Was Sie über grünen Wasserstoff wissen müssen

Die Verwendung von Wasserstoff als Alternative zur Dekarbonisierung der Energiematrix wird zunehmend diskutiert, und sein Einsatz ist bereits Teil der strategischen Planung vieler Länder.

Aber was wissen Sie über dieses Element? Was ist grüner Wasserstoff?

Diese und einige andere immer wiederkehrende Fragen zu diesem Thema waren Thema des Expandir-Programms von Mitsidi, das auf YouTube verfügbar ist und dessen Antworten im Folgenden zusammengefasst sind.

Was sind die Eigenschaften von Wasserstoff?

Wasserstoff, an den so oft gedacht wird, wenn es um das Thema Energiewende geht, ist ein Molekül, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht. Das Wasserstoffatom ist das kleinste existierende Atom und besteht im Allgemeinen nur aus einem Proton und einem Elektron (es gibt jedoch auch radioaktive Varianten, die Neutronen im Kern enthalten). Das Wasserstoffmolekül ist ebenfalls extrem klein und besteht aus zwei kovalent gebundenen Wasserstoffatomen.

In seiner molekularen Form ist Wasserstoff gasförmig, nicht sehr dicht, geruchlos, geschmacklos, farblos und nicht reizend. Es handelt sich jedoch um ein brennbares Gas mit einem Siedepunkt unter -200 °C, wie auf der Website PubChem zu sehen ist.

Das Wasserstoffatom ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum, wie wir im Artikel von Walter J. Maciel sehen können. Auf unserem Planeten ist es das dritthäufigste Element, wie auf der Website H2Brasil angegeben wird. Laut dem Artikel macht es jedoch nur 0,00005 % der Atmosphäre aus. Dies führt zu dem Schluss, dass dieses Element bei der Zusammensetzung von Molekülen größtenteils mit anderen Atomen verbunden ist. Die Entstehung von molekularem Wasserstoff beruht auf diesen Wechselwirkungen und der Schaffung von Bedingungen, unter denen überwiegend Bindungen zwischen Wasserstoffatomen auftreten. In dieser Palette von Kernen, die zur Klassifizierung von Wasserstoff verwendet werden, gibt es auch andere Kerne, die je nach Entstehungsprozess variieren. Beispielsweise wird grauer Wasserstoff aus Erdgas ohne Kohlenstoffabscheidung (CCUS – Carbon Capture Utilization and Storage) und blauer Wasserstoff aus der Reformierung von Erdgas, jedoch mit Kohlenstoffabscheidung (CCUS), hergestellt. Daher gilt grüner Wasserstoff als weniger umweltschädlich als beispielsweise grauer Wasserstoff.

Welche Vor- und Nachteile hat Wasserstoff im Vergleich zu anderen Kraftstoffen (Erdgas, Benzin, Diesel usw.)?

Wasserstoff ist aus energetischer Sicht ein sehr interessantes Element, da er eine hohe Energiedichte pro Gewicht aufweist, die 2,8- bis 3-mal höher ist als die von Benzin. Eine der Hauptspezifikationen ist jedoch die geringe Energiedichte pro Volumen, etwa viermal niedriger als bei Benzin, was die Speicherung und den Transport des Gases erschwert.

Was ist das Besondere an Wasserstoff-Brennstoffzellen?

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs, in diesem Fall Wasserstoff, in elektrische Energie und Wärme um, ähnlich wie Batterien, und können verschiedene Anwendungen zur Energiespeicherung, zum Einsatz in Elektrofahrzeugen und in isolierten Systemen finden. Es handelt sich um einen Prozess, der das Gegenteil der Elektrolyse ist, bei der Sauerstoff und Sauerstoff reagieren und Energie und Wasser freisetzen. Da der Verkehrssektor einer der größten CO2-Emittenten ist, hat die Nutzung von Fahrzeugen mit Wasserstoff-Brennstoffzellen das Potenzial, zur Dekarbonisierung der Energiematrix von Ländern beizutragen.

