Der h2well Ideenwettbewerb

Wasserstoff ist eigentlich ein farb-, geruchs- und geschmack­loses Gas. Warum sprechen aber so viele von grauem, blauem, türkis­farbenem oder eben grünem Wasser­stoff? Die Farben, mit denen Wasser­stoff teil­weise attri­buiert wird, ver­weisen auf die Art des Erzeugungs­verfahrens. Denn das Gas ist zwar das häufigste Element im Universum, auf unserem Planeten kommt es jedoch nur in gebund­ener Form vor. Als grün wird Wasser­stoff in der Regel bezeich­net, wenn er unter Ver­wend­ung erneuer­barer Energien erzeugt wurde, d.h. mittels rege­nerativen Stroms im Elektro­lyse-Verfahren.

Mehr Infor­mationen zur Wasser­stoff-Farben­lehre sind unter anderem auf der Web­site des Bundes­minis­teriums für Bildung und Forschung zu finden: https://www.bmbf.de/de/eine-kleine-wasserstoff-farbenlehre-10879.html

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elek­trischem Strom in seine atomaren Bestand­teile Sauer­stoff und Wasser­stoff gespalten. Dabei handelt es sich um eine durch Strom in Gang gebrachte Redox­reaktion.

Die zugrunde­liegende chemische Gleichung lautet: 2 H₂O + e^- → 2 H₂ + O₂ + Wärme

Damit dieses Reaktions­prinzip funktioniert, bedarf es einer Strom­quelle, zweier Elektroden (Kathode und Anode) und einer Membran, die die Wasser­moleküle durch­laufen. An der Anoden-Seite wird hoch­reines Wasser zugeführt.

Bei unserem Beispiel der PEM-Elektrolyse (engl. PEM = Proton Exchange Membran) ist die verwendete Membran protonen­durch­lässig und mit Edel­metall-Kata­lysatoren, die als Elek­troden fungieren, beschichtet. Dadurch ist die Zugabe eines flüssigen Elektro­lyten, wie z.B. Koch­salz­lösung, der das Wasser leit­fähiger macht, nicht notwendig.

Wenn über die Kathode (Minus­pol) und die Anode (Plus­pol) nun ein Gleich­strom ange­legt wird, läuft der folgende elektro­chemische Prozess ab:

• Die Elektronen wandern von der Kathode zur Anode. (vom Minus- zum Plus­pol)
• Die Elektronen können dabei die Membran pas­sie­ren. Die Elek­tronen sorgen dafür, dass sich die Wasser-Mole­küle spalten, zu je einem positiv gelade­nen Wasser­stoff-Ion (H+) (Kation bzw. Proton, da es sich um Wasser­stoff handelt) und einem negativ gela­denen Hydroxid-Ion (OH^-) (Anion).
• Die positiv geladenen Wasser­stoff-Ionen wandern darauf­hin durch die Membran zur Kathode (nega­tiver Pol) – daher spricht man von einer Protonen­aus­tausch-Membran. Die negativ gela­denen Hydroxid-Ionen bewegen sich dagegen zur Anode (positiver Pol). Die Membran ist für sie un­durch­lässig.
• Die Hydroxid-Ionen an der Anode geben jeweils ein Elektron an die Kathode ab. Mit der Abgabe des Elektrons trennt sich das Ion in seine Be­stand­teile eines Wasser­stoff-Ions und eines Sauer­stoff­atoms.
• Wie in Schritt 3, wandert das abge­spaltene Wasser­stoff-Ion nun durch die Mem­bran an die Kathode.
• Jeweils zwei Wasser­stoff-Ionen verbinden sich an der Kathode zu einem Wasser­stoff-Molekül. Zwei Sauer­stoff­atome reagieren zu einem Sauer­stoff-Molekül.
• Die beiden Wasser­stoff-Moleküle treten an der Kathode als Gas aus. Das Sauer­stoff-Molekül tritt bei der Anode als Gas aus. Als „Neben­produkt“ dieses Pro­zesses entsteht Wärme.

Neben dem auf einer Protonen-Austausch-Membran (engl. Proton Exchange Membrane, kurz PEM) beruhen­dem PEM-Elektro­lyse­ver­fahren, gibt es auch noch weitere Arten der Elektro­lyse, zum Beispiel die Alkali-Elektro­lyse oder die Hoch­temperatur-/Festoxid-Elektrolyse.

Die maß­geblichen Unter­schiede liegen in den ver­wen­deten Elektro­lyten. Bei der Alkali-Elektro­lyse wird zum Beispiel, wie der Name schon sagt, eine alka­lische Lösung als Elektrolyt ver­wen­det. Dadurch läuft der Prozess leicht ver­ändert ab, statt Protonen wandern nämlich Hydroxid-Ionen durch eine Dia­phragma-Membran. Das Prinzip ist jedoch immer dasselbe: Wasser wird durch Einsatz von elek­trischem Strom in Wasser­stoff und Sauer­stoff gespalten.

