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Mit Wasserstoff die Energiewende vollziehen

Wasserstoff ist jener Stoff, der der Energiewende den rechten Impuls geben kann. Wer Wasserstoff „verbrennt“ erhält als „Asche“ reines Wasser. Sauberer kann ein Energieträger wohl kaum sein.

Der Hinkefuß ist dabei, dass erst einmal sehr viel Energie aufgewandt werden muss, um Wasserstoff „herzustellen“, denn dieses reaktionsfreudige Gas findet man nicht einfach so in der Erde oder in der Atmosphäre. In Karlsruhe haben sich Forscher des Instituts für Technologie (KIT) des Problems angenommen und ein Herstellungsverfahren entwickelt, bei dem eben kein CO2, aber dafür ein nützliches Abfallprodukt entsteht.

Mit Wasserstoff können zum Beispiel die Brennstoffzellen von Auto betrieben werden oder er wird dem Erdgas beigemischt, um so die Kohlendioxidemissionen zu verringern. Interessante Einsatzmöglichkeiten gibt es für Wasserstoff viele, wären nur seine Atome mit einem zehntel Nanometer nicht so extrem klein, dass sie jedes Behältnis leicht verlassen können.

Eine Gasdruckflasche aus Stahl zum Beispiel weist bei genauer Betrachtung große leere Zwischenräume zwischen den einzelnen Eisenatomen auf, die die Wasserstoffatome als weit geöffnete Flügeltüren in den Garten Eden empfinden. Schon seit längerer Zeit gibt es daher viele Forschungsprojekte, die sich mit der Nutzung, der Speicherung, dem Transport sowie der Erzeugung von Wasserstoff beschäftigen.

Erdgas enthält viel Wasserstoff

Pipeline Konstruktion zum Gas-TransportEs gibt noch immer schier unerschöpfliche Quellen von Erdgas, auch in Deutschland, und Erdgas besteht im Wesentlichen aus Methan (CH4). Bei hohen Temperaturen wird dieses Molekül instabil und zerfällt in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff. Dieses Verfahren wird als Pyrolyse bezeichnet und findet in diesem Fall in einem senkrecht stehenden Reaktor statt, der mit flüssigem Zinn angefüllt ist, das auf eine Temperatur von ungefähr 1.200 Grad Celsius gebracht wird. Das Methan wird einfach von unten durch die Metallschmelze geleitet.

Wenn die Gasbläschen schließlich oben ankommen, ist das Methan vollständig in seine Bestandteile aufgespalten. Der Kohlenstoff scheidet sich dabei als staubförmiger Feststoff an den Wänden der Bläschen ab. Wenn die Bläschen über der Zinnschmelze austreten, zerplatzen sie, wobei feinstes Kohlenstoffpulver freigesetzt wird. Der Wasserstoff kann leicht abgesaugt werden.

Üblicher ist es, Wasserstoff durch Dampfreformierung zu gewinnen. Auch hierbei ist Methan das Ausgangsmaterial. Bei dieser Methode geht der Kohlenstoff aber eine Verbindung mit Sauerstoff ein, wodurch klimaschädliches Kohlendioxid als Abfallprodukt entsteht.

Elementarer Kohlenstoff ist ein nützliches Abfallprodukt

Kohlenstoff wird zum Beispiel als Zuschlagsmaterial für Baustoffe, als Farbpigment für dunkle Druckfarben oder als „Industrieruß“ in Reifen verwendet. Doch sehr viel interessanter ist seine Verwendung in Form von Grafit, beispielsweise zum Bau von Anoden für Lithium-Akkus, wofür sehr reines Material benötigt wird.

Damit der Kohlenstoff beispielsweise als Anodenmaterial zu gebrauchen ist, muss er bestimmte Bedingungen erfüllen. Hierbei spielen Parameter wie die Größe und Gleichmäßigkeit der Körnung sowie deren Oberflächenbeschaffenheit eine entscheidende Rolle. Im Fachjargon spricht man in diesem Zusammenhang von „Modifikationen“. Die Wissenschaftler des KIT forschen unter anderem daran, unter welchen Voraussetzungen welche Modifikationen entstehen, um auf diese Weise genau steuern zu können, für welche Zwecke schließlich der Kohlenstoff eingesetzt werden kann.

Fazit:
Wasserstoff ist der Energierohstoff der Zukunft. Doch einem flächendeckenden Einsatz von Wasserstoff stehen noch einige Hürden im Wege. Bislang wurde Wasserstoff in der Hauptsache im Dampf-Reformierungsverfahren (Steam-Reforming) unter Einsatz des Energieträgers Erdgas hergestellt. Da hierbei viel CO2-Emission entsteht, wird dadurch das eigentliche Problem nur etwas verlagert.

Umweltfreundlich und nachhaltig lässt sich Wasserstoff im Power-to-Gas-Verfahren produzieren, indem für die Elektrolyse überschüssige elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen verwendet wird. Leider sind Power-to-Gas-Prozesse heute noch immer sehr teuer und es fehlt an der nötigen Infrastruktur. Vor diesem Hintergrund erscheint das KIT-Projekt umso interessanter. Aktuell arbeiten die Wissenschaftler daran, das Verfahren auf den industriellen Maßstab zu übertragen.

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