Wasserstoffenergie: Der Beginn eines langen Weges

Zuvor haben wir darüber gesprochen, welche umweltfreundlichen Transportmittel Elektrobusse sind. Ein wichtiger Punkt wurde jedoch nicht erwähnt: Mit der Zunahme der Anzahl von Elektrofahrzeugen werden Städte mehr Strom benötigen, der häufig auf umweltschädliche Weise gewonnen wird. Glücklicherweise hat die Welt heute gelernt, mit Hilfe von Wind, Sonne und sogar Wasserstoff Energie zu gewinnen. Wir haben beschlossen, das neue Material der letzten Quelle zu widmen und über die Merkmale der Wasserstoff-Energie zu sprechen.

Wasserstoff ist auf den ersten Blick ein idealer Kraftstoff. Erstens ist es das häufigste Element im Universum, und zweitens wird beim Verbrennen eine große Menge Energie freigesetzt und Wasser gebildet, ohne dass schädliche Gase freigesetzt werden. Die Menschheit hat die Vorteile der Wasserstoff-Energie seit langem erkannt, hat es jedoch nicht eilig, sie im großen industriellen Maßstab zu nutzen.

Wasserstoff-Brennstoffzellen

Die erste Wasserstoffbrennstoffzelle wurde vom englischen Wissenschaftler William Grove in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts entworfen. Grove versuchte, Kupfer aus einer wässrigen Kupfersulfatlösung auf einer Eisenoberfläche auszufällen, und stellte fest, dass sich Wasser unter dem Einfluss von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Nach dieser Entdeckung zeigten Grove und Christian Schönbein, die parallel zu ihm arbeiteten, die Möglichkeit, mit einem sauren Elektrolyten Energie in einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle zu erzeugen.

Später, im Jahr 1959, fügte Francis T. Bacon aus Cambridge der Wasserstoffbrennstoffzelle eine Ionenaustauschermembran hinzu, um den Transport von Hydroxidionen zu erleichtern. Die US-Regierung und die NASA interessierten sich sofort für Bacons Erfindung. Die aktualisierte Brennstoffzelle wurde auf Apollo-Raumfahrzeugen als Hauptenergiequelle während ihrer Flüge verwendet.


Wasserstoff-Brennstoffzelle aus dem Apollon-Servicemodul, das Strom, Wärme und Wasser für Astronauten erzeugt. Quelle: James Humphreys / Wikimedia Commons

Jetzt ähnelt eine Wasserstoffbrennstoffzelle einer herkömmlichen galvanischen Zelle mit nur einem Unterschied: Die Substanz für die Reaktion wird nicht in der Zelle gespeichert, sondern ständig von außen zugeführt. Beim Durchsickern der porösen Anode verliert Wasserstoff Elektronen, die in den Stromkreis gelangen, und Wasserstoffkationen passieren die Membran. Ferner fängt Sauerstoff an der Kathode ein Proton und ein externes Elektron ein, wodurch Wasser gebildet wird.


Das Funktionsprinzip der Wasserstoffbrennstoffzelle. Quelle: Geek.com

Eine Spannung von ungefähr 0,7 V wird von einer Brennstoffzelle entfernt, daher werden die Zellen zu massiven Brennstoffzellen mit einer akzeptablen Ausgangsspannung und einem akzeptablen Strom kombiniert. Die theoretische Spannung eines Wasserstoffelements kann 1,23 V erreichen, aber ein Teil der Energie geht in Wärme über .

Wasserstoffbrennstoffzellen haben aus Sicht der grünen Energie einen extrem hohen Wirkungsgrad von 60%. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad der besten Verbrennungsmotoren beträgt 35-40%. Bei Solarkraftwerken beträgt der Koeffizient nur 15-20%, hängt jedoch stark von den Wetterbedingungen ab. Der Wirkungsgrad der besten Flügelwindparks erreicht 40%, was mit Dampferzeugern vergleichbar ist. Windkraftanlagen erfordern jedoch auch geeignete Wetterbedingungen und teure Wartung.

Wie wir sehen können, ist in diesem Parameter Wasserstoff-Energie die attraktivste Energiequelle, aber es gibt dennoch eine Reihe von Problemen, die ihre Massenanwendung behindern. Der wichtigste von ihnen ist der Prozess der Wasserstoffproduktion.

Bergbauprobleme

Wasserstoffenergie ist umweltfreundlich, aber nicht autonom. Für den Betrieb benötigt eine Brennstoffzelle Wasserstoff, der in seiner reinsten Form nicht auf der Erde vorkommt. Wasserstoff muss gewonnen werden, aber alle derzeit existierenden Methoden sind entweder sehr teuer oder ineffektiv.

Die effektivste Methode in Bezug auf die Menge an Wasserstoff, die pro verbrauchter Energieeinheit aufgenommen wird, ist die Dampfumwandlung von Erdgas . Methan wird mit Wasserdampf bei einem Druck von 2 MPa (etwa 19 Atmosphären, d. H. Druck in einer Tiefe von etwa 190 m) und einer Temperatur von etwa 800 Grad kombiniert, was zu einem umgewandelten Gas mit einem Wasserstoffgehalt von 55 bis 75% führt. Für die Dampfumwandlung werden riesige Anlagen benötigt, die nur in der Produktion eingesetzt werden können.


