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Wasserstoff herstellen: Verfahren und Farbenlehre

Wasserstoff herstellen: Verfahren und Farbenlehre

Wasserstoff herstellen

Wasserstoff (H2) ist das häufigste Element im Universum, auf der Erde in sehr großen Mengen vorhanden und in fast allen organischen Verbindungen enthalten. Gleichzeitig kommt es nur in gebundener Form vor – das bekannteste Beispiel hierfür ist Wasser (H2O), das aus sich aus den Elementen Sauerstoff (O2) und Wasserstoff zusammengesetzt. Da es sich bei Wasserstoff um eine Sekundärenergie handelt, wird für die Wasserstoffherstellung grundsätzlich Primärenergie benötigt. Er lässt sich zur Speicherung und zum Transport von Energie nutzen.

An der Wahl der Primärenergie entscheidet sich die Frage, ob der jeweilige Wasserstoff umweltfreundlich hergestellt wird. Setzt man dabei vollständig auf Strom aus erneuerbaren Energien, dann ist das Endprodukt nachhaltiger Wasserstoff. Dieser wird auch grüner Wasserstoff genannt, da bei seiner Produktion kein Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht. Eine Übersicht zu den verschiedenen Farbkategorien von Wasserstoff finden Sie weiter unten auf dieser Seite. Doch wie wird Wasserstoff hergestellt? Wer Wasserstoff herstellen möchte, kann auf eine Reihe von Verfahren zurückgreifen: Hinsichtlich der Herstellung von Wasserstoff sind das Reformierungsverfahren und die Wasserelektrolyse sehr ausgereift. Noch erprobt werden das Kvæner-Verfahren, die Wasserstoffherstellung aus Grünalgen und die Produktion von Biowasserstoff.

Wasserstoff ist ein Thema mit vielen Facetten – angefangen von der Herstellung, über den Transport und die Speicherung bis hin zur Nutzung. Mit unserer Kompetenz, Know-How und langjähriger Erfahrung sind wir ein unabhängiger Partner für Sicherheit und Gefahrenabwehr, indem wir verschiedenen Aspekte der Wasserstofftechnologie prüfen, inspizieren und zertifizieren können.

Wasserstoff mit dem Reformierungsverfahren produzieren

Beim Reformierungsverfahren entzieht man fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Kohle, aber auch Quellen wie Methanol (CH4O) oder Biomasse in einem mehrstufigen Verfahren den Wasserstoff. In der Industrie ist für die Produktion von Wasserstoff aktuell die Reformierung von Erdgas am häufigsten. Für den Reformierungsprozess lässt sich etwa überhitzter Wasserdampf nutzen, was als „Dampfreformierung“ bezeichnet wird. Zu den Nebenprodukten zählen Schwefeldioxid (SO2), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx).

Biowasserstoff-Herstellung

Biowasserstoff wird durch ein Verfahren namens „dunkle Fermentation“ hergestellt. Dabei greift man auf Biomasse, Abwässer und Reststoffe als Rohstoffe zurück. Die aus ihnen bestehenden organischen Verbindungen erfahren mittels Mikroorganismen eine Umwandlung in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Dabei herrschen anaerobe Bedingungen, es ist also kein Sauerstoff vorhanden. Zudem geschieht diese Umwandlung bei der Herstellung von Biowasserstoff bei völliger Dunkelheit und Temperaturen von 30 °C bis 80 °C. Da es nicht möglich ist, in diesem Prozess alle organischen Verbindungen zu verwerten, werden diese anschließend in Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt. Am Ende wird Biowasserstoff gewonnen.

