Möglichkeiten zur Herstellung von Wasserstoff

Es wird immer deutlicher, dass die Welt unter dem Klimawandel leidet, mit immer extremeren Temperaturen, immer stärkeren und häufigeren Naturkatastrophen. Diese negativen Auswirkungen resultieren aus der seit Jahrhunderten von Menschen verursachten Umweltverschmutzung, wie zum Beispiel dem ununterbrochenen Ausstoß von Treibhausgasen durch die Nutzung fossiler Brennstoffe.

Treibhausgase (THG) sind eine sehr breite Gruppe, aber Kohlendioxid (CO2) ist am häufigsten vorhanden und wird als Anteilsfaktor für andere verwendet. Beispielsweise hat eine Tonne Methan die gleiche Wirkung auf die Atmosphäre wie etwa 20 bis 25 Tonnen Kohlendioxid, sodass der Treibhauseffekt von Methan mit 20 bis 25 tCO2e (Tonnen Kohlendioxidäquivalent) angegeben wird.

Besorgt über den Klimawandel und seine Auswirkungen schlagen die Länder der Europäischen Union und andere Weltmächte wie die Vereinigten Staaten, Japan, China, Kanada und andere immer gewagtere Maßnahmen und Ziele für eine Massendekarbonisierung bis in die 2030er Jahre vor, wobei der Schwerpunkt auf null Kohlenstoff liegt äquivalente Emissionen bis 2050.

Um diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, die Energiewende zu verstehen, die einen Paradigmenwechsel bei der Erzeugung, dem Verbrauch und der Wiederverwendung von Energie darstellt, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Energieerzeugung in ihren unterschiedlichsten Formen für einen großen Teil der THG-Emissionen verantwortlich ist. weltweit.

Dieses Konzept geht von der Migration umweltbelastender Energieträger wie fossiler Brennstoffe auf Kohle- oder Ölbasis zu erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wasserkraft, Wind und Biomasse aus. Diese Energiewende erstreckt sich auch auf Energieeffizienz, Digitalisierung, Umwelt, Abfallwirtschaft und andere Mittel, damit das gemeinsame Ziel der Reduzierung von THG-Emissionen erreicht wird.

In diesem Zusammenhang erweist sich Wasserstoff (H2), der durch Prozesse mit geringen oder keinen CO2-Emissionen erzeugt wird, als alternative Energiequelle, die in der Lage ist, Sektoren zu dekarbonisieren, die derzeit als intensive Produzenten von Treibhausgasen bekannt sind, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt werden, wie dies beispielsweise in der Zement- und Stahlindustrie.

Obwohl H2 kein unbekannter Stoff ist und bereits in mehreren Prozessen weit verbreitet ist, basiert sein Einsatz als Dekarbonisierungsalternative auf der Möglichkeit, das Molekül durch erneuerbare Energie zu gewinnen, sowie seiner Verwendung, ohne umweltschädliche Gase zu emittieren Beispielsweise setzt die Verbrennung von Wasserstoff nur Wasser (H2O) und Sauerstoff (O2) frei. Allerdings besteht bei den H2-Produktions-, Transport- und Speicherprozessen noch Weiterentwicklungsbedarf, sowohl unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten als auch der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit.

Der Wasserstoffproduktionsprozess kann in drei Hauptrouten unterteilt werden: elektrolytisch, thermisch und photolytisch, die in sieben Hauptprozesse unterteilt sind, die auf verschiedene Ressourcen, sowohl Biomasse als auch Fossilien, anwendbar sind. Zu den Verfahren, die fossile Brennstoffe verwenden, gehören das Reformieren (Teiloxidation, Dampfreformierung und Teiloxidation und autothermes Reformieren) und die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen.

Produktionsprozesse aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach dem Rohstoff einteilen: Biomasse oder Wasser. Prozesse, die Biomasse verwenden, können in zwei Unterkategorien unterteilt werden: thermochemisch und biologisch. Ersteres umfasst Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung und Verflüssigung von Biomasse, während die biologischen Hauptprozesse Biophotolyse, Dunkelfermentation und Photofermentation sind. Die zweite Kategorie erneuerbarer Technologien umfasst die Herstellung von Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse-, Pyrolyse- (Thermolyse) und Photolyse- (photoelektrochemische Zersetzung) Prozesse.

