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Wasserstofftechnologie: Dezentrale Energie

Welchen Vorteil hat Wasserstoff gegenüber anderen Energieträgern?

Er ist erneuerbar, nahezu unerschöpflich, umweltfreundlich und risikoarm. Zudem bildet ein Energiesystem, das auf Wasserstoff basiert, einen geschlossenen Stoffkreislauf. Grundlage ist entmineralisiertes Wasser, das dem irdischen Wasserhaushalt entnommen wird. Es wird mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt. Der Wasserstoff wird gasförmig über Pipelines oder in flüssiger Form von Tankschiffen zu den Verbrauchern transportiert. Dort wird er entweder unter Energieabgabe mit Luftsauerstoff kombiniert, wobei wieder Wasser entsteht, oder in verschiedenen Anlagen zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt.

Dagegen ist das auf fossilen oder nuklearen Brennstoffen beruhende System zur Umwelt hin offen. Es nutzt begrenzt vorrätige Stoffe aus der Erdkruste, wandelt sie chemisch oder nuklear vielfältig um und gibt Rest- und Schadstoffe an die Geosphäre zurück. Dazu gehören beispielsweise Treibhausgase, radioaktive Spaltprodukte und giftiges Plutonium.

Lässt sich Wasserstoff speichern?

Ja, z. B. in flüssiger Form. Dazu muss er allerdings auf eine Temperatur von –253 °C heruntergekühlt werden. Für diesen Prozess ist Energie aufzuwenden: Verflüssigungsanlagen benötigen etwa eine Kilowattstunde, um die Energie von drei Kilowattstunden in Form von flüssigem Wasserstoff bereitzustellen.

Die Tanks, in denen er gelagert wird, sind doppelwandige Konstruktionen, wobei im Zwischenraum ein Vakuum herrscht. Um den Strahlungsaustausch (und damit ein Aufheizen des Wasserstoffs) zu behindern, sind die Tanks mit einer Vielzahl von Knitterfolienlagen ausgestattet. Dennoch kann die Wärmeübertragung von außen nach innen nicht völlig unterbunden werden und führt dazu, dass bei großen Tanks beispielsweise täglich etwa 0,1 Prozent des Wasserstoffs verdampft und nach außen dringt. Die abdampfenden Mengen werden genutzt, wieder verflüssigt oder müssen sicher abgeblasen werden.

Will man Wasserstoff als Autotreibstoff einsetzen, müssen die Tanks den Sicherheitsanforderungen genügen. So muss die Kühlung zuverlässig arbeiten und darf nicht während der Fahrt ausfallen. Bei einem Unfall darf es nicht zu einer Explosion kommen, denn Wasserstoff ist, genauso wie Benzin oder Diesel, brennbar. Allerdings ist die Gefahr nicht so groß, wie sie manchmal dargestellt wird. Die sog. Knallgasreaktion zwischen Wasser- und Sauerstoff ist zwar heftig. Doch wegen seiner Flüchtigkeit liegt Wasserstoff nach einem Unfall weniger konzentriert vor als dies bei Benzindämpfen der Fall wäre und dazu brennt er mit kleinerer und kälterer Flamme als Kohlenwasserstoffe.

Wird Wasserstoff bereits als Energielieferant eingesetzt?

Ja, beispielsweise in der Raumfahrt als Raketentreibstoff und vor allem in Brennstoffzellen, in denen er mit Sauerstoff zu Wasser reagiert und dabei Energie freisetzt.

Es gibt unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, von denen die meisten noch im Entwicklungsstadium sind. Bereits in den 1950er Jahren wurde die alkalische Brennstoffzelle entwickelt, und zwar für die Raumfahrt. Sie wird mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben und hat daher nur Wasser als Abfallprodukt. Mit 70 Prozent erreicht sie einen hohen elektrischen Wirkungsgrad. Theoretisch können Brennstoffzellen einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 100 Prozent erreichen, da chemische Energie ohne den Umweg über Wärme in elektrische umgewandelt wird. Praktisch bringen es die einzelnen Zellen aber nur auf einen Wirkungsgrad von 40 bis 70 Prozent; der Wirkungsgrad des Gesamtsystems liegt zwischen 35 und 60 Prozent.

Alkalische Brennstoffzellen sind nicht für den breiten Einsatz geeignet. Um Brennstoffzellen etwa in Blockheizkraftwerken einsetzen zu können, wurde der phosphorsaure Typ entwickelt. Er arbeitet mit Wasserstoff, der aus Erdgas erzeugt wird. Dabei fallen zwar Schadstoffe wie Stickoxide und auch Kohlendioxid an, ihre Mengen liegen aber deutlich unter denjenigen, die fossil beheizte Dampfkraftwerke ausstoßen.

Eine durchaus realistische Zukunftsvision ist, dass Wasserstoff in Spitzenlastkraftwerken zum Einsatz kommt. Kernstück eines solchen Kraftwerks könnte ein Dampferzeuger sein, in dem Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennkammer reagieren. Mit dem entstehenden Wasserdampf könnte dann eine Turbine angetrieben werden.

Welche Vorteile haben Brennstoffzellen?

Sie haben einen hohen Wirkungsgrad, sind frei von Schadstoffen, verursachen keine Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid, haben eine geringe Lärmbelastung und beruhen auf dem fast unbegrenzt verfügbaren Rohstoff Wasser. Derzeit ist jedoch die Verwendung von Erdgas noch kostengünstiger als der Einsatz von Wasserstoff. Die Bilanz bessert sich aber drastisch, wenn Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen und der dazu nötige Strom aus Solar- oder Windenergie erzeugt wird. Ein weiterer Pluspunkt beruht darauf, dass Wasserstoff einfach zu transportieren ist, so dass Brennstoffzellen die zeitliche und örtliche Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage bei erneuerbaren Energien ausgleichen können.

Der Einsatzbereich von Brennstoffzellen reicht übrigens vom Ladegerät für Handys mit wenigen Watt Leistung über die Verwendung in Fahrzeugen bis zum Betrieb von Kraftwerken von einigen Megawatt Leistung.

Wie entsteht aus Sonnenenergie Wasserstoff?

Durch Elektrolyse. Die Sonnenenergie wird in einer Photovoltaikanlage in elektrischen Strom umgewandelt. Dieser wiederum wird über Elektroden (Anode und Kathode) in einen Wassertank geleitet. An der Kathode nehmen die Wassermoleküle (H2O) Elektronen auf und werden so umgewandelt, dass Wasserstoff (H2) entweicht. Sauerstoff (O2) entsteht über eine weitere Reaktion an der Anode. Beide Gase können in Behältern aufgefangen werden.

Wussten Sie, dass …

ein Kilogramm Wasserstoff einen Brennwert von 33 Kilowatt pro Stunde hat? Das ist etwa viermal so viel wie Kohle.

der Wasserstoff 1766 entdeckt wurde? Der englische Chemiker Henry Cavendish stieß darauf, als er mit Quecksilber und Säuren experimentierte.

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