Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff steht im Mittelpunkt des Energiewandels. Mit hohem Energieinhalt, sauberer Verbrennung und weil er die Speicherung von Energie über längere Zeiträume ermöglicht, kann er als zentraler Energievektor dienen. Wasserstoff wird zukünftig für verschiedene Sektoren ein wichtiger Energieträger sein, darunter Industrie, Transport und Verkehr.
Besonders die Chemie-, Zement- und Stahlindustrie benötigen Alternativen zu fossilen Rohstoffen, um ihre Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil von Wasserstoff ist, dass er sich auch über lange Distanzen leicht transportieren lässt und seine Verwendung somit Möglichkeiten für die internationale Zusammenarbeit in der Energieversorgung eröffnet.
Aber es gibt auch Herausforderungen, wie die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff, der Aufbau von ausreichenden Produktionskapazitäten und die Entwicklung einer geeigneten Infrastruktur für den Transport, die Speicherung und die Verteilung.
Es gibt verschiedene Methoden zur Wasserstofferzeugung, die sich in ihren Kosten und Treibhausgasemissionen unterscheiden. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt, was hohe CO2-Emissionen verursacht. Neue Technologien, die sich auf erneuerbare Energien stützen, werden entwickelt, um die Herstellung umweltfreundlicher zu gestalten.
Deutschland hat sich 2020 das Ziel gesetzt, den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch von 19 Prozent im Jahr 2020 auf 30 Prozent im Jahr 2030 zu erhöhen.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden weiterhin Energieimporte benötigt, aber nicht mehr auf der Basis von fossilen Rohstoffen. Und dabei kann Wasserstoff eine Schlüsselrolle spielen. Wie schnell und in welchem Umfang der Umstieg auf eine Wasserstoffwirtschaft gelingt, hängt nicht nur von technischen Innovationen, sondern auch von den politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen ab.
Herstellung
Wasserstoff existiert auf der Erde fast ausschließlich in chemisch gebundener Form. Es gibt zwei Hauptquellen: Wasser und organische Stoffe (Kohlenwasserstoffe). Um ihn als Energieträger einzusetzen, muss er aus diesen Verbindungen extrahiert werden. Wasser, das den Großteil des irdischen Wasserstoffs enthält, ist besonders attraktiv, da seine Spaltung lediglich Wasserstoff und Sauerstoff produziert. Bei der Wasserstoffgewinnung aus Kohlenwasserstoffen entstehen CO2-Emissionen - es sei denn, der Kohlenstoff wird eingefangen und so gespeichert, dass er nicht in die Atmosphäre entweichen kann. Verwendet man nachwachsende pflanzliche Rohstoffe, kann Wasserstoff nahezu CO2-neutral gewonnen werden, jedoch sind sie nur begrenzt für eine industrielle Verwendung verfügbar.
Methoden zur Wasserstoffspaltung sind:
Elektrolyse
Solarthermochemische Verfahren
Photo-elektrochemische und photokatalytische Verfahren
Elektrolyse
Wasserelektrolyse spaltet Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch elektrische Energie chemisch gespeichert wird. Kommt der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Energiequellen, kann mit der Wasserstoffelektrolyse grüner Wasserstoff erzeugt werden. Drei Elektrolysetechnologien sind relevant:
Solarthermochemie nutzt Sonnenenergie in Form von Wärme, um chemische Reaktionen ablaufen zu lassen, die Wasserstoff erzeugen. Das Hochtemperaturverfahren ist eine Alternative zur Wasserstoffabspaltung aus Wasser durch Elektrolyse mittels elektrischer Energie aus Sonnenenergie.
Die bekannteste Variante dieser Verfahren nutzt als Herzstück ein Redox-Material, das seine Oxidationsstufe zwischen zwei Zuständen ändert. Der Wechsel wird durch Sonnenenergie aktiviert und bildet die Grundlage für die Wasserstoffproduktion. In Kreisprozessen wird ein Metalloxid, das Redox-Material, zyklisch reduziert und oxidiert. Bei Temperaturen ab circa 1.000 Grad Celsius setzt das Metalloxid Sauerstoff frei – es wird reduziert. Bei der anschließenden Oxidation steht es in Kontakt mit Wasserdampf und entzieht diesem den Sauerstoff, so dass Wasserstoff als Produkt entsteht. Ursprünglich für die Nutzung von Abwärme aus Hochtemperatur-Kernreaktoren entwickelt, liegt der Fokus heute auf dem Einsatz von konzentrierender Solartechnik als Energiequelle. Theoretische Analysen deuten auf ein sehr hohes theoretisches Wirkungsgradpotential von mehr als 30 Prozent hin.
Das DLR entwickelt verschiedene Technologien, um diese Kreisprozesse nutzbar zu machen und die experimentell erzielten Wirkungsgrade zu steigern.
Photo-elektrochemische und photokatalytische Verfahren
Photo-elektrochemische Zellen (PEC) bieten eine Methode zur Wasserstoffproduktion mittels Sonnenenergie durch lichtinduzierte Wasserspaltung. Dabei verwenden sie spezielle Halbleiter und ein Elektrolytsystem, das zwischen einer Anode und einer Gegenelektrode liegt. Die Photokatalyse unterscheidet sich hiervon durch das Fehlen einer Gegenelektrode.
Die solarthermischen, photo-elektrochemischen und photokatalytischen Prozesse sind noch in der experimentellen Phase und haben einen niedrigen Technologie-Reifegrad von TRL2 bis TRL5 (Technology Readyness Level, TRL: Diese Einordnung wird im europäischen Forschungsumfeld genutzt, um die Reife von Zukunftstechnologien bis hin zur kommerziellen Umsetzung auf einer Skala von 1-9 zu bewerten). Die Prozesse sind vielversprechend, erfordern jedoch weitere Forschung. Bei Erreichen höherer Wirkungsgrade könnten die Kosten für die Wasserstofferzeugung deutlich gesenkt werden.
Arbeiten am Hydrosol-Receiver
Projekt Hydrosol: Spaltung von Wasser in einem geschlossenen thermochemischen Kreisprozess mittels Solarenergie in Wasserstoff und Sauerstoff - ohne Kohlendioxid-Emissionen bei Temperaturen von unter 1.200 Grad Celsius, ohne Verlust der eingesetzten Chemikalien.
Das Institut für Future Fuels erforscht an den Solartürmen des DLR solare Verfahren zur Herstellung von chemischen Energieträgern, wie zum Beispiel Wasserstoff. Forschende aus dem DLR und aus Industrieunternehmen testen hier zudem neue Komponenten und Verfahren, um Solarkraftwerke weiterzuentwickeln sowie den Einsatz von Hochtemperatur-Solarwärme für Industrieprozesse. Die Solartürme werden vom Institut für Solarforschung betrieben.
Im Versuchsaufbau befinden sich ein Messgaskühler, der das bei der Reaktion entstehende Wasser kondensiert und ableitet, eine Gasverteil- und mischstation, der Reaktor sowie eine LED.