Je nach Herstellungsweg des Wasserstoffs wird er entsprechend seiner Eigenschaften in Farben eingeteilt. Über diese Kategorisierung besteht noch kein Konsens, einige Klassifikationen werden jedoch von Institutionen wie IEA, EPE, Wasserstoffratusw., die wie folgt zusammengefasst werden können:

Quelle: Adaptiert von Bases for the Consolidation of the Brazilian Hydrogen Strategy (EPE, 2021)

Brauner/schwarzer Wasserstoff

Hergestellt aus der Vergasung von Steinkohle (Braunkohle/Kohle – brauner Wasserstoff, Anthrazit – schwarzer Wasserstoff) ohne Abscheidung, Verwendung oder Sequestrierung des aus dem Prozess resultierenden Kohlendioxids.

Braunkohle hat in seiner Zusammensetzung genug Materie flüchtig, dies macht es einfacher, es in ein Gas umzuwandeln und zu Erdölprodukte als einige Kohlen, die eine bessere Qualität haben. Allerdings ist seine hohe Luftfeuchtigkeit und Anfälligkeit für Selbstentzündung sie verursacht Probleme beim Transport und bei der Lagerung, was ihre Nutzung erschwert, sodass Unternehmen, die diese Biomasse nutzen, meist in der Nähe des Abbaugebiets dieses Materials angesiedelt sind. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit und des geringen Heizwerts der Braunkohle Emissionen von Kohlendioxid sind normalerweise pro Mega viel größerWatt (Energiepotenzial) im Vergleich zu Steinkohle und „überlegenen“ Kohlen.

Anthrazit entsteht durch Metamorphose und ist mit metamorphen Gesteinen verbunden, so wie Steinkohle (gepackter Torf) mit Sedimentgesteinen verbunden ist. Anthrazit setzt pro Pfund viel Energie frei und verbrennt sauber mit wenig Ruß. Es wird auch als mittlerer Filter verwendet, was es zu einer begehrteren Kohlesorte und daher zu einem höheren Wert macht. Mineralische fossile Kohle wurde durch die vergrabenen Überreste tropischer und subtropischer Pflanzen gebildet, insbesondere während der Karbon- und Perm-Zeit.

Der Vergasungsprozess findet statt, wenn Kohlenstoffquellen, in diesem Fall Steinkohle, Luft oder reinem Sauerstoff und Wasserdampf in einem Druckbehälter bei sehr hohen Temperaturen (über 1800 °C) und Drücken ausgesetzt werden. Diese hohen Drücke und Temperaturen führen zu mehreren Reaktionen, bei denen ein Gasgemisch entsteht, das Synthesegas genannt wird, normalerweise mit Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) in größerer Menge, zusätzlich zu Asche und Schlacke in Prozessen, die mineralische Quellen verwenden. Es ist möglich, ein Dampfreformierungsverfahren anzuwenden, wie es unten im grauen Wasserstoff beschrieben ist, um das hochschädliche CO in CO2 umzuwandeln.

grauer Wasserstoff

Dieser Wasserstoff wird aus der Reformierung von Erdgas oder Kohle ohne CCUS (Carbon Capture, Use and Sequestration) hergestellt. Diese Form der Produktion setzt große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre frei und trägt so zur globalen Erwärmung und zum Klimawandel bei.

Die Reformierung von Erdgas, das hauptsächlich aus Methan (CH4) besteht, beginnt damit, dass das Gas in einen Reaktor eintritt und vorfiltriert wird, um den Schwefel zu entfernen. Dann reagiert Methan mit Hilfe eines Katalysators in einem Reaktor bei hoher Temperatur mit Wasserdampf und bildet Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Dann wird zur Verbesserung der Wasserstoffproduktion im Prozess ein weiterer Katalysator hinzugefügt, bei dem Kohlenmonoxid mit Dampf reagiert und Kohlendioxid (CO2) bildet, wodurch der letzte Trennschritt erfolgt, bei dem die gemischten Gase getrennt und reiner Wasserstoff gespeichert werden. Dies ist derzeit die weltweit am weitesten verbreitete Form der Wasserstofferzeugung, es erfolgt jedoch keine Abscheidung der dabei entstehenden Treibhausgase, obwohl ein Teil dieser Gase für den Heizprozess wiederverwendet wird.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird wie grauer durch Reformieren fossiler Brennstoffe hergestellt, aber dem Prozess folgt die Abscheidung und Speicherung des dabei emittierten Kohlenstoffs. Es ist als „entkarbonisiertes Gas“ oder „kohlenstoffarmes Gas“ bekannt und wird von einigen als saubere Energiequelle angesehen. Diesbezüglich gibt es Kontroversen, da Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung nicht immer frei von Umweltproblemen sind.

