Die Formen der Wasserstoffproduktion

Der Klimawandel macht sich weltweit immer deutlicher bemerkbar, mit zunehmend extremen Temperaturen und immer häufigeren und schwereren Naturkatastrophen. Diese negativen Auswirkungen sind auf die seit Jahrhunderten vom Menschen verursachte Umweltverschmutzung zurückzuführen, beispielsweise auf den kontinuierlichen Ausstoß von Treibhausgasen durch die Nutzung fossiler Brennstoffe. Treibhausgase (THG) sind eine sehr breite Gruppe, wobei Kohlendioxid (CO2) am häufigsten vorkommt und als Proportionierungsfaktor für andere Treibhausgase verwendet wird. Beispielsweise hat eine Tonne Methan die gleiche Wirkung auf die Atmosphäre wie etwa 20 bis 25 Tonnen Kohlendioxid. Das Treibhauspotenzial von Methan beträgt daher 20 bis 25 tCO2e (Tonnen Kohlendioxidäquivalent). für eine umfassende Dekarbonisierung bis in die 2030er Jahre und mit dem Schwerpunkt auf Null-Kohlenstoffäquivalent-Emissionen bis 2050.

Um diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, die Energiewende zu verstehen, bei der es um einen Paradigmenwechsel in Bezug auf Erzeugung, Verbrauch und Wiederverwendung von Energie geht, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Energieerzeugung in ihren unterschiedlichsten Formen für einen großen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich ist.

Dieses Konzept beginnt mit dem Schutz von Energiematrizen wie Kohle oder erdölbasierten Brennstoffen für erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wasserkraft, Wind und Biomasse. Diese Energiewende erstreckt sich auch auf Energieeffizienz, Digitalisierung, Umwelt, Abfallmanagement und andere Mittel, sodass das gemeinsame Ziel der Reduzierung der Treibhausgasemissionen 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, die sogenannten intensiven Erzeuger von Treibhausgasen zu dekarbonisieren, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt werden, wie dies beispielsweise in der Zement- und Stahlindustrie der Fall ist.

Obwohl H2 keine unbekannte Substanz ist und bereits in verschiedenen Prozessen weit verbreitet ist, basiert seine Verwendung als Dekarbonisierungsalternative auf der Möglichkeit, das Molekül durch erneuerbare Energien zu gewinnen, sowie auf seiner Verwendung ohne die Emission von Schadgasen; beispielsweise setzt die Verbrennung von Wasserstoff nur Wasser (H2O) und Sauerstoff (O2) frei. Es ist jedoch weiterhin notwendig, die Prozesse für Produktion, Transport und Speicherung von H2 unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten sowie technischen und wirtschaftlichen Prognosen weiterzuentwickeln.

Der Wasserstoffproduktionsprozess kann in drei Hauptwege unterteilt werden: elektrolytisch, thermisch und photolytisch, wobei sieben Hauptprozesse verschiedene Ressourcen bereitstellen, sowohl Biomasse als auch fossile Brennstoffe. Zu den Prozessen, die fossile Brennstoffe verwenden, gehören die Reformierung (partielle Oxidation, Dampfreformierung und partielle Oxidation sowie autotherme Reformierung) und die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen.

Die Produktionsprozesse aus erneuerbaren Ressourcen können nach dem Rohstoff Biomasse oder Wasser klassifiziert werden. Die Prozesse, die Biomasse verwenden, lassen sich in zwei Unterkategorien unterteilen: thermochemisch und biologisch. Die erste Kategorie umfasst Pyrolyse, Vergasung, Verbrennung und Verflüssigung von Biomasse, während die wichtigsten biologischen Prozesse 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).

