Fuel Cells - Electrochemical Power

Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff ist in praktisch unbegrenzter Menge auf der Erde verfügbar. Jedoch ist es oft in chemischen Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffen (fossile Brennstoffe) oder Wasser, gebunden. Ein großer Teil (~40%) der heutigen Wasserstoffproduktion stammt aus chemischen Prozessen in denen es ein Nebenprodukt ist (z.B. Chlor-Alkali-Elektrolyse oder Rohölveredelung). Im Falle der industriellen Produktion von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Erdgas die am weitesten verbreitete Methode. Nichtsdestotrotz gibt es verschiedene Arten von Produktionstechnologien: - Reformierung (leichte Kohlenwasserstoffe) - Partielle Oxidation (schwere Kohlenwasserstoffe) - Elektrolyse (Wasser oder Chlor-Alkali) - Kvaerner Black Prozess - Biomassevergärung - Biologisch Die Reformierung leichter Kohlenwasserstoffe (z.B. Methanol, Methan oder Erdgas) zu Wasserstoff kann durch Dampf- oder autotherme Reformierung erfolgen. Dampfreformierung beinhaltet zwei Schritte. Als erstes erfolgt eine katalytische Umwandlung des Brennstoffs (hier Methan) bei hohen Temperaturen: CH₄ + H₂O 3 H₂ + CO Diesem schließt sich die Umwandlung der entstehenden Kohlenmonoxide mit Wasser zu Wasserstoff in einer Reduktion, die oft als Shiftreaktion bezeichnet wird, an: CO + H₂O H₂ + CO₂ Die partielle Oxidation schwerer Kohlenwasserstoffe beinhaltet die Zugabe von Sauerstoff und Wasserdampf in den Prozess. Die Mengen von Sauerstoff und Wasser werden genau überwacht, um die Oxidationsrate der Kohlenwasserstoffe zu kontrollieren. Der prinzipielle Ablauf der Reaktion ist nachfolgend gezeigt: C_nH_m + H₂O + O₂ H₂ + CO +CO₂
Die autotherme Reformierung nutzt beides, Dampfreformierung und Schritte der partiellen Oxidation, und kann für bestimmte höhere Kohlenwasserstoffe genutzt werden. Nach dem Reformierungsschritt ist eine Gasreinigung notwendig um Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und andere unerwünschte Nebenprodukte aus dem wasserstoffreichen Gas zu entfernen. Der Umfang der Gasreinigung hängt von der verwendeten Reformierungstechnologie und dem für die entsprechende Anwendung benötigten Produkt-Wasserstoff ab. Es wurden auch schon kleine Reformersysteme für die interne Wasserstoffproduktion in beispielsweise Fahrzeuganwendungen entwickelt.
	Dampfmethanreformer(DMR)-Kraftwerk von Air Liquide.
Die Wasserelektrolyse ist prinzipiell die Umkehrung des Brennstoffzellenprozesses. Aus Wasser und Elektrizität werden Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen: H₂O H₂ + ½O₂

Ähnlich wie in der Brennstoffzelle erfolgen Reduktion und Oxidation an zwei voneinander getrennten Elektroden. Wasserstoff wird dabei an der Anode und Sauerstoff an der Kathode produziert. Das Elektrolyt ist ionenleitend, gewöhnlich entweder für Protonen (H⁺) oder für Hydroxid-Ionen (OH^-). Der am häufigsten genutzte Prozess ist der alkalische (OH^-) Elektrolyseprozess, welcher seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt wird. Andere Arten beruhen auf einem Festpolymerelektrolyten oder arbeiten bei verschiedenen Drücken und/oder Temperaturen. Die Wasserelektrolyse trägt zu 2-3% zur weltweiten Wasserstoffproduktion bei.

Wasserelektrolyseeinheit von Norsk Hydro.

Der Kvaerner Black Prozess ist eine Möglichkeit Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen und Elektrizität zu gewinnen, bei der nur fester (schwarzer) Kohlenstoff als Nebenprodukt entsteht. Bei hohen Temperaturen zersetzt sich der Kohlenwasserstoff (z.B. Methan) wie folgt:

CH₄ + Energie 2H₂ + C

Dieser Pyrolyseprozess wurde von der norwegischen Firma Kvaerner in den 1980er Jahren entwickelt und ist von besonderem Interesse, da er CO₂-frei ist. Der Kohlenstoff kann beispielsweise in der Gummiproduktion verwendet werden.

Die Biomassevergärung ist eine anerobe Zersetzung der Biomasse durch Bakterien, Enzyme oder andere kleine Organismen. Aus diesem Prozess entsteht ein Gas, welches Methan enthält, das entweder direkt in Hochtemperatur-Brennstoffzellen geleitet werden kann oder zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Wird dieser Prozess modifiziert, so ist eine Erhöhung des Wasserstoffgehalts im entstehenden Produktgas möglich.

Ebenso ist eine biologische Produktion von Wasserstoff denkbar. Einige Mikroorganismen (Algen und Bakterien) besitzen die Möglichkeit Wasserstoff zu produzieren, vornehmlich aus Wasser und Licht (Photosynthese). Von Genforschern wurden vielversprechende Substanzen entdeckt und verbessert.

Die verschiedenen beschriebenen Arten von Wasserstoffproduktionstechnologien sind heute schon verfügbar. Jedoch ist die gesamte jährlich produzierte Menge beschränkt auf den benötigten Brennstoff für eine bestimmte Anzahl von Tagen innerhalb des Transportsektors. Dass heißt, eine große industrielle Veränderung ist notwendig, bevor ein Wasserstoffzeitalter beginnen kann.

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