Herstellung von Wasserstoff mit Elektrolyse

Für die Herstellung von Wasserstoff mittels Wasserelektrolyse kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, die aufgrund spezifischer Technologien, Materialien, Stromdichten, Temperaturen und weiterer Faktoren unterschiedliche energetische Wirkungsgrade erreichen. Was die Verfahren für die Elektrolyse von Wasser verbindet, ist ihr Prinzip, mithilfe von elektrischem Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dabei gewinnen sie aus zwei Wassermolekülen (H2O) je zwei Wasserstoffmoleküle (2H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2). Unter Verwendung von Strom aus regenerativen Energien wird dabei grüner Wasserstoff produziert. Es gibt folgende Verfahren zur Wasserelektrolyse:

  • AEL-Elektrolyse: Nutzung einer Kaliumhydroxid-Lösung (KOH) mit einer Konzentration von 20 bis 40 % als Elektrolyt.
  • PEM-Elektrolyse: Anstelle eines flüssigen Elektrolyts wird ein Festpolymer-Elektrolyt eingesetzt (= Proton Exchange Membrane).
  • HTE-Elektrolyse: Einsatz eines Hochtemperatur-Elektrolyseurs, der im Temperaturspektrum zwischen 100 °C bis ungefähr 900 °C arbeitet.

Herstellung von Wasserstoff als Infografik

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Die Herstellung von Wasserstoff als Infografik: Elektrolyse, Dampfgasreformierung und Pyrolyse einfach erklärt.

Erneuerbare Energien

Es gibt verschiedene Verfahren für die Wasserstoffherstellung. Wenn Wasserelektrolyse unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt wird, entsteht grüner Wasserstoff.

Elektrolyseur

Wasser (H2O) wird im Elektrolyseur aufgespalten – in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). An der Kathode bilden die Protonen Wasserstoffmoleküle. Diese steigen auf und werden aufgefangen.

Erdgas als Quelle

Aus Methan (CH4) lässt sich blauer Wasserstoff gewinnen, beispielsweise durch Verfahren wie die Dampfreformierung oder die Methanpyrolyse, wenn der dabei entstandene Kohlenstoff (C) bzw. das Kohlenstoffdioxid (CO2) auch anschließend entweder gespeichert oder industriell / prozessual verwertet wird.

Dampf-/Steamreformierung

Durch die Dampfreformierung entsteht reiner Wasserstoff – mittels zahlreicher Schritte wird der im Methan (CH₄) enthaltene Wasserstoff vom Kohlenstoff getrennt. Hierbei fällt Kohlenstoffmonoxid (CO) an, das in Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird.

Methanpyrolyse

So funktioniert die Methanpyrolyse: In einem Hochtemperaturreaktor erfolgt die Zerlegung von Methan in Kohlenstoff und Wasserstoff.

Verwendung/Lagerung

Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff lassen sich theoretisch in geologischen Formationen einlagern oder in Prozessen der Industrie nutzen. In beiden Fällen wird eine Freisetzung in die Erdatmosphäre umgangen.

Konkrete Anwendung

Ob über eine vorhandene Infrastruktur oder auf direktem Wege: im nächsten Schritt wird der Wasserstoff zum Anwender gebracht und von diesem genutzt. Das Einsatzspektrum reicht von Fahrzeugen über Brennstoffzellenheizungen bis hin zur Industrie.

Meerwasserentsalzung: Anlagen für die Wasseraufbereitung

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Meerwasserentsalzungsanlage

Die Nationale Wasserstoffstrategie Deutschlands sieht zusätzlich zur eigenen Herstellung von grünem Wasserstoff auch dessen Import vor – in erster Linie aus Nord- und Westafrika, da sich dieser dort sehr günstig aus Solar- und Windstrom produzieren lässt. So haben Bundesforschungsministerin Anja Karliczek und ihr damaliger nigrischer Amtskollege Yahouza Sadissou im Jahr 2020 ein Maßnahmenpaket vereinbart, das einen Ausbau der Partnerschaft mit Westafrika vorsieht. Eine der mit dem Import von Wasserstoff verbundenen Herausforderungen besteht darin, Frischwasser für die Wasserelektrolyse in ausreichendem Maß bereitzustellen, ohne die Wasserknappheit vor Ort zu verstärken. Technologien zur Meerwasserentsalzung leisten einen entscheidenden Beitrag für den Schutz der Umwelt in den jeweiligen Ländern.In Meerwasserentsalzungsanlagen erfolgt die Aufbereitung des Wassers für die Elektrolyse. Der langfristig angelegte Aufbau entsprechender Infrastrukturen für die Meerwasserentsalzung geht mit einem beträchtlichen gesamtgesellschaftlichen Nutzen für die produzierenden Regionen einher und bietet großes Potenzial für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklungshilfe.

