Ergänzungen

Wasserstoff + Brennstoffzelle: Energie- und Antriebstechnik werden grün

29. Juni 2022

Brennstoffzellen sowie Wasserstoff- und Methanolmotoren ebnen den Weg in eine nachhaltige Energieversorgung und die Mobilität mit CO2-neutralen Verbrennern

[RR PS | red] – Wasserstoff ist der Treibstoff der Zukunft. Nur: Wo sollen die immensen Mengen herkommen, die man braucht, um der Klimakrise Herr zu werden? Die Lösung: Elektrolyse im ganz großen Stil. Mit diesem elektrochemischen Verfahren wird mit elektrischer Energie Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Es schafft auch die Möglichkeit, Solar- und Windstrom zu speichern und zu nutzen, und somit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Das Prinzip
Mit dem Elektrolyse-Experiment aus dem Physik- oder Chemieunterricht, bei dem zwei Elektroden in einem Wasserbad hängen, hat die großtechnische Elektrolyse das Prinzip gemeinsam: In einem Elektrolyseur wird Wasser durch eine elektrochemische Reaktion in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) zerlegt. Im Unterschied zum Elektro­lyse­­experiment aus dem Physik- oder Chemieunterricht wird hier statt Elektroden aber mit einer Membran gearbeitet. Über diese Membran wird Strom ins Wasser geleitet, wobei an der negativen Kathode Wasserstoff und an der positiven Anode Sauerstoff entsteht. Dieser Prozess findet in einer sogenannten Zelle statt, von denen hunderte so aufeinandergestapelt sind, dass sie die benötigte Menge an Wasserstoff möglichst wirt­schaft­lich und effektiv produzieren.

Hintergrund-Informationen auf dieser Webseite – laufend aktualisiert:

Expertengespräche und Videos (extern | YouTube):

Warum Wasserstoff?
Weil Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält, kann auch kein klima­schädliches CO2 entstehen, wenn er in Brennstoffzellen oder in Motoren als Kraftstoff dient. Allerdings darf auch bei der Produktion kein klimaschädliches Kohlendioxid (CO2) anfallen, wie das teilweise der Fall ist, wenn man H2 aus Erdgas gewinnt.

VDI-Publikationen zum Thema Wasserstoff aus dem Jahr 2022

[Externer Link]

Also benötigt man „grünen“ Wasserstoff, der tatsächlich CO2-frei hergestellt ist. Deshalb versorgen Solarparks oder Windkraftanlagen die Elektrolyseure mit Strom, ohne dass dabei das klimaschädliche Kohlendioxid entsteht. Der gesammelte Wasserstoff aus den Elektrolyseuren kann vielfältig genutzt werden: In Brennstoffzellen wird mit dem Wasser­stoff bei Bedarf wieder elektrische Energie erzeugt. Oder er treibt H2-Motoren an. In jedem Fall kann elektrische Energie zur Stromversorgung oder zum Antrieb von Fahrzeugen oder Schiffen erzeugt werden.

Alternativ kann der „grüne Wasserstoff“ in der Industrie verwendet werden und den so­ge­nannten „grauen Wasserstoff“ – also Wasserstoff aus Methan(CH4)-reichem ↗ Erdgas – ersetzen.

(Informationen zum Thema Produktion weiter unten am Schluss des Artikels)

Hintergrund-Informationen und Fachbeiträge zu

  • Grüner Wasserstoff und die H2-Farbenlehre
  • Grüner Wasserstoff – Energie aus Abfall
  • Grüne Wasserstoffproduktion
  • Ammoniak – der übersehene Energieträger
  • Mit grünem Wasserstoff und Wärmespeicher zur Energie- und Wärmewende

lesen Sie in »Transforming Cities« – Ausgabe 4 | 2022 ↗

Grüner Treibstoff für klimaneutrale Verbrennungsmotoren
Eine weitere Möglichkeit: Mit Hilfe weiterer Energie aus erneuerbaren Quellen kann aus Wasserstoff und CO2 aus der Luft ↗ Methanol (CH4O) hergestellt werden. Wird dieses Methanol in einem Methanolmotor verwendet, wird wieder CO2 abgegeben. Da das abgegebene CO2 der Luft jedoch bei der Herstellung des Kraftstoffs vorher entnommen wurde, ist der gesamte Prozess CO2-neutral. Auch die Synthese anderer nachhaltiger Kraftstoffe wie E-Kerosin oder E-Diesel ist mit Wasserstoff möglich. Somit können auch weitere Sektoren wie der Schwerlastverkehr oder die Luftfahrt dekarbonisiert werden.

Basistext von Lucie Maluck / Rolls-Royce Power Systems | Überarbeitung: ebl

Stabile Stromerzeugung mit Wind und Sonne
Klimaneutrale Stromversorgung mit Wasserstoff und Brennstoffzelle

Prinzip einer (Not-) Stromversorgung mit Wasserstoff und Brennstoffzelle
Grafik: Rolls-Royce Power Systems

Grüner Wasserstoff und Brennstoffzelle bieten eine von mehreren Möglich­kei­ten, die volatile Strom­erzeu­gung mit Wind und Sonne zu stabili­sieren – und können Teil einer integrier­ten, kom­pletten Not­strom­lösung sein. Zu dieser gehören ein Brennstoff­zellen­system, ein UPS-System, Batterien sowie die Wasser­stoff­infra­struktur. Der Grund­strom­bedarf könnte also statt durch Gas- oder Kohle­kraft­werke durch eine Solar- und Windkraftanlage abgedeckt werden. Aus dem Strom lässt sich per Elektrolyse Wasserstoff herstellen, der

  1. vor Ort gespeichert wird und Brennstoffzellen versorgt,
  2. oder über ein Fern-Versorgungsnetz, etwa das schon vorhandene und ertüchtigte Erdgasnetz, über weite Strecken zu entfernten Brennstoff­zellen­systemen transportiert wird.

Hintergrundinformation und Studien zum Thema Produktion