„Ohne grünen Wasserstoff werden wir unsere Klimaziele und die Energiewende nicht schaffen" - Stefan Kaufmann, Innovationsbeauftragter Grüner Wasserstoff im Bundesministerium für Bildung und Forschung
Wir bei der HyFuture sind und schon lange Zeit sicher: Wasserstoff ist die Kohle, das Öl und das Gas der Zukunft.
Und besonders grüner Wasserstoff ist es, der Veränderung schaffen wird.
„Grüner Wasserstoff" - was bedeutet das eigentlich?
Grüner Wasserstoff wird im Vergleich zu anderen Wasserstoffarten zu 100 % aus erneuerbaren Energien gewonnen. Dazu zählen beispielsweise die Solarenergie oder Windenergie. Damit ist seine Herstellung völlig frei von fossilen Brennstoffen und erzeugt keine Treibhausgasemissionen. Bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasserdampf.
Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?
Durch die sogenannte Elektrolyse.
Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Es gibt verschiedene Arten der Elektrolyse:
PEM = PROTON EXCHANGE MEMBRAN | PROTONEN-AUSTAUSCH-MEMBRAN
Die Membran ist das wichtigste Kennzeichen dieser Elektrolyse-Art. Sie trennt die Elektroden (Anode/Kathode) elektrisch voneinander und ist gleichzeitig auch gasdicht. Dadurch kann der Wasserstoff nicht auf die Sauerstoffseite diffundieren.
Die Membran ist protonenleitend, lässt also die H+ Wasserstoff-Ionen passieren.
Beide Elektroden sind mit einem Katalysator belegt. Dieser sorgt für die Aufspaltung der Gasmoleküle (H2/O2), was unter Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen passiert.
Der Elektronenüberschuss an der Anode bzw. der Elektronenmangel an der Kathode sorgt für die elektrische Spannung.
AEL = ALKALISCHE ELEKTROLYSE
AEL ist das älteste Elektrolyse-Verfahren.
Es basiert auf dem Einsatz hochkonzentrierter alkalischer Elektrolytlösung (20 bis 40 wt.% KOH).
Der Anoden- und Kathodenraum ist durch ein poröses Diaphragma getrennt, weshalb AEL nur eingeschränkt unter Druck betreibbar ist.
Die Zelle kann aufgrund der schlechten Leitfähigkeit des Diaphragmas nur mit niedrigen Stromstärken (bis zu maximal 600 mA/cm²) verwendet werden.
Typische Katalysatoren sind eher preiswerte Materialien - basierend auf Ni, Co und Fe. Allerdings führt die Aggressivität der hochkonzentrierten Elektrolyten dazu, dass vor allem korrosionsresistente, teure periphere Komponenten eingesetzt werden müssen.
AEM = ALKALIC EXCHANGE MEMBRAN: KOMBINATION AUS PEM & AEL
AEM ist eine Kombination aus PEM & AEL Die Vorteile beider Technologien werden unter Eliminierung der entsprechenden Nachteile erhalten.
Kern der neuartigen Technologie ist eine Membran mit ausreichender OH--Leitfähigkeit, sodass - im Vergleich zu AEL - eine deutlich weniger aggressive Umgebung vorhanden ist (milliQ, schwache KOH oder K2CO3).
Durch die weniger korrosiven Betriebszustände sind keine Katalysatoren aus der Platin-Metall-Gruppe notwendig. Oft wird preiswertes Ni, Co oder Fe als Katalysator eingesetzt.
Für Bipolarplatten kann rostfreier Stahl statt Titan verwendet werden.
Das Design der AEM orientiert sich stark an der PEM: Anode und Kathode liegen direkt auf einer nicht-porösen OH- -leitenden Membran auf.
Es werden Stromabnehmer (Current-Collector) sowie Bipolarplatten verwendet. Dadurch sind Arbeiten unter hohem Druck und hohen Stromdichten möglich.
Der erzeugte Wasserstoff verfügt über eine höhere Reinheit als in der AEL wodurch Reinigungs- und Kompressionsschritte entfallen und Kosten gesenkt werden.
Der produzierte Wasserstoff wird in der Regel gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen, die während des Elektrolyseprozesses entstehen können. Dies kann durch Verfahren wie Druckwechseladsorption (PSA) oder Membrantrennung erreicht werden.