Dieser spezifische Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen und Erdgas hergestellt (hauptsächlich durch das Reforming-Verfahren), aber in diesem Fall kommt auch das CCUS-Verfahren (Carbon Capture, Use and Sequestration) zum Einsatz.

Das CCUS-Verfahren besteht darin, Kohlenstoff unter Verwendung von Flüssigkeiten mit spezifischen Katalysatoren zu speichern, die nach dem Erhitzen das Gas freisetzen; oder es findet einfach eine direkte Abscheidung von Kohlendioxid (CO2) statt. In beiden Fällen wird das CO2 durch Pipelines zu unterirdischen („vergrabenen“) Speichertaschen transportiert oder für den Transport gespeichert. Einige Industrien können dieses Gas nutzen, wie die Düngemittelindustrie, die chemische Industrie und die Methanol-Brennstoffindustrie.

rosa Wasserstoff

Pink Hydrogen wird durch Elektrolyse von Wasser mit Kernenergie hergestellt. Wasserelektrolyse ist die chemische Zersetzung von Wasser (H₂O) die Produkte Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂), indem dem Wasser ein elektrischer Strom (Energie) zugeführt wird. In diesem speziellen Fall stammt der elektrische Strom aus der Energie von Kernreaktoren.

Kernreaktoren sind thermoelektrische Anlagen, das heißt Anlagen, die durch Erhitzen von Wasser Energie erzeugen, aber die hohe Energie, die aus Reaktionen entsteht, die in den Kernen von Atomen stattfinden, als Energiequelle für diese Erwärmung verwenden. Es gibt zwei Möglichkeiten, Kernenergie zu erzeugen, durch Kernspaltung oder Kernfusion. Heutzutage ist nur die Kernspaltung kommerziell anwendbar, normalerweise unter Verwendung radioaktiver Uranatome. Es gibt fortgeschrittene Forschungen, um die Kernfusion wirtschaftlich nutzbar zu machen, und im Jahr 2022 war es erstmals in der Geschichte möglich, bei diesem Prozess eine positive Energiebilanz zu erreichen. Diese Art von Energie kann mehrere Anwendungen haben, hauptsächlich die Erzeugung elektrischer Energie.

Uran wiederum ist eine endliche Ressource, obwohl große Reserven dieses Materials vorhanden sind, was bedeutet, dass der Wasserstoff aus diesem Energieträger nicht erneuerbar ist. Trotz des positiven Punktes, keine umweltschädlichen Gase in der Atmosphäre zu produzieren, bestehen immer noch große Risiken, sowohl durch die radioaktiven Abfälle, die durch den naturschädlichen Spaltprozess entstehen, als auch durch die Gefahr, die eine Anlage in diesem Sektor mit sich bringt (z Gefahr von Leckagen). Wenn in Zukunft die Kernfusion machbar wird, werden diese Probleme nicht mehr existieren.

Türkiser Wasserstoff

Durch die Pyrolyse von Methan aus Erdgas hergestellt, dient es selbst als Energiequelle für den thermischen Prozess. Ihr Rückstand ist fester Kohlenstoff (Kohle), weshalb sie als emissionsfreie Produktion gilt.

Türkisfarbener Wasserstoff entsteht durch den Eintrag von Methan (CH4) in einen auf über 1000ºC (Celsius) erhitzten Reaktor, der durch die Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen funktioniert. Später findet im Inneren des Reaktors die Pyrolyse (Spaltung durch Hitze) von Methan statt, was zu festem Kohlenstoff oder Kohle (C) und Wasserstoff (H2) führt. Im letzten Schritt wird gasförmiger Wasserstoff im oberen Teil des Reaktors gesammelt und das zweite Produkt (Kohle) tritt in fester Form durch den unteren Teil des Reaktors aus, was seine Lagerung vereinfacht. Manche Experten nennen diesen Wasserstoff „kohlenstoffarmen Wasserstoff“.

Gelber Wasserstoff

Hergestellt durch Elektrolyse von Wasser, wobei die Energie zur Durchführung des Prozesses aus jeder verfügbaren Quelle stammt.

