Wasserstoff.in

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Wasserstoff.in (H2) wird biologisch hergestellt. Das Interesse an dieser Technologie ist groß, da Wasserstoff.in ein sauberer grüner Brennstoff ist und leicht aus bestimmten Arten von Biomasse hergestellt werden kann. Viele Herausforderungen kennzeichnen diese Technologie jedoch immer noch, wie die sichere Lagerung und der komplizierte Transport des tiefgekühlt flüssigen Gases Wasserstoff.

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Die chemischen Grundlagen für die Wasserstoff.in Produktion sind einfach zu erklären: Bei den Reaktionen handelt es sich um die Elektolyse. Die Elektrolyse ist eine vielversprechende Option für die Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Ressourcen. Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Reaktion findet in einem Gerät namens Elektrolyseur statt. Die Größe der Elektrolyseure reicht von kleinen, gerätegroßen Anlagen, die sich gut für die dezentrale Wasserstoffproduktion in kleinem Maßstab eignen, bis hin zu großen, zentralen Produktionsanlagen, die direkt an erneuerbare oder andere nicht treibhausgasemittierende Formen der Stromerzeugung angeschlossen werden könnten.

Wie funktioniert die Wasserstoff.in-Elektrolyse?

Wie Brennstoffzellen bestehen Elektrolyse aus einer Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Verschiedene Elektrolyseure funktionieren auf leicht unterschiedliche Weise, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen Art des verwendeten Elektrolytmaterials. In einem Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Elektrolyseur ist der Elektrolyt ein fester Spezialkunststoff.

An der Anode reagiert Wasser zu Sauerstoff und positiv geladenen Wasserstoff-Ionen (Protonen). Die Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und die Wasserstoffionen bewegen sich selektiv durch die PEM zur Kathode. An der Kathode verbinden sich die Wasserstoff-Ionen mit den Elektronen aus dem externen Kreislauf zu Wasserstoffgas. Anodenreaktion: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Kathodenreaktion: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalische Elektrolyse

Alkalische Elektrolyse arbeiten über den Transport von Hydroxid-Ionen (OH-) durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode, wobei auf der Kathodenseite Wasserstoff erzeugt wird. Elektrolyseure, die eine flüssige alkalische Lösung aus Natrium- oder Kaliumhydroxid als Elektrolyt verwenden, sind seit vielen Jahren kommerziell erhältlich. Neuere Ansätze, die feste alkalische Austauschmembranen als Elektrolyt verwenden, sind im Labormaßstab vielversprechend.

Festoxid-Elektrolyse

Festoxid-Elektrolyse, die ein festes keramisches Material als Elektrolyt verwenden, das negativ geladene Sauerstoffionen (O2-) bei erhöhten Temperaturen selektiv leitet, erzeugen Wasserstoff auf eine etwas andere Weise.

Wasser an der Kathode verbindet sich mit Elektronen aus dem externen Stromkreis zu Wasserstoffgas und negativ geladenen Sauerstoffionen.
Die Sauerstoffionen passieren die feste Keramikmembran und reagieren an der Anode zu Sauerstoffgas und erzeugen Elektronen für den externen Kreislauf.

Festoxid-Elektrolyseure müssen bei Temperaturen arbeiten, die hoch genug sind, damit die Festoxid-Membranen richtig funktionieren (etwa 700°-800°C, im Vergleich zu PEM-Elektrolyseuren, die bei 70°-90°C arbeiten, und kommerziellen alkalischen Elektrolyseuren, die bei 100°-150°C arbeiten). Die Festoxidelektrolyseure können die bei diesen hohen Temperaturen verfügbare Wärme (aus verschiedenen Quellen, einschließlich Kernenergie) effektiv nutzen, um die Menge an elektrischer Energie zu verringern, die zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser benötigt wird.

Warum wird der Wasserstoff.in Weg Betracht gezogen?

Wasserstoff.in, der durch Elektrolyse hergestellt wird, kann je nach Quelle des verwendeten Stroms zu null Treibhausgasemissionen führen. Die Quelle der benötigten Elektrizität – einschließlich ihrer Kosten und Effizienz sowie der Emissionen, die bei der Stromerzeugung entstehen – muss bei der Bewertung der Vorteile und der Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse berücksichtigt werden. In vielen Regionen des Landes ist das heutige Stromnetz wegen der freigesetzten Treibhausgase und der aufgrund des geringen Wirkungsgrades der Stromerzeugung benötigten Brennstoffmenge nicht ideal für die Bereitstellung des für die Elektrolyse benötigten Stroms. Die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse wird für erneuerbare (Wind) und nukleare Energieoptionen verfolgt. Diese Wege führen zu praktisch null Treibhausgas- und Kriterienschadstoffemissionen.

Potenzial für Synergien mit der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
Die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse kann Möglichkeiten für Synergien mit der variablen Stromerzeugung bieten, die für einige erneuerbare Energietechnologien charakteristisch ist. Obwohl beispielsweise die Kosten für Windenergie weiter gesunken sind, ist die inhärente Variabilität des Windes ein Hindernis für die effektive Nutzung der Windenergie. Wasserstoff als Kraftstoff und die Stromerzeugung könnten in einem Windpark integriert werden, was eine flexible Verlagerung der Produktion ermöglicht, um die Verfügbarkeit der Ressourcen bestmöglich mit den betrieblichen Anforderungen des Systems und den Marktfaktoren abzustimmen. Außerdem ist es möglich, in Zeiten überschüssiger Stromproduktion von Windparks diesen überschüssigen Strom zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse zu nutzen, anstatt ihn zu drosseln, wie es üblicherweise geschieht.

Es ist wichtig zu beachten…

Der heutige Netzstrom ist nicht die ideale Stromquelle für die Elektrolyse, da der meiste Strom mit Technologien erzeugt wird, die zu Treibhausgasemissionen führen und energieintensiv sind. Die Stromerzeugung mit erneuerbaren oder nuklearen Energietechnologien, entweder getrennt vom Netz oder als wachsender Anteil des Netzmixes, ist eine mögliche Option, um diese Einschränkungen für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse zu überwinden.
Das US-Energieministerium und andere setzen ihre Bemühungen fort, die Kosten für die Stromerzeugung auf Basis erneuerbarer Energien zu senken und eine effizientere Stromerzeugung auf Kohlebasis mit Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung zu entwickeln. Die Stromerzeugung aus Windkraft zum Beispiel wächst in den USA und weltweit rasant.

Forschung konzentriert sich auf die Bewältigung von Herausforderungen

Senkung der Investitionskosten für die Elektrolyseureinheit und das gesamte System sowie Verbesserung der Energieeffizienz bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff. Integration der Verdichtung in den Elektrolyseur, um die Kosten für einen separaten Wasserstoffkompressor zu vermeiden, der zur Erhöhung des Drucks für die Wasserstoffspeicherung benötigt wird.