 

Doch wie funktioniert eine Meerentsalzungsanlage? Die etablierten Prozesse zur Entsalzung von Meerwasser unterteilen sich in thermische Destillationsverfahren und membranbasierte Druckfiltrationsverfahren. Im Folgenden finden Sie Beschreibungen der beiden Funktionsweisen für Meerentsalzungsanlagen.

 

Thermische Destillation in Meerwasserentsalzungsanlagen

  • Mehrstufige Destillation
    (MED – Multi-Effect Distillation)
  • Mehrstufige Entspannungsverdampfung
    (MSF – Multi-Stage Flash Distillation)
  • Dampfkompressionsverfahren
    (TVC – Thermo Vapour Compression)

Die thermische Destillation in Meerentsalzungsanlagen zeichnet sich durch hohen Energieeinsatz aus: In thermischen Verfahren wird das, mit einer Pumpe aus dem Meer geförderte, Wasser in einer Meerwasserentsalzungsanlage über Kondensationsstufen geführt. Für dessen Erhitzung auf über 100° C wird meist Wärme aus Kraftwerken der Gas- und Ölindustrie, aber auch von Kernreaktoren genutzt. Pro 1.000 Liter Wasser werden hierfür etwa 100 Kilowattstunden Energie benötigt.

Vor allem in den trockenen, sonnenreichen Regionen Nordafrikas und des Mittleren Ostens leisten in Meerwasserentsalzungsanlagen eingesetzte thermische Verfahren seit vielen Jahren einen wichtigen Anteil zur Frischwasserversorgung. Heute können sie durch hybride Konzepte optimiert werden und beispielsweise im solaren/fossilen Betrieb den Übergang zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft ermöglichen.

 

Meerwasserentsalzungsanlage mit membranbasierter Druckfiltration

  • Umkehrosmose (RO – Reverse Osmosis)
  • Nanofiltration (NF)
  • Elektrodialyse (ED – Electro Dialysis)

Diese Funktionsweise in Meerentsalzungswasseranlagen sticht durch effizientes Energiemanagement hervor: Dank leistungsfähiger Hochdruckpumpen, die Meerwasser durch spezielle Membranen drücken, sowie effizienter Systeme zur Energierückgewinnung hat sich die Umkehrosmose als führende Technologie zur Meerwasserentsalzung mehr und mehr durchgesetzt. Pro 1.000 Liter Wasser benötigen die modernsten Meerwasserentsalzungsanlagen lediglich etwa 2,5 Kilowattstunden Energie.

In sonnen- und windreichen Küstengebieten ermöglicht die Meerwasserentsalzung in speziellen Anlagen durch Umkehrosmose auch eine wirtschaftliche Produktion von grünem Wasserstoff. Um Elektrolyseure, also Vorrichtungen für die Elektrolyse beziehungsweise Anlagen für das Herstellen von Wasserstoff, hochgradig auszulasten, eignen sich vorzugsweise Standorte, an denen neben hoher Sonneneinstrahlung am Tag auch Windenergie bei Nacht zur Verfügung steht. Alternativ können bei Windflaute auch Brennstoffzellen als Energielieferant dienen.

Welche Farbe hat Wasserstoff?

Wasserstoff ist farb- und geruchlos. Die häufig gestellte Frage „Welche Farbe hat Wasserstoff?“ bezieht sich daher nicht auf eine konkrete Farbe, sondern auf die Menge der Emissionen von Kohlenstoffdioxid, die bei der Herstellung von Wasserstoff direkt oder indirekt produziert wird.