Wie Pink Hydrogen wird auch Yellow Hydrogen aus der Elektrolyse von Wasser mit Strom hergestellt. Die Differenz dieser H2-Färbung ist die Energiequelle, die bei der Elektrolyse verwendet wird, oder in Wirklichkeit „die Energiequellen“, schließlich wird dieser Wasserstoff mit einer Mischung aus Energien aus Quellen wie erneuerbaren und fossilen Brennstoffen hergestellt, und es ist nicht möglich um die Herkunft der eingesetzten Energie nachzuvollziehen. Diese Energie stammt aus den Netzen des National Interconnected System, das von mehreren Arten von Energiequellen versorgt wird. Daher gilt dieser Wasserstoff nicht als sauber und erneuerbar.

Weißer Wasserstoff

Diese Art von Wasserstoff kommt in seiner natürlichen Form als freies Gas entweder in Schichten der kontinentalen Kruste (Gastaschen), am Boden der ozeanischen Kruste, in vulkanischen Gasen, in Geysiren oder in hydrothermalen Systemen vor. Natürlicher/weißer Wasserstoff ist in einer Vielzahl von Gesteinsformationen und geologischen Regionen vorhanden. Es entsteht aus einer Vielzahl natürlicher Quellen wie diagenetischem Ursprung (Eisenoxidation) in Sedimentbecken, Radiolyse (natürliche Elektrolyse) oder bakterieller Aktivität, auch aus hyperalkalischen Quellen, die unter anderem Dihydrogen (2H2)-Emissionen enthalten.

Weißer Wasserstoff wird in der Regel durch Erdbohrverfahren erschlossen. Derzeit gibt es jedoch nicht viele Strategien und Pläne, um diese Art von Wasserstoff zu nutzen, da die anderen „Farben“ viel vorteilhafter und praktischer zu erwerben und zu verwenden sind.

Wasserstoff Moos

Der Vergasungsprozess bei Biomasse erfolgt in 4 Stufen: Die erste ist die Trocknung, bei der die Biomasse ihr zurückgehaltenes Wasser verliert; in der zweiten Stufe wird die Pyrolyse verwendet, um die Zersetzung der Biomasse zu starten und sie für die nächste Stufe vorzubereiten; in der dritten Stufe findet die Verbrennung dieses Produkts statt; und in der vierten Stufe findet die Reduktion des Materials statt, bei der Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffe aus den verwendeten Brennstoffen teilweise mit Sauerstoff reagieren und das hochschädliche Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoffgas (H2) erzeugen. Dieser Prozess findet bei sehr hohen Temperaturen ab 900°C statt.

Dieses im vierten Schritt entstehende Gasgemisch kann später durch Dampfzugabe und Reaktion an einem Katalysator in einem Wassergasverdrängungsreaktor zu nichts anderem als Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt werden, was den Einsatz der Gastechnologie erleichtert es ist in den Prozess einbezogen.

Grüner Wasserstoff

Auch hergestellt aus der Elektrolyse von Wasser mit Strom, sowie Pink und Yellow. In diesem Fall muss der im Prozess verwendete Strom unbedingt aus erneuerbaren Quellen stammen, die keine Treibhausgase emittieren, hauptsächlich aus Wasserkraft, Wind und Sonne. Es ist die sauberste Alternative zur Wasserstoffproduktion, da es frei von Treibhausgasemissionen (THG) ist und daher von Regierungen und Unternehmen auf der ganzen Welt stark unterstützt wird.

Daher wird davon ausgegangen, dass grüner Wasserstoff einer der „Kraftstoffe der Zukunft“ ist, da er in mehreren Anwendungen eingesetzt werden könnte, die heute schwer zu dekarbonisieren sind, wie unter anderem in Stahl, Zement, Düngemitteln, Glas usw sowie als alternativer Kraftstoff für Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe.

Es ist noch ein langer Weg, da grüner Wasserstoff derzeit einen kleinen Prozentsatz des globalen Wasserstoffmarktes ausmacht und noch nicht wirtschaftlich ist. Ähnlich wie bei der Einführung erneuerbarer Energiequellen in die Energiematrix gehen die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff jedoch tendenziell zurück, da er Skaleneffekte erzielt und aus Sicht des Unternehmens zu einem sichereren und ausgereifteren Verfahren wird aus technologischer und finanzieller Sicht.