Quelle: Steuergutschriften für Investitionen in die Wasserstoffspeicherung (Ressourcen für die Zukunft, 2020)

Je nach Produktionsweg wird Wasserstoff entsprechend seiner Eigenschaften in Gruppen eingeteilt. Es besteht noch kein Konsens über diese Kategorisierung, jedoch werden einige Klassifizierungen von Institutionen wie IEA, EPE, Hydrogen Council usw. weithin verbreitet und lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Quelle: Angepasst von Bases para a Consolidação da Estratégia Brasileira do Hidrogênio (EPE, 2021)

Brauner/Schwarzer Wasserstoff

Hergestellt durch die Vergasung von Mineralkohle (Braunkohle/Steinkohle – brauner Wasserstoff, Anthrazit – schwarzer Wasserstoff), ohne dass Kohlendioxid aus dem Prozess abgeschieden, genutzt oder sequestriert wird.

Braunkohle enthält in ihrer Zusammensetzung viele flüchtige Stoffe, wodurch sie leichter in ein Gas umgewandelt und Produkte Erdölprodukte als manche Kohlen, die eine bessere Qualität haben. Die hohe Feuchtigkeit und die Anfälligkeit für Selbstentzündung verursachen jedoch Transport- und Lagerungsprobleme, was die Nutzung erschwert. Das bedeutet, dass Unternehmen, die diese Biomasse verwenden, im Allgemeinen in der Nähe des Abbaugebiets dieses Materials angesiedelt sind. Der wichtige Punkt ist, dass aufgrund der hohen Feuchtigkeit und des niedrigen Heizwerts der Braunkohle die Kohlendioxid -Emissionen pro erzeugter Megawatt (potenzieller Energie) im Allgemeinen viel höher sind als bei Steinkohle und „hochwertigeren“ Kohlen.

Anthrazit entsteht durch Metamorphose und ist mit metamorphen Gesteinen verbunden, genauso wie bituminöse Kohle (verdichteter Torf) mit Sedimentgesteinen verbunden ist. Anthrazit setzt pro Kilogramm viel Energie frei und verbrennt sauber mit wenig Ruß, der auch als Filtermedium verwendet wird, was es zu einer begehrteren und daher hochwertigeren Kohlesorte macht. Fossile Kohle entstand aus den vergrabenen Überresten tropischer und subtropischer Pflanzen, insbesondere während des Karbon und Perm.

Der Vergasungsprozess findet statt, wenn Kohlenstoffquellen, im Fall von Kohle, in einem Druckbehälter bei sehr hohen Temperaturen (über 1800 °C) und hohem Druck Luft oder reinem Sauerstoff und Wasserdampf ausgesetzt werden. Diese hohen Drücke und Temperaturen lösen mehrere Reaktionen aus, die ein Gasgemisch namens Synthesegas erzeugen, in der Regel mit Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) in größeren Mengen, zusätzlich zu Asche und Schlacke in Prozessen, die mineralische Quellen verwenden. Es ist möglich, ein Dampfreformierungsverfahren anzuwenden, wie es unten bei grauem Wasserstoff beschrieben wird, um das hochgradig schädliche CO in CO2 umzuwandeln.