Es ist jedoch erwähnenswert, dass Brasilien im Vergleich zu anderen europäischen Ländern einen großen Vorteil hat, da es ebenfalls Ethanol, das aus Zuckerrohr (einer sauberen und erneuerbaren Quelle) gewonnen wird, als Kraftstoff im Verkehrssektor verwendet. Dennoch ist es vorteilhaft, ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle und H2 anstelle von Ethanol zu betreiben, da die Leistung besser und die Effizienz höher ist als bei einem Verbrennungsmotor. Jede dieser Methoden hat Vor- und Nachteile und führt zu einer der verschiedenen Wasserstofffarben.

Reformierungsprozesse sind heute die am weitesten verbreiteten und basieren auf Reaktionen von Methan, Kohlenmonoxid und Wasser, bei denen Wasserstoff und Kohlendioxid entstehen. Dieser Prozess kann eine zusätzliche Stufe zur Kohlendioxidabscheidung beinhalten, wodurch die Auswirkungen auf das Klima reduziert werden. Es handelt sich um einen Prozess mit moderatem Energiebedarf, der jedoch im Allgemeinen hohe Auswirkungen hat, sowohl aufgrund des Energieverbrauchs, der Kohlendioxidfreisetzung als auch des intensiven Wasserverbrauchs.

Elektrolyseprozesse sind derzeit die am häufigsten diskutierten und größten Marktteilnehmer. Dabei wird im Wesentlichen elektrische Energie genutzt, um in einer sogenannten „Elektrolysezelle“ einen elektrischen Potentialunterschied zwischen einem Plus- und einem Minuspol zu erzeugen. Dadurch werden Wassermoleküle zerlegt und Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle gebildet. Stammt die genutzte elektrische Energie aus Quellen wie Wind- oder Solarenergie, gilt der erzeugte Wasserstoff als grüner Wasserstoff. Dieser Prozess kann praktisch emissionsfrei ablaufen, benötigt aber große Mengen Energie und Wasser.

Pyrolyse ist ein Prozess, bei dem organisches Material hohen Temperaturen ohne Sauerstoff ausgesetzt wird, wodurch es nicht verbrennt. Mit steigender Temperatur brechen die chemischen Bindungen der Moleküle dieses Materials auf. Wird als organisches Material ein einfacher Kohlenwasserstoff verwendet (z. B. Methan), sind die Produkte dieses Prozesses nur Wasserstoff und Kohlenstoff. Sind im Kohlenwasserstoffmolekül noch andere Atome vorhanden (z. B. Schwefel oder Stickstoff), können komplexere Reaktionen und andere Moleküle freigesetzt werden. Es gibt jedoch Parameteroptimierungen, die dazu beitragen können, ein Maximum an Wasserstoff und ein Minimum an Verunreinigungen zu erzeugen. Es handelt sich um einen der rein physikalisch-chemischen Prozesse mit dem geringsten Energiebedarf und ohne Verwendung von Wasser oder Freisetzung von Kohlendioxid. Allerdings ist ein hohes Maß an Optimierung erforderlich, um sicherzustellen, dass am Ende des Prozesses keine schädlichen Substanzen vorhanden sind.

In der folgenden Abbildung aus einem Artikel in Forbes sehen wir den Vergleich des typischen Ressourcenverbrauchs dieser drei Produktionswege für die Herstellung einer Tonne Wasserstoff.

Bioprozesse zur Wasserstoffproduktion werden weiter in biologische Prozesse unterteilt, wie die Abbildung unten von der ScienceDirect-Website zeigt. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um Prozesse, bei denen ein biologisches Element (Pilze, Algen oder Bakterien) als Hauptproduktionselement verwendet wird. Diese Prozesse verbrauchen in der Regel weniger Energie, weisen aber tendenziell eine geringere Produktion auf. Die Optimierung der Parameter, um sicherzustellen, dass die Organismen möglichst viel Wasserstoff produzieren, kann sehr komplex sein.

Quelle: Sciencedirect

Welches Potenzial für die Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff besteht derzeit auf dem nationalen und internationalen Markt?