Unter https://www.planet-schule.de/mm/funktion-elektrolyse/ ist das Elektro­lyse-Prinzip an­schau­lich animiert.

So sieht der kom­plette Elektro­lyse­prozess ver­ein­facht dar­ge­stellt aus.

In einer Brenn­stoff­zelle läuft das Elektro­lyse-Prinzip „um­ge­kehrt“ ab, d.h. Wasser­stoff reagiert mit Sauer­stoff zu Wasser und dabei entsteht Strom. Die chemische Energie des Wasser­stoffs wird also wieder in elek­trische Energie um­ge­wan­delt.

Der wesent­liche Unter­schied im Aufbau einer Brenn­stoff­zelle (wir orientieren uns wieder am Beispiel einer Brenn­stoff­zelle mit Protonen-Austausch-Membran) ist, dass die Anode hierbei den Minus­pol bildet und die Kathode den Plus­pol. Und statt Wasser wird dem System Wasser­stoff und Sauer­stoff zugeführt.

Die Wasser­stoff­mole­küle oxi­dieren an der Anode (Minus­pol) – aus­gelöst durch die kata­lytische Beschicht­ung der Elek­trode – und geben Elek­tronen an die Anode ab. Die Elek­tronen wandern von der Anode über einen Strom­ab­nehmer (Strom­ver­braucher) zur Kathode.

Die Wasser­stoff-Ionen wandern wiederum durch die Elektro­lyt­membran in den Kath­oden­raum (Pluspol).

Sauer­stoff wird gas­förmig in den Kath­oden­raum ein­ge­führt. Die Membran hindert dabei den Sauer­stoff daran an die Anode zu ge­langen. An der Kathode spaltet sich das Sauer­stoff­mole­kül in seine zwei Sauer­stoff­atome, an diese binden sich die Elektronen.

Der so atomar vor­lie­gende Sauer­stoff reagiert mit den durch die Membran gelang­ten Wasser­stoff-Ionen zu Wasser.

Es entstehen neben Wasser, ein nutzbarer Strom und nutzbare Wärme.

Aufbau einer Brenn­stoff­zelle

Eine Brenn­stoff­zelle besteht, wie ein Elektro­lyseur, aus zwei Elek­troden (Anode und Kathode) und einem Elektro­lyten dazwischen. Der Elektrolyt kann ent­weder als Beschich­tung auf einer Poly­mer­membran (protonen­leitend, PEM-Brenn­stoff­zelle) auf­getragen oder eine alkalische Lauge (hydroxid­ionen­leitend, alka­lische Brenn­stoff­zelle) sein oder aus einem kera­mischen Werk­stoff, einem Fest­oxid (sauer­stoff­ionen­leitend, Fest­oxid­brenn­stoff­zelle) bestehen. Je nach Elektrolyt unter­scheidet sich die typische Betriebs­tem­peratur der Brenn­stoff­zellen.

Doch egal um welchen Typus von Brenn­stoff­zelle es sich handelt: Eine Brenn­stoff­zelle kommt selten allein. Tatsächlich werden in der Praxis mehrere Brenn­stoff­zellen zu­sammen­geschaltet, d.h. gestapelt. Man spricht dann von einem Brenn­stoff­zellen-Stack (stack engl. Stapel).

In der chemischen Industrie

Wasserstoff findet in der chemischen Industrie breite Verwendung. Jährlich kommen dort etwa 12,5 Mrd. Kubikmeter Wasser­stoff zum Einsatz [Angabe, Verband der chemischen Industrie]. Gebraucht wird der Wasser­stoff vor allem, um chemische Grund­stoffe wie Ammoniak oder Methanol her­zu­stellen, die als Ausgangs­stoffe für Dünge­mittel oder Kleb- und Farb­stoffe dienen.

Doch Wasser­stoff kann auch als elektro­chemischer Energie­träger genutzt werden.

Zum Beispiel im Verkehr, in Brenn­stoff­zellen-Fahr­zeugen.

In Brenn­stoff­zellen-Fahr­zeugen wird der elektrische Strom für den Antrieb des Elektro­motors nicht über einen Batterie­speicher bereit­gestellt, sondern direkt im Fahr­zeug über die Brenn­stoff­zelle „erzeugt“. Ähnlich zu einem Diesel- oder Benzin­fahr­zeug, wird der dafür not­wendige Wasser­stoff in einem Tank mit­geführt. Einziger Unter­schied: Da Wasser­stoff eine sehr geringe Dichte aufweist, muss er bei hohem Druck (700 bar für PKW) mit­geführt werden. Die Tank­behälter müssen daher hohen Drücken stand­halten können.