Grauer Wasserstoff

Dieser Wasserstoff wird durch Reformierung von Erdgas oder Kohle ohne CCUS (Carbon Capture, Utilization and Sequestration) hergestellt. Diese Produktionsform 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 gelangt und vorgefiltert wird, um das Feuer zu entfernen. Anschließend reagiert das Methan mithilfe einer Entdeckung in einem Reaktor bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Um die Wasserstoffproduktion im Prozess zu verbessern, wird eine weitere Entdeckung hinzugefügt, bei der Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Kohlendioxid (CO2) reagiert. Dadurch wird die letzte Trennstufe, in der die gemischten Gase getrennt und der reine Wasserstoff gespeichert werden, effektiver. Derzeit ist dies die weltweit am weitesten verbreitete Form der Wasserstoffproduktion. Die dabei entstehenden Treibhausgase werden jedoch nicht abgeschieden, obwohl ein Teil dieser Gase für den Heizprozess wiederverwendet wird. Es ist als „dekarbonisiertes Gas“ oder „kohlenstoffarmes Gas“ bekannt und wird von manchen als saubere Energiequelle angesehen. Diese Überlegung ist umstritten, da Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung nicht immer frei von Umweltproblemen sind. Dieser spezielle Schutz wird aus fossilen Brennstoffen und Erdgas (üblicherweise durch Reformierungsverfahren) hergestellt, wobei hier auch die CCUS-Methode (Carbon Capture, Utilization and Sequestration) zum Einsatz kommt. Beim CCUS-Prozess wird Kohlenstoff in Flüssigkeiten mit speziellen Anschlüssen gespeichert, die nach Erhitzung das Gas freisetzen; alternativ erfolgt eine direkte Abscheidung von Kohlendioxid (CO2). In beiden Fällen wird das CO2 über Pipelines zu unterirdischen Speicherstätten transportiert („vergraben“) oder für den Transport zwischengelagert. Einige Industrien nutzen dieses Gas, beispielsweise die Düngemittelindustrie, die chemische Industrie und die Methanolindustrie.

Rosa Wasserstoff

Rosa Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser mithilfe von Kernenergie hergestellt. Wasserelektrolyse ist die chemische Optimierung von Wasser (H2O) zur Erzeugung der Produkte Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) durch Anwendung von elektrischem Strom (Energie). In diesem speziellen Fall stammt der elektrische Strom aus der Energie von Kernreaktoren.

Kernreaktoren sind thermoelektrisch, d. h. Einheiten, die Energie durch Erhitzen von Wasser erzeugen, aber die hohe Energie, die aus Reaktionen entsteht, die unsere Atomkerne erreichen, als Energiequelle für diese Erwärmung nutzen. Es gibt zwei Möglichkeiten, Kernenergie zu erzeugen: durch Kernspaltung oder durch Kernfusion. Heute ist nur die Kernspaltung kommerziell nutzbar, in der Regel unter Verwendung radioaktiver Uranatome. Es gibt Forschungen, um die Kernfusion kommerziell nutzbar zu machen, und im Jahr 2022 war es zum ersten Mal in der Geschichte möglich, bei diesem Prozess eine positive Energiebilanz zu erzielen. Diese Art von Energie kann vielseitig eingesetzt werden, vor allem in der Erzeugung elektrischer Energie.

Uran wiederum ist eine endliche Ressource, obwohl es große Reserven dieses Materials gibt, was bedeutet, dass der Wasserstoff aus dieser Energiequelle nicht erneuerbar ist. Trotz des positiven Aspekts, keine umweltschädlichen Gase in die Atmosphäre zu entlassen, bestehen weiterhin große Risiken, sowohl durch den radioaktiven Abfall, der durch den Kernspaltungsprozess entsteht und der Umwelt schadet, als auch durch die Gefahren, die eine Anlage in diesem Sektor mit sich bringt (z. B. das Risiko von Lecks). Sollte die Kernfusion in Zukunft realisierbar sein, werden diese Probleme nicht mehr bestehen.

Türkisfarbener Wasserstoff

Erzeugt durch Pyrolyse von Methan aus Erdgas und wird selbst als Energiequelle für den thermischen Prozess verwendet. Sein Rückstand ist fester Kohlenstoff (Kohle), weshalb die Produktion als emissionsfrei gilt.

Türkisfarbener Wasserstoff entsteht, wenn Methan (CH4) in einen auf über 1000ºC (Celsius) erhitzten Reaktor gelangt, der mit Energie aus erneuerbaren Quellen betrieben wird. Im Reaktor wird das Methan anschließend einer Pyrolyse (Wärmespaltung) unterzogen, wodurch fester Kohlenstoff bzw. Kohle (C) und Wasserstoff (H2) entstehen. In der letzten Stufe wird der gasförmige Wasserstoff oben im Reaktor gesammelt und das zweite Produkt (Kohle) tritt unten in fester Form aus dem Reaktor aus, was seine Lagerung vereinfacht. Manche Experten nennen diesen Wasserstoff „kohlenstoffarmen Wasserstoff“.