 

Wasserstoff Farblehre Wasserstoff Farblehre Wasserstoff Farblehre Wasserstoff Farblehre

Somit lässt sich anhand der jeweiligen Farbkategorie erkennen, ob die Herstellung des Wasserstoffs umweltfreundlich erfolgt. Dabei wird zwischen grünem, blauem, türkisem und grauem Wasserstoff unterschieden.

Die einzelnen Farben von Wasserstoff sind folgendermaßen definiert:

 

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird mit regenerativen Energien (etwa Wasser- und Windkraft oder Photovoltaik) hergestellt, vorrangig aus Wasser im Elektrolyseverfahren. Dabei spaltet man das Wassermolekül in die beiden Elemente Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) auf. Wasserstoff nachhaltig herstellen: Findet bei der Wasserelektrolyse also ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien Anwendung, dann gilt der auf diese Weise produzierte Wasserstoff als frei von Kohlenstoffdioxid und somit als grüner Wasserstoff. Allerdings ist beispielsweise auch die Herstellung einer Windenergieanlage nicht vollkommen klimaneutral. Wer grünen Wasserstoff herstellen möchte, kann daneben auch Biomasse vergasen und vergären oder Biogas reformieren. Wenn bei der Methanolsynthese, also der Umwandlung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (z.B. aus industriellen Prozessen) in Methanol, erneuerbare Energien verwendet werden, dann gilt das Ergebnis übrigens als „grünes Methanol“.  

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird durch fossile Brennstoffe erzeugt, somit handelt es sich im Grunde um grauen Wasserstoff. Allerdings gibt es bei blauem Wasserstoff einen entscheidenden Unterschied: Anders als beim grauen Wasserstoff gelangt Kohlenstoffdioxid nicht in die Atmosphäre. Stattdessen wird das Kohlenstoffdioxid abgeschieden, aufgefangen und z.B. in geeignete geologische Formationen tief unter der Erde verpresst. Daher gilt blauer Wasserstoff in der Bilanz als kohlenstoffdioxidneutral. Das entsprechende Verfahren bezeichnet man im Englischen als „Carbon Capture and Storage“ (CCS). Als Lagerstätten kommen frühere Öl- oder Gaslagerstätten und Gesteinsschichten infrage, die Salzwasser führen. Bislang kommt dieses Verfahren zur Produktion von blauem Wasserstoff in Deutschland lediglich in Pilot- und Testprojekten zum Einsatz.

Türkiser Wasserstoff

Wenn Wasserstoff über die thermische Spaltung von Methan oder Erdgas (manche Erdgase bestehen zu 98 % aus Methan) hergestellt wird, handelt es sich um türkisen Wasserstoff. Bei diesem als „Methanpyrolyse“ bezeichneten Vorgang entsteht anstelle von Kohlenstoffdioxid fester Kohlenstoff. Wird der Hochtemperaturreaktor mit erneuerbaren Energiequellen betrieben und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden, so ist dieses Verfahren kohlenstoffdioxidneutralEin entscheidender Vorteil besteht darin, dass sich Kohlenstoff leichter als Kohlenstoffdioxid lagern lässt und beispielsweise in der Chemie- und Elektronikindustrie oder im Straßenbau verwendet werden kann. Im Vergleich zur Herstellung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse soll die Methanpyrolyse bei der Produktion von türkisem Wasserstoff nur ein Fünftel der Energie benötigen. Dieses Verfahren zur Wasserstoffherstellung wurde bisher allerdings nur im Labormaßstab erprobt.

Grauer Wasserstoff

Aktuell dominiert noch grauer Wasserstoff den deutschen Markt. Er wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, vor allem aus Erdgas und Kohle. Bei der Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung etwa wird Erdgas bei Temperaturen von bis zu 1000 °C in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Abhängig von Quelle und Strommix entstehen bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff rund 10 Tonnen Kohlenstoffdioxid. Da es ungenutzt in die Atmosphäre entweicht und nicht in irgendeiner Form gespeichert wird, verstärkt grauer Wasserstoff somit den Treibhauseffekt.

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