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Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff kann auf verschiedenen Wegen produziert werden:

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mittels elektrischem Gleichstrom in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) getrennt.
Dieses Verfahren macht für eine ökologische und nachhaltige Wasserstoff-Wirtschaft nur dann zu 100% Sinn, wenn die elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne (thermische oder photovoltaische), Wind und Wasserkraft stammt.
In einer Übergangszeit kann auch mit einem Strommix aus Atomkarft und erneuerbaren Quellen gearbeitet werden, da dieser zumindest frei von CO2 ist.

Dampfreforming

Die Dampfreformierung (im technischen Sprachgebrauch auch Dampfreforming, englisch Steam Reforming) ist das zurzeit bedeutendste grossindustrielle Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern und Wasser. Erdgas ist derzeit der wichtigste Rohstoff, prinzipiell eignen sich viele Kohlenwasserstoffe wie Leichtbenzin, Methanol, Biogas oder Biomasse als Ausgangsmaterial. Die Dampfreformierung ist eine endotherme Reaktion bei der die benötigte Wärme der Reaktion zugeführt werden muss. Durch gleichzeitige partielle Oxidation der Kohlenwasserstoffe kann das Verfahren auch autotherm durchgeführt werden. Der Wirkungsgrad (Erdgas zu Wasserstoff) liegt bei ca. 60 bis 70 %
   

Hochtemperatur

Die Wasserstoffherstellung erfolgt mit der Wärmeenergie der Sonne durch eine thermochemische Redox-Reaktion. Das Licht der Sonne wird durch von Spiegel auf einen Brennpunkt konzentriert in dem sehr hohe Temperaturen entstehen. Mit der so erzeugten Wärme wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Zuerst heizt die Sonne Materialien wie Beispiel Nickel-Ferrit oder Ceroxid im Innern auf 1400°. Bei diesen Temperaturen wird der Sauerstoff entzogen. Im zweiten Schritt, der bei 800°-1000° abläuft, erfolgt die Wasserspaltung. Wasserdampf strömt durch den Reaktor, das reduzierte Material nimmt den Sauerstoff des Wassers auf - es wird oxidiert. Der Sauerstoff verbleibt im Reaktor, während der Energieträger Wasserstoff herausströmt.

Biomasse

Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse kann durch biologische und chemische Prozesse erfolgen:
Gärung
Im Labor-Massstab kann aus energiereichen organischen Verbindungen in der Biomasse (z. B. Kohlenhydrate, Fette, Proteine) durch vergärende Bakterien neben CO2 und oxidierten organischen Verbindungen auch H2 gebildet werden. Bei diesem anaeroben Prozess kann von den Bakterien nur ein Teil der in der Biomasse enthaltenen Energie erschlossen werden, da Sauerstoff als Oxidationsmittel nicht zur Verfügung steht. Der gebildete Biowasserstoff kann somit einen großen Anteil der verbliebenen Energie enthalten. Thermochemische Verarbeitung
In industriellem Maßstab kann Biowasserstoff aus Biomasse (Holz, Stroh, Grasschnitt etc.) aber auch aus sonstigen Bioenergieträgern (Biogas, Bioethanol etc.) durch thermochemische Verarbeitung (Vergasung oder Pyrolyse) und anschließende oder direkte Dampfreformierung („steam reforming“) hergestellt werden. Das bei der Vergasung gebildete Synthesegas besteht, je nach verwendetem Rohstoff, aus unterschiedlichen Anteilen Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Methan (CH4), Wasserstoff und anderen Komponenten. Bei der Dampfreformierung finden chemische Reaktionen zwischen dem Wasserdampf und Synthesegasanteilen statt, wodurch die Wasserstoff-Ausbeute erhöht werden kann.
CH4 + H2O = CO + 3H2 
Methan + Wasserdampf → Kohlenstoffmonoxid + Wasserstoff; endotherm
CO + H2O = CO2 + H2
Shiftreaktion; leicht exotherm
Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung kommt in großem Massstab bei der Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas zum Einsatz, z. B. zur Herstellung von Ammoniak für Stickstoffdünger (Haber-Bosch-Verfahren). Als Endprodukte entstehen so im Wesentlichen Wasserstoff (mit einem Umwandlungs-Wirkungsgrad von ungefähr 78 %), Kohlendioxid und mineralische Asche. Zum Anfahren der Anlage kann das energiereiche Synthesegas verwendet werden. Anschließend soll sich der Prozess durch exotherme Reaktionen energetisch selbst tragen. Die Wasserstoffherstellung auf Basis der thermochemischen Biomassevergasung befindet sich im Versuchsstadium. Vor- und Nachteile von Biowasserstoff aus Biomasse
Die Nutzung von Biowasserstoff bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Die Bewertung hängt dabei im Einzelnen von den verwendeten Rohstoffen, den Herstellungsverfahren und der Art der Nutzung ab. Erschwert wird die Bewertung durch die fehlende praktische Erfahrung und bisher fehlende Relevanz der Biowasserstofferzeugung.

 

 
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