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Verlagsspezial
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Umwelt & Energie

Wege zum Wasserstoff

Grüner Wasserstoff könnte laut Studien 2050 ein Viertel der weltweiten Energienachfrage decken. Kein Wunder, dass Unternehmen mit Hochdruck Wege erforschen, um das nachhaltige Gas günstig und in großen Mengen zu erzeugen – unter anderem aus Klärschlamm und Kunststoffmüll.

Wind- und Sonnenkraft sollen an die Stelle von fossilen Energieträgern wie Kohle und Erdöl treten. Sie sind die wichtigsten Mittel, damit die Menschheit bis 2050 klimaneutral leben kann. Das Problem: Wind und Sonne liefern nur ausreichend Strom, wenn das Wetter mitspielt und nicht immer dann, wenn die Nachfrage groß ist. Eine Lösung dieses Problems bietet Wasserstoff. Er lässt sich mit verschiedenen Verfahren aus erneuerbarem Strom herstellen und unter hohem Druck speichern und transportieren.

Das ist vor allem für energieintensive Branchen interessant, um die Klimaziele zu erreichen. Sie sehen Wasserstoff als Energieträger und Rohstoff. Stahlkocher wollen mit Hilfe des grünen Gases Kohle ersetzen, die sie im Hochofen verarbeiten. Raffinerien, Chemiewerke oder Zementhersteller setzen ebenfalls auf Wasserstoff, um ihre Emissionen zu senken. Dafür sind ungeheure Mengen des Elements mit dem Kürzel H2 nötig.

Bislang wird Wasserstoff fast nur aus fossilen Energieträgern hergestellt. Die Verfahren sind erprobt und günstig. Wasserstoff mit erneuerbarem Strom zu erzeugen, ist per Elektrolyse möglich – bislang aber nicht in riesigen Mengen und zu vergleichsweise hohen Preisen. Drei Verfahren könnten das ändern:

Pfad 1: Auf Edelmetalle verzichten

Der Spezialchemiekonzern Evonik arbeitet mit Partnern an einem neuen Elektrolyseverfahren, durch das sich Wasserstoff in großen Mengen wirtschaftlich herstellen lassen soll. Die Evonik-Innovationseinheit Creavis entwickelt das Herzstück der Anlage – eine spezielle Membran. Um ihre Bedeutung zu verstehen, lohnt ein Blick auf die Grundlagen der Elektrolyse.

Quelle: Evonik Industries AG
Dr. Christian Däschlein,
Leiter der Abteilung Wasserstoffwirtschaft
von Creavis
Dr. Christian Däschlein,
Leiter der Abteilung Wasserstoffwirtschaft
von Creavis

Bislang wird grüner Wasserstoff meist mit Hilfe der Alkalischen Elektrolyse (AEL) erzeugt. Dabei fließt Strom aus erneuerbaren Quellen über Metallelektroden durch eine wässrige, basische Lösung. Folge: Die Wassermoleküle spalten sich in Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Alkalische Elektrolyse ist zwar zuverlässig und günstig, doch benötigt sie aufgrund niedriger Stromdichten sehr große Anlagen. Außerdem lässt sich das Verfahren nicht einfach anhalten und neu starten, denn dafür sind die Komponenten der AEL-Elektrolyseure nicht geeignet. Genau das ist aber nötig, wenn erneuerbarer Strom verwendet werden soll, der in schwankenden Mengen vorhanden ist.

Wirkungsvoller arbeitet die sogenannte Proton-Exchange Membran-Elektrolyse (PEM), die sich einer schwankenden Stromzufuhr anpassen kann. Sie kann außerdem unter hohem Druck arbeiten. „Das ist von Vorteil, weil der Wasserstoff nach der Erzeugung nicht mehr komprimiert werden muss, um seine Speicherung oder Anwendung zu ermöglichen“, sagt Dr. Christian Däschlein, Leiter der Abteilung Wasserstoffwirtschaft von Creavis. Die PEM-Elektrolyse ist jedoch teuer. Denn die Wasserstoff-Ionen wandern in einer verdünnten Säure zum Minuspol. Die Komponenten der Anlage müssen deshalb mit teuren Edelmetallen wie Platin und Titan umhüllt sein – sonst würden sie rosten.

Creavis will die Vorteile beider Verfahren kombinieren, ohne die Nachteile zu übernehmen. „Um das zu erreichen, haben wir uns intensiv mit der Trennschicht zwischen den beiden Kammern der Anlage befasst“, sagt Däschlein. „Diese ionenleitende Membran ist von zentraler Bedeutung, da sie die effiziente Wasserspaltung erst ermöglicht und zudem verhindert, dass sich die gebildeten Gase Wasserstoff und Sauerstoff vermischen.“ Passiert das, gibt es eine Explosion – die aus dem Chemieunterricht bekannte Knallgas-Reaktion.

Das Material der Membran muss mechanisch stabil sein, eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen und es darf sich nicht zersetzen. Um sie zu entwickeln, kann Creavis auf die lange Erfahrung von Evonik mit Hochleistungspolymeren zurückgreifen – das sind komplexe chemische Verbindungen, die auch die Basis von Kunststoffen darstellen.

Wird die neue Membran in das ebenfalls neue Verfahren der Anion-Exchange Membran-Elektrolyse (AEM) integriert, sind keine mit Edelmetall umhüllten Materialien mehr nötig – die Anlage wird bezahlbar. Außerdem lässt sie sich flexibel und unter Druck betreiben. Dadurch sinken die Betriebskosten, was den flächendeckenden Einsatz in einer grenzüberschreitenden Wasserstoffwirtschaft ermöglichen könnte.

