom allein durch Windkraft überschüssig.
Damit ließen sich knapp 120 Millionen Brennstoffzellen-Pkw betreiben. Dieser Energieüberschuss könnte beispielsweise für die Elektrolyse verwendet werden; somit wäre der Energieüberschuss sehr sinnvoll genutzt.
Ein weiteres Potenzial ist die solarthermische Energie. In dem Bereich von Portugal, quer durch Europa bis nach Griechenland ist ein Gesamtpotenzial von jährlich 1.400 TWh möglich. Nimmt man die Türkei noch mit dazu, so sind es jährlich 4.640 TWh. Würde man nun die Potenziale Nordafrikas mit einkalkulieren, so würde sich der Wert um ein Vielfaches steigern. Hier ist in Zukunft noch ein großes Potenzial auszuschöpfen.
Biomasse gewinnt für die Energieerzeugung in Europa mehr und mehr an Bedeutung. So beträgt hier das verfügbare Potenzial an Biomasse 1.500 TWh pro Jahr. Ca. 30% des Potenzials der Biomasse wird heutzutage bereits im stationären Bereich genutzt, vor allem in Biogasanlagen zur Erzeugung von Heizwärme. Diese Form der Nutzung von Biomasse für die Energiegewinnung wird weiter zunehmen, weshalb für die Erzeugung von Wasserstoff nur maximal 50% dieses Potenzials verbleiben wird. Für die Umwandlung von Biomasse gilt ein anderer Wirkungsgrad. Deshalb kann man mit 750 TWh Biomasse auch bis zu 150 Millionen Pkw betreiben.
[...]
- Quote paper
- Markus Reichenberger (Author), 2008, Wasserstoff - Energieträger der Zukunft?, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/983431