Gelber Wasserstoff

Erzeugt durch Elektrolyse von Wasser, wobei die Energie für den Prozess aus einer beliebigen verfügbaren Quelle stammen kann.

Wie rosa Wasserstoff wird auch gelber Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser mithilfe von elektrischer Energie erzeugt. Der Unterschied bei dieser H2-Farbe ist die bei der Elektrolyse verwendete Energiequelle oder genauer gesagt „die Energiequellen“. Schließlich wird dieser Wasserstoff mit einer Mischung aus Energie aus Quellen wie erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen erzeugt, und es ist nicht möglich, den Ursprung der verwendeten Energie zurückzuverfolgen. Diese Energie stammt aus den nationalen Verbundnetzen, die von verschiedenen Arten von Energiequellen gespeist werden. Daher gilt diese Art von 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. Er entsteht aus einer Vielzahl natürlicher Quellen, beispielsweise diagenetischen Ursprungs (Eisenoxidation) in Sedimentbecken, durch Radiolyse (natürliche Elektrolyse) oder bakterielle Aktivität, auch aus hyperalkalischen Quellen, die unter anderem Diwasserstoffemissionen (2H2) enthalten. Allerdings gibt es derzeit nicht viele Strategien und Pläne zur Erforschung dieser Art von Wasserstoff, da die Beschaffung und Nutzung anderer „Kerne“ wesentlich vorteilhafter und praktischer ist.

Wasserstoffmoos

Der Vergasungsprozess von Biomasse erfolgt in vier Phasen: Die erste ist die Trockenphase, bei der die Biomasse das enthaltene Wasser verliert; in der zweiten Phase wird die Pyrolyse eingesetzt, um die Biomasse zu verbrennen und für die nächste Phase vorzubereiten; in der dritten Phase erfolgt die Verbrennung dieses Produkts; und in der vierten Phase erfolgt die Reduktion des Materials, bei der der Kohlenstoff und die Kohlenwasserstoffe der verwendeten Brennstoffe teilweise mit Sauerstoff reagieren und das hochgradig schädliche Kohlenmonoxid (CO) sowie Wasserstoffgas (H2) erzeugen. Dieser Prozess läuft bei sehr hohen Temperaturen ab 900 °C ab.

Das im vierten Schritt erzeugte Gasgemisch kann anschließend durch Zugabe von Dampf und Reaktion in einem Wassergasreaktor in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt werden. Dies erleichtert den Einsatz der CCUS-Technologie, sofern diese im Prozess integriert ist.

Grüner Wasserstoff

Wird ebenfalls durch Elektrolyse von Wasser mithilfe von Strom erzeugt, ebenso wie Pink und Yellow. In diesem Fall muss der im Prozess verwendete Strom zwingend aus erneuerbaren Quellen stammen, die keine Treibhausgase ausstoßen, hauptsächlich Wasserkraft, Wind und Sonne. Es ist eine sauberere Alternative zur Wasserstofferzeugung, da es keine Treibhausgasemissionen verursacht und daher von Regierungen und Unternehmen weltweit stark gefördert wird.

Es ist noch ein weiter Weg, da grüner Wasserstoff derzeit nur einen kleinen Anteil am globalen Wasserstoffmarkt ausmacht und noch nicht wirtschaftlich ist. Ein Beispiel dafür, was mit der Einführung erneuerbarer Energiequellen in Energiematrizen passiert ist, ist die Tendenz, dass die Produktionskosten für grünen Wasserstoff sinken, da Skaleneffekte erzielt werden und der Prozess aus technologischer und finanzieller Sicht sicherer und ausgereifter wird.