Wasserstoff ist das wichtigste, überwiegende Element im Weltall
und das neunt häufigste der Erde, mit einem Anteil von ca. 0,9
Prozent. Die am meisten vorkommende chemische Verbindung auf
unserem Planeten ist Wasser, welches den größten Anteil
Wasserstoff enthält. Er kommt in fast allen organischen und in
vielen anorganischen Verbindungen vor und ermöglicht das
irdische Leben, so wie wir es kennen.
Um langfristig das Leben in all seinen Fassetten auf unserem
Planeten zu ermöglichen, werden wir zwangsläufig unsere
gesamte Energieversorgung auf Wasserstoff umstellen müssen und
uns von den untragbaren Zwängen der heutigen Energieversorger lösen.
Der Energiebedarf der Menschen steigt immer weiter an, hingegen
die fossilen Energieträger immer weiter abnehmen oder die
Bereitstellung dieser mit untragbaren Kosten verbunden sind. Ein
umweltverträglicher Energiekreislauf ist nur durch einen
schrittweisen Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft möglich.
Kommerziell wird Wasserstoff seit über 100 Jahren in vielen
Bereichen eingesetzt. Er wird größtenteils von der chemischen
Industrie als Synthesegas eingesetzt und in Halbleiter-, Glas-
und Metallindustrie sowie als Raketentreibstoff verwendet.
Derzeit werden weltweit ca. 500-600 Mrd. m³ benötigt.
Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger und ist als reiner
Stoff nicht verfügbar sondern er kommt nur in chemischen
Verbindungen vor. Um die Energie des Wasserstoffs nutzen zu können,
muss er zunächst mit hohem Energieaufwand aus den Verbindungen
herausgelöst werden. Dabei kommen mehrere Technologien zum
Einsatz. Derzeit wird der Wasserstoff zum größten Teil noch
aus fossilen Energieträgern hergestellt. Hauptsächlich findet
die Herstellung durch Dampfreformierung von Erdgas statt, früher
wurde durch Vergasen von Kohle Stadtgas hergestellt, welches aus
60% Wasserstoff bestand. Des weiteren entsteht er als
Nebenprodukt bei chemischen Prozessen wie bei der Herstellung
von Chlor und in der Mineralölindustrie bei der Raffinerierung.
Weil jedoch diese konventionellen Methoden mit umweltschädlichen
Emissionen verbunden sind, wächst die Bedeutung der
Wasserstoffherstellung mittels regenerativer Energiequellen. Die
derzeit wirtschaftlichste und effizienteste Methode, Wasserstoff
zu erzeugen ist die Vergasung von Biomasse. Durch Verbesserung
des Verfahrens lassen sich theoretisch alle
kohlenwasserstoffhaltigen Stoffe vergasen.
Der einzige Nachteil der Vergasungstechnologie besteht darin,
dass neben dem reinen Wasserstoff reines Kohlendioxid entsteht.
Der folgende Link beschreibt ausführlich diese Herstellungsform
von Wasserstoff und gibt Lösungsansätze, die das Kohlendioxid
in aufgebrauchten Erdgas- und Erdölfeldern unter hohem Druck
speichern.
Auf http://www.bio-wasserstoff.de/h2/
wird eine sehr interessante Variante vorgestellt, wie man mit
der heimisch wachsenden Biomasse auf besonders günstige Art und
Weise Wasserstoff in ausreichenden Mengen herstellen kann, und
das mit völlig unbhängig von teuren Öl-Importen.
Elektrolyse:
Da die fossilen Primärenergieträger, aus denen Wasserstoff
hergestellt werden kann, in absehbarer Zukunft verbraucht sein
werden, ist die Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer
Primärenergiequellen das zukunftsträchtigste Verfahren um auf
saubersten Weg Wasserstoff herzustellen. Bei der
Wasserelektrolyse werden unter Verwendung von elektrischem Strom
die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.
Mit Wasserstoff lässt sich auf einfachen und umweltfreundlichen
Weg elektrische Energie speichern und transportieren.
Möglichkeiten der Speicherung
Hochdruckbehälter
Metallhydridspeicher
Tiefsttemperatur-Flüssigspeicher (bei 20K)
Methanol
Nanostrukturen
Die Speicherung bringt mehrere Vorteile mit sich. Da die
Herstellung zum größten Teil mit regenerativen Energiequellen
erfolgen soll, werden die Energieüberschüsse im Sommer seitens
des solaren Strahlungsangebotes für die energiearmen Zeiten
nutzbar gemacht. Ein weiterer Vorteil liegt in der mobilen
Anwendung, worauf unter Verwendung näher eingegangen wird.
Deutschland und alle weiteren Industrieländer haben eine
sehr gut ausgebaute Erdgas-Infrastruktur. In absehbarer Zukunft
wird anstelle Erdgas Wasserstoff durch die Rohre strömen. Es
muss kein zusätzliches Leitungssystem für Wasserstoff erbaut
werden. Damit man der steigenden Nachfrage an Wasserstoff
gerecht werden kann, müssen Wasserstoff-Fabriken in Gebieten
mit hoher Sonneneinstrahlung erbaut werden. Küstennahe Wüsten-
und Steppengebiete der dritten Welt eignen sich hervorragend für
die Errichtung solcher Fabriken. Dadurch werden
Verteilungskriege um Ressourcen (siehe Irak) vermieden und den
Menschen in den Entwicklungsländern wird eine Perspektive
geboten. Der dort unter günstigen Bedingungen hergestellte
Wasserstoff kann mittels Pipelines und Tankern, welche mit
Wasserstoff angetrieben werden, in der Welt verteilt und
verkauft werden.