Brenn­stoff­zellen (BZ) sind prin­zipiell in allen Bereichen der Mobilität ein­setzbar – vom Fahrrad- bis zum Flug­zeug­verkehr. Besonders interessant ist die Antriebs­art aber vor allem für Verkehre, bei denen schwere Lasten trans­portiert werden müssen. Denn ein Vorteil der BZ-Fahr­zeug­kompo­nenten ist, dass sie im Vergleich zum batterie-elektrischen Antriebs­strang weniger wiegen. Außer­dem dauert das Tanken nur wenige Minuten, während ein Batterie-Lade­vorgang in der Regel mehr Zeit in Anspruch nimmt. Und ist dann ebenso CO₂-neutral im Betrieb.

In der Strom- und Wärme­versorgung

Brenn­stoff­zellen finden auch im stationären Bereich Anwendung, zum Beispiel als Not­strom­aggregat oder zur kombi­nierten Erzeugung von Strom und Wärme für den Haus­gebrauch. Für den Betrieb eines solchen Brenn­stoff­zellen-Heiz­geräts bedarf es eines Erdgas-Anschlusses oder einer eigenen Wasser­stoff­erzeugung. Aktuell wird jedoch meist das Erdgas aus dem Netz genutzt, welches entweder direkt in der Brenn­stoff­zelle „verbrannt“ (man spricht bezüglich der Energie­umwandlung in der Brenn­stoff­zelle auch von „kalter Verbrennung“) oder über einen Erdgas-Reformer zu Wasser­stoff umgewandelt wird.

Dann kann über die Brenn­stoff­zelle sowohl Wärme (thermische Energie, die bei der Oxidation von Wasser­stoff als Reaktions­energie frei wird) als auch Strom bereit­gestellt werden.

Während Wasser­stoff in der Brenn­stoff­zelle von chemischer Energie in elektrische Energie um­gewandelt wird und dabei Wärme ent­steht, kann Wasser­stoff auch direkt verbrannt und die thermische Energie, die dadurch entsteht, genutzt werden. So kann Wasser­stoff auch als Brenn­stoff in einem BHKW zur Wärme­erzeugung genutzt werden.

In Industrie­prozessen

Nicht nur Kuchen muss im Ofen gebacken werden, auch bei vielen Industrie­produkten, wie Stahl oder Porzellan, müssen deren Ausgangs­stoffe zunächst in einem industriellen Ofen hoch erhitzt werden. Dabei zum Einsatz kommen meistens fossile Brenn­stoffe, wie Kohle oder Erdgas. Eine Möglichkeit wäre diese durch Wasser­stoff zu ersetzen. Wir haben zwei Beispiele dafür heraus­gegriffen.

In der Zement­herstellung kann klima­neutral erzeugter Wasser­stoff Erdgas bei der Erhitzung von Ton­mineralien und Kalk – Ausgangs­stoffe für Zement – ersetzen. Denn die Bereit­stellung der Wärme­energie für das Brennen von sogenanntem Zement­klinker bei Temperaturen von rund 1.450 °C macht ca. 35% der bei der Zement­her­stellung ent­stehenden Treib­haus­gase aus, neben den ohnehin durch die chemische Reaktion beim Brennen freigesetzten CO₂-Emissionen [Quelle WWF]. Insgesamt steht die Zement­klinker­produktion auf Platz drei der größten Quellen für industrielle Treib­haus­gas­emissionen in Deutschland [Quelle, de.statista.com, 2019]. Zement ist ein elementares Binde­mittel für die Bau­industrie und in vielerlei Hinsicht nicht zu 100 % ersetzbar – auch moderne Holzhäuser fußen auf einem Beton­sockel, für den Zement notwendig ist.

In der Stahl­erzeugung kann Wasser­stoff für die Wärme- und chemischen Reduktions­prozesse bei der Eisen­erz­verarbeitung eingesetzt werden. Üblicher­weise wird Eisen­erz zunächst im Hoch­ofen mithilfe von Koks stark erhitzt und durch das Ein­blasen von Kohle­staub zu Roh­eisen reduziert. Denn Eisen liegt in der Natur nur als Eisen­oxid vor, um reines Eisen zu erhalten, muss also der gebundene Sauer­stoff ent­zogen werden (Reduktions­prozess). Das geschieht im Hoch­ofen durch die Ver­bindung von Kohlen­stoff aus dem Koks mit dem Sauer­stoff der Luft, wobei Kohlen­stoff­monoxid entsteht, das den Sauer­stoff im Eisen bindet, aber auch CO₂ freisetzt. Anstelle von Koks kann Wasser­stoff für diese Prozesse genutzt werden, wobei nur Wärme und Wasser­dampf, aber kein CO₂ entsteht. Statt der Produktions­route über Hochofen, können aber auch sogenannte Direkt­reduktions­anlagen zur Stahl­produktion mit Wasser­stoff betrieben werden. Dabei entsteht kein flüssiges Roh­eisen mehr, sondern durch die direkte Oxidation mit Wasser­stoff und Kohlen­stoff­monoxid fester Eisen­schwamm.