Die Erzeugung von Wasserstoff

Aufgrund seiner großen Reaktionsfreudigkeit kommt Wasserstoff auf der Erde kaum ungebunden vor und es gibt somit keine natürlichen Lagerstätten, die erschlossen werden könnten. Daher muß der Wasserstoff über energieaufwendige Zerlegungsverfahren aus seinen Verbindungen gewonnen werden. Hierbei kann man nach einer Erzeugung unter Einsatz von Primär- und von Sekundärenergieträgern unterscheiden. Die primärenergetische Wasserstofferzeugung erfolgt vor allem aus den Kohlenwasserstoffen Erdgas und Erdöl sowie aus Kohle. Die Grundlage aller Reaktionen ist letztlich die chemische Redoxspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei der Sauerstoff durch den Kohlenstoff als Kohlendioxid gebunden wird. Die für diese Prozesse notwendige Energie wird in der Regel autotherm durch die Verbrennung eines Teils des Einsatzenergieträgers bereitgestellt. Über 96% der gegenwärtigen weltweiten Wasserstoffproduktion von 500 Mrd m³ geht von fossilen Primärenergieträgern aus (Tab. 1) und entspricht 2% des Weltenergiebedarfs [Hoffmann, 1994].

Etwa 180 Mrd. m³ oder 36% der gesamten Wasserstoffproduktion fallen als Nebenprodukt aus chemischen Prozessen der Rohölraffinerie an. Für die zukünftige Nutzung von Wasserstoff als Energieträger steht seine sekundärenergetische Erzeugung aus Solarstrom mittels der Elektrolyse im Vordergrund. Die Elektrolyse ist vom Primärenergieträger-Einsatz unabhängig und stellt somit das Standbein einer zukünftigen regenerativen Wasserstoffenergiewirtschaft dar [Winter, 1993]. Weitere Verfahren wie die Vergasung von Biomasse oder die direkte Erzeugung von Wasserstoff durch Algen unter Sonneneinstrahlung befinden sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase [Reiß, 1995].

Elektrolyse
In Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoff als einen zukünftigen, emissionsfreien Energieträger, kommt der Elektrolyse unter den konventionellen Darstellungsverfahren für Wasserstoff eine besondere Bedeutung zu. Das Edukt der Elektrolyse, Wasser, ist zugleich das Produkt der Wasserstoffverbrennung. Damit liegt ein geschlossener Kreislauf vor. Als Energiequelle für die elektrolytische Wasserspaltung soll in Zukunft die Sonnenenergie in all ihren Erscheinungsformen Verwendung finden (Photovoltaik, Solarthermie, Windenergie, Wasserkraft). Ein weiterer Vorteil ist, daß bei dem Elektrolyseverfahren sehr reiner Wasserstoff produziert wird. Die Wasserelektrolyse wird in ihrer konventionellen Form, der alkalischen Elektrolyse, bereits seit über 80 Jahren betrieben. Mittels Elektrolyse werden derzeit nur etwa 2,5% der Weltwasserstoffproduktion bestritten. Der große Nachteil der Elektrolyse sind die hohen Gestehungskosten für den Wasserstoff durch den hohen Energieverbrauch (ca. 4,5 kWh/m³ oder 110% des Wasserstoffbrennwertes). Daher ist die elektrolytische Wasserstofferzeugung nur dort wirtschaftlich, wo Strom extrem kostengünstig erzeugt werden kann. Großanlagen für die alkalische Elektrolyse sind meist in Verbindung mit großen Wasserkraftwerken zu finden und dienen dem Abfangen der Überschußenergie (Tab. 2).

Erzeugung aus Biomasse
Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse wird heute noch nicht kommerziell durchgeführt. Man muß derzeit zwischen 3 unterschiedlichen Verfahren mit toter oder lebender Biomasse unterscheiden.

Wasserdampfvergasung von Biomasse
Bei diesem Prozeß wird die Biomasse zunächst durch Pyrolyse (thermische Zersetzung) in Koks, Kondensat und Gase umgewandelt [6]. In der zweiten Stufe entsteht durch die Reaktion mit (Luft-) Sauerstoff und/oder Wasserdampf zunächst ein Gasgemisch aus etwa 20% Wasserstoff, 20% Kohlenmonoxid, 10% Kohlendioxid, 5% Methan und, bei der Verwendung von Luftsauerstoff, 45% Stickstoff. Die Umwandlung dieses Gasgemisches in ein wasserstoffreiches Gas erfolgt durch die Shift-Reaktion: CO + H₂O -> CO₂ + H₂ Durch die große Ähnlichkeit dieses Verfahrens mit der Kohlevergasung, ist mit der kommerziellen Verfügbarkeit bald zu rechnen.

Vergärung von Biomasse
Durch die Inkubation feuchter Biomasse oder Gülle unter anaeroben Bedingungen werden mikrobielle Gärungsprozesse induziert [Hoffmann, 1994]. Es entsteht sogenanntes Biogas, welches hohe Anteile an Kohlenmonoxid und Methan, sowie geringe Anteile Wasserstoff enthält. Dieses Mischgas kann direkt als Brenngas Hochtemperatur-Brennstoffzellen (siehe unten) zur Stromerzeugung zugeführt werden. Die Reformierung von Methan zu Wasserstoff erfolgt in diesem Falle direkt an der Elektrode bei Temperaturen von ca. 650°C. Die Biogaserzeugung wird bereits kommerziell zur Erzeugung von Heizgas genutzt. Die Verbindung mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle befindet sich zur Zeit in der Erprobung.

Photobiologische Wasserstoffgewinnung
Einige Bakterien und Algen haben die Fähigkeit, Wasserstoff mit Hilfe der Sonnenenergie freizusetzen [Wünschiers & Schulz, 1998]. Der wesentliche Schritt bei der biochemischen Wasserstofffreisetzung besteht in der Übertragung von Elektronen auf Protonen durch das Enzym Hydrogenase: 2H⁺ + 2e^- -> H₂ Bei den meisten Bakterien stammen die Elektronen zur Reduktion der Protonen aus zuvor photobiologisch gebildeten, energiereichen organischen Verbindungen. Die Oxidation dieser Verbindungen erfolgt durch Gärungsprozesse, weshalb man auch von indirekter photobiologischer Wasserstofferzeugung spricht. Bei der direkten photobiologischen Wasserstofferzeugung stammen die Elektronen unmittelbar aus der durch Sonnenlicht angetrieben Photosynthese [Wünschiers & Schulz, 1998]: 2 H₂O -> O₂ + 4H⁺ + 4e^- Von besonderem Interesse ist die direkte photobiologische Wasserstofferzeugung vor allem deshalb, da bei der Photosynthese Wasser gespalten wird und sie somit stoichiometrisch der Elektrolyse gleichkommt. Noch ist die photobiologische Wasserstofferzeugung wegen der extremen Empfindlichkeit der Hydrogenasen gegenüber Sauerstoff ineffizient und das Verfahren beschäftigt überwiegend die Grundlagenforscher [Bennemann, 1996].

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