Zunächst ist es wichtig, die Funktionsweise der Wasserstoffkette zu verstehen, um alle ihre Möglichkeiten zu verstehen. Die folgende Abbildung stellt diese Kette von der Produktion bis zur endgültigen Nutzung dar:

Quelle: IRENA

Quelle: IRENA. Betrachtet man diese Kette, so hat die Produktion von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne durch den Elektrolyseprozess in Brasilien ein hohes Potenzial aufgrund des wachsenden Anteils dieser Strom- (84,8 %) und Energiequellen (48,3 %) im Land (Daten von 2020, EPE). Im Vergleich zum globalen Szenario liegen die Strom- und Energiematrizen laut IEA-Daten aus dem Jahr 2019 bei 27 % bzw. 14 %. Es ist erwähnenswert, dass es noch ungenutztes Potenzial für die Offshore-Windenergieerzeugung gibt, die auch eine Energiequelle für die Produktion von grünem H2 sein könnte.

In Anbetracht der Verwendung von Biokraftstoffen (Ethanol/Biodiesel, Biogas und Bioabfällen (Agroforstwirtschaft und Agroindustrie), die durch Reformierung, Pyrolyse oder Vergasungsprozesse grünen H2 produzieren können, ist das große Potenzial hervorzuheben, das mit der Verwendung von Ethanol zur Produktion von grünem H2 verbunden ist, da die Industrie im Land bereits etabliert ist.

Die vielversprechendsten Regionen für die Produktion von grünem H2, die aufgrund der Verteilung der bestehenden Erzeugung (SIGA, ANEEL) mit jeder Quelle verbunden sind, sind nachstehend aufgeführt:

• Wind → Elektrolyse → Nordostregion mit Schwerpunkt auf Rio Grande do Norte, Bahia und Piauí.
• Solar → Elektrolyse → Regionen Nord und Nordost, mit Schwerpunkt auf Pará, Ceará, Paraíba, Alagoas, Piauí und dem äußersten Norden von Bahia.
• Ethanol → Reform → Regionen Zentralwest, Südost und Nordost
• Biogas → Pyrolyse oder Vergasung → Regionen Süd, Südost und Zentralwest
• Biodiesel → Reform → Regionen Süd, Südost und Zentralwest
• Bioabfall → Vergasung → Alle Regionen aufgrund der unterschiedlichen landwirtschaftlichen Kulturen.

Quelle: ABH2

Darüber hinaus deuten Studien darauf hin, dass Brasilien über Wasserstoffreserven in seiner natürlichen Form verfügt (Quelle: Engie Research in Zusammenarbeit mit Geo4u), die im Boden und in Tiefbrunnen des São Francisco-Beckens in Minas Gerais vorkommen. Neben Minas Gerais wurden Gebiete in den Bundesstaaten Ceará, Goiás, Tocantins, Roraima und Bahia untersucht. Diese Liste könnte jedoch noch länger sein, da einige Regionen nicht einmal untersucht wurden. In Brasilien konzentrieren sich die wichtigsten Zentren der grünen Wasserstoffproduktion auf den Hafen von Pecém in Ceará, den Hafen von Açu in Rio de Janeiro und den Hafen von Suape in Pernambuco und sind durch den Export von grünem H2 ins Ausland motiviert.

International sind Australien, China, Deutschland, die Niederlande, Saudi-Arabien und Chile laut auf der BBC-Website veröffentlichten Daten die Länder mit den weltweit größten Projekten zur Produktion von grünem H2. Für den Verbrauch von grünem Wasserstoff stehen Brasiliens folgende Sektoren als potenzielle Abnehmer zur Verfügung: Düngemittel, Zement, Energie, Bergbau, Chemie, Stahl, Transport, Flachglas und Lebensmittel. Bemerkenswert ist, dass Düngemittel 2021 Brasiliens meistimportiertes Produkt waren und hauptsächlich aus Russland und China stammten. Diese Abhängigkeit vom Verbrauch kann durch die inländische Produktion minimiert werden, bei der grüner Wasserstoff Erdgas für die Herstellung von Stickstoffdüngern wie Ammoniak ersetzt. Darüber hinaus besteht aufgrund des Baus von Wasserstoff-Hubs in der Nähe der wichtigsten Häfen des Landes die erklärte Absicht, diesen Rohstoff vor allem nach Europa zu exportieren.