Die nun zur Verfügung stehende chemische Energie hat ein sehr
breites Einsatzfeld. Mit der zunehmenden Urbanisierung und dem
weiter fortschreitenden Drang nach individueller Mobilität wird
ein auf Wasserstoff basierendes Verkehrsystem unverzichtbar. In
der Raketentechnik hat der Treibstoff der Zukunft schon vor
vielen Jahren Einzug erhalten und wird sich auch im
Verkehrsflugzeug durchsetzen. Die größten Automobilhersteller
(MAN, Neoplan, Renault, Peugeot, Toyota, Honda, Nissan, Mazda,
Ford, GM, BMW, Volkswagen, Volvo und Daimler Chrysler) haben
schon Möglichkeiten in ausgereiften Fahrzeugen aufgezeigt.
Nicht nur im Verkehrswesen wird immer mehr Mobilität
gefordert, auch mobile Computer und Unterhaltungselektronik
verbreiten sich immer mehr und es wird immer mehr Energie im
nicht stationären Bereich benötigt. Die Kapazität und
Lebensdauer der derzeit verwendeten Akkumulatoren wurden immer
weiter verbessert, doch in absehbarer Zeit wird man hier an die
Grenzen der Technik stoßen. In der Zukunft wird die benötigte
Energie von kleinen Brennstoffzellen bereitgestellt.
Die dezentrale Energieversorgung mit Großkraftwerken für
Strom und Wärme werden in Zukunft überflüssig. Der mit den
vorhandenen Erdgas-Leitungen leicht verfügbare Wasserstoff wird
genutzt, um elektrische und thermische Energie dort zu erzeugen,
wo sie benötigt wird. Damit werden die teuren und
materialintensiven Hochspannungs-Überlandleitungen überflüssig.
Wasserstoff-Nutzung mittels:
Brennstoffzelle
Verbrennungsmotor
Gasturbine
Blockheizkraftwerk
Brennwertkessel
Verbrennungsmotoren, die Wasserstoff als Treibstoff nutzen,
sind mit speziellen Modifikationen dem herkömmlichen
4-Takt-Otto-Benzinmotor gleich. Flüssiger und gasförmiger
Wasserstoff ist in einem mit Verbrennugsmotor betriebenen
Fahrzeug verwendbar. Gasturbinen für den Betrieb mit
Wasserstoff umzurüsten ist prinzipiell möglich. Diese können
in Flugzeugen oder in größeren dezentralen Kraftwerken zur
Energieerzeugung eingesetzt werden. Aktivitäten auf dem Gebiet
"wasserstoffbetriebene Flugzeuge" gibt es seit Anfang
der Achtziger. Tupolev stellte 1988 das erste
wasserstoffbetriebene Flugzeug TU154 vor. Um die Entwicklung auf
dem Gebiet voranzutreiben, entstand Anfang der Neunziger
zwischen Tupolev und Daimler-Crysler Aerospace eine Kooperation
namens Cryoplane.
In der Brennstoffzelle sehen wir das größte Potenzial für die
Zukunft und deshalb wird im Folgenden näher auf diese Technik
eingegangen.
Das Prinzip der Brennstoffzelle (BSZ) ist ca. 180
Jahren alt und von dem Engländer Sir William Grove(1811-1896)
sowie von einem schweizerischen Naturforscher Christian Schönbein
(1799-1869) unabhängig von einander entdeckt worden. Es ist die
Umkehrung der Elektrolyse, die zur Wasserstoff-Herstellung
verwendet wird.
Brennstoffzellen wandeln unter Abgabe von Wärme chemische
Energie direkt in elektrische Energie um. Dabei wird die Kathode
von Sauerstoff und die Anode von Wasserstoff-Gas umspült. Für
den Betrieb von bestimmten Brennstoffzellen reicht der in der
Luft enthaltene Sauerstoff vollkommen aus. Die folgenden
Reaktionen beschreiben das Prinzip einer BSZ.
In der Brennstoffzelle werden die Anode und
Kathode, von einer nicht elektrisch leitenden
Membran getrennt. Die beiden Elektroden (Anode,
Kathode) sind mit einer Katalysatorschicht (meist
Platin) belegt. An diesem Katalysator werden die
Wasserstoffmoleküle aufgespalten, wobei dann die
Elektronen in der Elektrode zurückbleiben und die
Protonen durch die Membran wandern können. Der
Stromfluss zwischen den Elektroden kann nur über
einen Verbraucherstromkreis außerhalb der BSZ
hergestellt werden. Die Elektrolyt-Membran ist für
die H+ - Protonen durchlässig, sodass
diese zur Kathode wandern und dort mit dem
Sauerstoff und den "benutzten"
Elektronen zu Wasser reagieren können.