Ein Rohrofen zur Umwandlung von Dampfmethan ist nicht die ergonomischste Art, Wasserstoff zu erzeugen. Quelle: CTK-Euro

Eine bequemere und einfachere Methode ist die Elektrolyse von Wasser. Wenn elektrischer Strom durch das behandelte Wasser fließt, treten eine Reihe elektrochemischer Reaktionen auf, bei denen Wasserstoff gebildet wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist der für die Reaktion erforderliche hohe Energieverbrauch. Das heißt, es stellt sich als etwas seltsame Situation heraus: Um Wasserstoff zu gewinnen, braucht man ... Energie. Um unnötige Kosten während der Elektrolyse zu vermeiden und wertvolle Ressourcen zu sparen, bemühen sich einige Unternehmen, Vollkreislaufsysteme "Strom - Wasserstoff - Strom" zu entwickeln, in denen Energie ohne externe Aufladung gewonnen werden kann. Ein Beispiel für ein solches System ist die Entwicklung von Toshiba H2One.

Mobiles Kraftwerk Toshiba H2One

Wir haben das mobile Minikraftwerk H2One entwickelt, das Wasser in Wasserstoff und Wasserstoff in Energie umwandelt. Um die Elektrolyse aufrechtzuerhalten, werden Solarbatterien verwendet, und überschüssige Energie wird in den Batterien angesammelt und gewährleistet den Betrieb des Systems ohne Sonnenlicht. Der entstehende Wasserstoff wird entweder direkt den Brennstoffzellen zugeführt oder zur Speicherung in einen integrierten Tank geschickt. In einer Stunde erzeugt der H2One-Elektrolyseur bis zu 2 m ³ Wasserstoff und liefert am Ausgang eine Leistung von bis zu 55 kW. Für die Herstellung von 1 m ³ Wasserstoff werden bis zu 2,5 m ³ Wasser benötigt.

Bisher kann die H2One-Station kein großes Unternehmen oder die ganze Stadt mit Strom versorgen, aber ihre Energie wird für das Funktionieren kleiner Gebiete oder Organisationen ausreichen. Aufgrund seiner Mobilität kann es sowohl als vorübergehende Lösung bei Naturkatastrophen oder bei Stromausfällen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu einem Dieselgenerator, der für den normalen Betrieb Kraftstoff benötigt, benötigt ein Wasserstoffkraftwerk nur Wasser.

Jetzt wird Toshiba H2One nur noch in wenigen Städten Japans eingesetzt - zum Beispiel versorgt es einen Bahnhof in Kawasaki mit Strom und heißem Wasser.


Installation von H2One in Kawasaki

Wasserstoff Zukunft

Heutzutage liefern Wasserstoffbrennstoffzellen Energie für tragbare Energiebanken, Stadtbusse mit Autos und den Schienenverkehr (wir werden in unserem nächsten Beitrag mehr über den Einsatz von Wasserstoff in der Autoindustrie sprechen). Wasserstoffbrennstoffzellen erwiesen sich unerwartet als hervorragende Lösung für Quadrocopter - mit einer Masse ähnlich der einer Batterie bietet die Wasserstoffversorgung eine bis zu fünfmal längere Flugzeit. In diesem Fall beeinträchtigt Frost die Effizienz in keiner Weise. Die experimentellen Brennstoffzellen-Drohnen der russischen Firma AT Energy wurden für die Dreharbeiten bei den Olympischen Spielen in Sotschi verwendet.

Es wurde bekannt, dass bei den bevorstehenden Olympischen Spielen in Tokio Wasserstoff in Autos, zur Erzeugung von Strom und Wärme verwendet wird und auch die Hauptenergiequelle für das olympische Dorf sein wird. Dafür im Auftrag von Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. In der japanischen Stadt Namie wird eine der weltweit größten Wasserstoffproduktionsstationen gebaut. Die Station wird bis zu 10 MW Energie aus "grünen" Quellen verbrauchen und durch Elektrolyse bis zu 900 Tonnen Wasserstoff pro Jahr erzeugen.

Wasserstoffenergie ist unsere „Reserve für die Zukunft“, wenn wir auf fossile Brennstoffe vollständig verzichten müssen und erneuerbare Energiequellen den Bedarf der Menschheit nicht decken können. Laut Markets & Markets-Prognose wird die weltweite Wasserstoffproduktion, die jetzt 115 Milliarden US-Dollar beträgt, bis 2022 auf 154 Milliarden US-Dollar ansteigen. In naher Zukunft ist es jedoch unwahrscheinlich, dass die Masseneinführung von Technologie erfolgt. Es ist weiterhin erforderlich, eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit der Produktion und dem Betrieb von Spezialkraftwerken zu lösen und deren Kosten zu senken . Wenn technologische Barrieren überwunden werden, wird die Wasserstoffenergie ein neues Niveau erreichen und möglicherweise so weit verbreitet sein wie die heutige traditionelle Wasserkraft oder Wasserkraft.