Ein Hochtemperatur-Elektrolyseur von Sunfire. Quelle: Salzgitter AG

Pfad 2: Dampf im Kessel

Für die Elektrolyse eignet sich nicht nur Wasser in flüssiger Form. Auch Wasserdampf lässt sich mittels Grünstrom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Die vom Dresdner Unternehmen Sunfire entwickelte Hochtemperaturelektrolyse beruht auf dieser Vorgehensweise. Sie eignet sich für Branchen, wo der benötigte Wasserdampf anhand der dort anfallenden Abwärme direkt erzeugt werden kann.

Der Wirkungsgrad der Hochtemperaturelektrolyse ist besonders gut. Herkömmliche Verfahren laufen bei 50 bis 100 Grad und erzielen eine Effizienz von rund 60 Prozent, das von Sunfire läuft bei 850 Grad mit einer Effizienz von mehr als 80 Prozent. Die hohe Temperatur im Griff zu halten, ist jedoch nicht einfach. Alle Komponenten der Anlage müssen so gestaltet sein, dass sie große Hitze über einen langen Zeitraum aushalten – eine Herausforderung.

Die Hochtemperaturelektrolyse ist zum Beispiel für Stahlhersteller interessant, die auf das nachhaltige Verfahren der Direktreduktion setzen, bei dem grüner Wasserstoff statt Kohle verwendet wird. Die im Prozess entstehende Abwärme kann gleich wieder zur Wasserstofferzeugung eingesetzt werden. Im Stahlwerk Salzgitter steht bereits ein Hochtemperatur-Elektrolyseur von Sunfire und kommt im großen Maßstab zum Einsatz. Seit Dezember 2020 wird der grüne Wasserstoff dort direkt in das Wasserstoff-Netz des Standorts eingespeist.

Weitere mögliche Anwender sind Raffinerien. Sie beziehen bislang Wasserstoff aus fossilen Quellen, um Dieselkraftstoff zu entschwefeln. Dabei entsteht ebenfalls Abwärme, mit der sich Wasserstoff erzeugen lässt. Dasselbe gilt für Chemiewerke, die Wasserstoff benötigen, um daraus Ammoniak herzustellen – eine der wichtigsten Substanzen der chemischen Industrie und Ausgangsstoff für viele andere Produkte.

Jens Hanke, Graforce-Gründer

Pfad 3: Elektrische Felder

Einen völlig anderen Weg schlägt die Firma Graforce ein. Das junge Unternehmen aus Berlin nutzt das Verfahren der Plasmalyse, um Wasserstoff auf nachhaltige Weise zu erzeugen. Durch grünen Strom wird dabei ein hochfrequentes elektrisches Feld erzeugt, das Moleküle in seine Bestandteile zerlegt. Mit Hilfe einer Filtermembran werden diese Atome separiert, gespeichert und weiter verarbeitet.

Zu den interessantesten Einsatzgebieten der Plasmalyse gehört die Reinigung von Schmutzwasser. „Dabei werden nicht die Wassermoleküle gespalten, sondern im Wasser enthaltene Partikel, die aus Stickstoff- oder Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen“, sagt Graforce-Gründer Jens Hanke. Der herausgelöste Stickstoff lässt sich in der chemischen Industrie wiederverwenden, der abgespaltene Wasserstoff kann zum Beispiel Heizkraftwerke antreiben. Übrig bleibt gereinigtes Wasser, so sauber, dass es in Flüsse geleitet werden darf. Mit derselben Anlage lassen sich auch Bestandteile aus Gülle herauslösen.

Eine Plasmalyse-Anlage in Waßmannsdorf südlich von Berlin. Quelle: Graforce GmbH

Die Plasmalyse eignet sich ebenfalls, um Kunststoffabfälle wiederzuverwerten. Sie werden zunächst nach Arten sortiert, in reiskorngroße Teile zermahlen und dann in den Prozess gegeben. Als Endprodukt bleibt neben Wasserstoff und Sauerstoff auch elementarer Kohlenstoff.

Mit dem von Graforce entwickelten Plasmalyse-Verfahren lässt sich auch Wasserstoff aus Erdgas (Methan) herstellen. Endprodukte sind Wasserstoff und wiederum elementarer Kohlenstoff. „Wichtig ist, dass dieses schwarze Pulver so verwendet wird, dass es auf lange Zeit aus dem Kohlenstoffkreislauf verschwindet“, sagt Hanke. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn es von Bauunternehmen in die Asphaltdecke einer Straße gepresst wird. Wird kein Erdgas, sondern Bio-Methan als Ausgangsstoff verwendet, lässt sich das Verfahren sogar als CO2-Senker nutzen.

Die Plasmalyse bringe aber nicht nur Pluspunkte für Umwelt und Klima, sie habe auch wirtschaftliche Vorteile, sagt Hanke. Im Vergleich mit den bislang eingesetzten Elektrolyse-Verfahren verbrauche sie wesentlich weniger Strom, sei dadurch kostengünstiger und effizienter.

Fazit

Die unterschiedlichen Verfahren zeigen, wie vielfältig ihre Einsatzmöglichkeiten sind. Alle haben das Ziel, Wasserstoff kostengünstig und in möglichst großen Mengen zu erzeugen. Einige nutzen dafür bewusst Synergien, in dem sie Nebenprodukte aus der Industrie oder Abfälle nutzen. Da alle drei Verfahren noch in den Kinderschuhen stecken, lässt sich heute kaum sagen, welches sich durchsetzen wird. Sicher dürfte jedoch sein, dass alle drei wichtige Meilensteine auf dem Weg in eine grüne und nachhaltige Wasserstoffwirtschaft sind.


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Quelle: neudenken

Veröffentlicht: 01.10.2021 10:18 Uhr