Vorteile von grünem Wasserstoff
Aus regenerativen Energien gewonnener Wasserstoff hat viele Vorteile.
Einige davon sind:
1. Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen:
Einer der wichtigsten Vorteile von grünem Wasserstoff!
Fossile Brennstoffe hinterlassen bereits seit vielen Jahrzehnten einen permanenten schädlichen Fußabdruck auf unserer Erde.
Die Verbrennung von fossilen Energieträgern ist weltweit die Hauptursache für die Entstehung von Treibhausgasen und zahlreichen Naturleiden.
Grüner Wasserstoff trägt dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, da er aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind gewonnen wird.
2. Klimafreundlichkeit:
Grüner Wasserstoff hat den Vorteil, dass er ohne Treibhausgasemissionen hergestellt wird. Das heißt 0 % Co2!
Da er aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird, trägt er nicht zum Klimawandel bei. Dadurch unterstützt der Einsatz von Grünem Wasserstoff die Bemühungen zur Dekarbonisierung des Energiesektors.
3. Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten:
H2 wird als Energieträger für zahlreiche Sektoren individuell oder gekoppelt (Sektorenkoppelung) eingesetzt. Er findet beispielsweise Anwendung
im Transportsektor (z. B. Brennstoffzellenfahrzeuge)
in der Industrie (Zement, Stahl; z. B. bei der Herstellung von Ammoniak)
in der Landwirtschaft (vor allem H2 aus Solarenergie)
zur Strom- und Wärmeerzeugung in Quartieren oder Gewerbegebieten
u.v.m.
4. Energieübertragung und -speicherung:
Wasserstoff ermöglicht die Langzeitspeicherung von Energie, da er als chemischer Energieträger fungieren kann. Dies ist insbesondere für die Integration von intermittierenden erneuerbaren Energiequellen wichtig, da überschüssiger Strom zur Wasserstoffproduktion genutzt und später bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden kann.
Nachteile von grünem Wasserstoff
Jede Medaille hat ihre Kehrseite - so auch der grüne Wasserstoff. Welche zeigen wir Ihnen im Folgenden einige auf.
1. Hohe Kosten:
Derzeit ist grüner Wasserstoff im Vergleich zu konventionellem Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen teurer in der Herstellung. Auch die Kosten für die Elektrolyse und die erforderlichen erneuerbaren Energien sind immer noch relativ hoch. Es wird jedoch erwartet, dass die Kosten mit der Skalierung der Produktion und dem Fortschritt der Technologie sinken werden.
Wir sind der Meinung: Ja, die Kosten sind hoch. Aber um den Klimawandel aufzuhalten und unseren Planeten wieder gesünder, stärker und grüner zu machen, sollten wir diese Kosten definitiv in Kauf nehmen!
2. Infrastruktur:
Wir bei der HyFuture arbeiten schon seit geraumer Zeit am Aufbau der Wasserstoff-Infrastruktur in Deutschland. Diese ist zwingend notwendig, um grünen Wasserstoff effektiv nutzen zu können. Eine H2-Infrastruktur umfasst unter anderem:
die Erweiterung der Wasserstoffproduktionskapazität
den Ausbau von Wasserstofftankstellen
den Aufbau von Pipelines oder Tankmöglichkeiten für den Transport
3. Energieverluste:
Beim Prozess der Elektrolyse und der späteren Umwandlung von Wasserstoff in Strom (z.B. durch Brennstoffzellen) kommt es oftmals zu Energieverlusten. Diese sind ähnlich hoch, wie bei Benzin, Diesel, Gas und Atomkraft. Energieverlust bedeutet, dass nicht die gesamte eingesetzte Energie in Form von Wasserstoff wieder zurückgewonnen werden kann. Sie wird als Wärme an die Umgebung abgegeben.
4. Skalierung und Technologieentwicklung:
Die Herstellung von grünem Wasserstoff in großem Maßstab erfordert weiterhin technologische Fortschritte und eine Skalierung der Produktion von H2. Es sind Investitionen und Forschungsanstrengungen erforderlich, um die Effizienz der Elektrolyse zu verbessern und die Kosten für Elektrolyseure zu senken.
Um das Thema voranzutreiben sind wir alle gefragt. Wir brauchen hier die Pioniere und Visionäre, die das Thema aufgreifen, daran glauben und umsetzen.
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