H2-Wissensraum: Nutzung von Wasserstoff

Bei der Nutzung von Wasserstoff muss grundsätzlich zwischen der Nutzung als Energieträger und der stofflichen Nutzung unterschieden werden. Stofflich kommt Wasserstoff seit langem in der chemischen Industrie zum Einsatz, wobei die Erzeugung zu großen Teilen mithilfe der Dampfreformation unter Nutzung von Erdgas bewerkstelligt wird. Zusätzlich werden Technologien mit hohem Technology Readiness Level (TRL) zur stofflichen Nutzung in der Stahlindustrie geprüft und untersucht, um die hohen CO₂ Emission der Stahlindustrie zu vermeiden. Der Einsatz als Energieträger im großen Stil ist neu. Meist wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Form von Elektrizität mittels Brennstoffzellen verwendet. Auch die Nutzung der Energie in Form von Wärme, entweder als Abwärme der Brennstoffzelle oder durch Verbrennung, wird praktiziert.

Stoffliche Nutzung von Wasserstoff

Die Chemieindustrie nimmt als Ausgangspunkt zahlreicher Wertschöpfungsketten eine Schlüsselrolle bei dem Erreichen der Klimaneutralität mehrerer Sektoren ein. Chemische Prozesse erzeugen alleine in Deutschland einen kontinuierlichen Wasserstoffbedarf von über 1,1 Mio. t/a. Alleine die Deckung dieses Bedarfs mit grünem, anstatt derzeit zumeist grauem, Wasserstoff ist eine große Herausforderung. Dieser Bedarf wird sich durch das Umstellen von chemischen Prozessen auf klimaneutrale Verfahren vervielfachen. Bis 2050 wird ein 7-Facher Bedarf des heutigen Wertes prognostiziert. Über die Hälfte des jährlichen Wasserstoffbedarfs fällt allein für die Synthese von Ammoniak und Methanol an. Am Ende der chemischen Prozessketten stehen Produkte, die fast überall zu finden sind. Vor allem Lebensmittel sind durch den Einsatz von chemisch erzeugten Düngemitteln ein wichtiges Endprodukt, bei dem Wasserstoff ganz am Anfang der Produktion steht. Weitere nennenswerte Prozesse, in denen Wasserstoff stofflich genutzt wird, sind die Aufbereitung von Erdölprodukten (z.B. Hydrocracking), die Härtung von Speiseölen zu -fetten und Reduktionsreaktionen. Unter den Reduktionsreationen, welche mit Hilfe von Wasserstoff dekarbonisiert werden können, ist die Stahlerzeugung besonders hervorzuheben.

Um den Einsatz von Kohle als Reduktionsmittel und zur Bereitstellung der Prozesswärme bei der Stahlherstellung im Hochofen zu substituieren ist Wasserstoff die am besten geeignete Alternative. Die Stahlindustrie ist einer der größten Kohlenstoffemittenten, was ihre Umstellung auf klimaneutrale Prozesse lohnenswert, aber auch aufwendig macht. Die Direktreduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff im Hochofen ist bereits in einer Pilotanlage erprobt worden [2], hat allerdings technisch und wirtschaftlich noch nicht Marktreife erlangt. Die Bereitstellung von grünem Wasserstoff wird in den nötigen Größenordnungen bisweilen als zu teuer erachtet.

Nutzung von Wasserstoff als Energieträger in Brennstoffzellen

Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln die Energie im Wasserstoff in Elektrizität und Wärme um. Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen kann mit einem höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren, einer höheren Energiedichte als Batterien und der Vermeidung von lokalen Schadstoffemissionen punkten. Die Vielfalt von am Markt erhältlichen Brennstoffzellen ist groß, sodass ihr Einsatzspektrum von der mobilen Stromerzeugung im Modellbausegment bis zur großskaligen Verwendung im Stromnetz reicht. Die geräusch- und wartungsarmen Geräte erzeugen klimaneutralen Strom und Wärme, sofern der verwendete Wasserstoff grün ist.

Der Prozess der Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen ist die Umkehrung der Elektrolyse. In einer Zelle befinden sich Anode und Kathode, getrennt durch eine semipermeable Membran, welche Wasserstoff und Luft trennt und ausschließlich Ionen leitet. Wasserstoff wird an der Anode oxidiert, wobei im Sauren Protonen entstehen, welche durch die Membran zur Kathode wandern. Im Alkalischen wird Wasserstoff oxidiert und reagiert mit Hydroxidionen, welche durch die Membran kamen, zu Wasser. In beiden Fällen entstehen Elektronen, welche über den externen Kreislauf eine elektrische Last bedienen können, um dann an der Kathode an der Reduktion von Sauerstoff teilzunehmen. Es entsteht ausschließlich Energie (elektrisch und thermisch) und Wasser.

Einsatz als Treibstoff

Zuletzt lässt sich Wasserstoff als Treibstoff in Raketen, Verbrennungskraftmotoren und Turbinen einsetzen. Viel Erfahrung wurde mit der Verwendung als Raketentreibstoff oder in Düsenjets gesammelt. Theoretisch lassen sich alle rotierenden Maschinen, also insbesondere Gasturbinen aber auch Kolbenmaschinen, mit Wasserstoff betreiben. Regionale Gasnetzwerke für den privaten Verbrauch können auf Wasserstoff, oder auf eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff, umgestellt werden.

Referenzen

1. Neugebauer, Reimund (2022): Wasserstofftechnologien. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
2. https://group.vattenfall.com/press-and-media/pressreleases/2021/hybrit-ssab-lkab-and-vattenfall-first-in-the-world-with-hydrogen-reduced-sponge-iron, Vattenfall, 09.12.2022