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Auch Elektrolyse kämpft mit Kinderkrankheiten © .
Auch Elektrolyse kämpft mit Kinderkrankheiten © .

APA

Wasserstoff ist noch auf keinem grünen Ast

23.10.2020

Wasserstoff (H2) müsste man zur Zeit eigentlich den fossilen Energieträgern zurechnen – er wird nämlich weltweit laut VCÖ zu 99 Prozent durch Dampfreformierung aus Erdgas, Kohle und Raffinerieabfällen hergestellt. Dabei entstehen neben Wasserstoff auch große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid. Auf diese Weise produzierten Wasserstoff nennt man "grauen Wasserstoff".

Er kann jedoch auch durch Spaltung von Wasser (H2O) mittels elektrischem Strom, also Elektrolyse, erzeugt werden. Wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind-, Sonnenenergie und Wasserkraft stammt, entsteht kein Kohlendioxid und der Prozess ist treibhausgasneutral sowie nachhaltig – man heißt ihn deswegen "grünen Wasserstoff".

Die Elektrolyse von Wasser wurde schon im Jahr 1800 erfunden. Der britische Chemiker William Nicholson und der Chirurg Anthony Carlisle experimentierten mit einer Batterie: Sie befestigten zwei Drähte an den Polen und hielten die Enden ins Wasser. Sie sahen, dass sich dort Gasbläschen bildeten, und stellten fest, dass es sich dabei um Wasserstoff und Sauerstoff handelt. Die beiden hatten also mit Hilfe von Strom das Wasser in seine Bestandteile zerlegt.

Heutzutage koppelt man Strom aus erneuerbaren Energien an Elektrolyseapparate, die bei hohen Temperaturen arbeiten (Hochtemperaturelektrolyseure). Dadurch erhält man ein System, das "grünen" Wasserstoff mit hoher Effizienz liefert, und eine vielversprechende Zukunftstechnologie ist, erklärt Vanja Subotic vom Institut für Wärmetechnik der Technischen Universität (TU) Graz. Überschüssige elektrische Energie und Wasser(dampf) werden hier direkt in Wasserstoff umgewandelt. Obwohl die Elektrolysetechnologie alles andere als neu ist, kämpft sie noch mit Kinderkrankheiten, denn sie wird erst seit ein paar Jahren intensiv beforscht, so die Expertin.

Die Herausforderungen sind derzeit die Lebensdauer sowie hohe Kosten. Durch Fortschritte im Bereich der Materialentwicklung und der Herstellungsverfahren könnten beispielsweise die Lebensdauer dieser Technologie verlängert werden und die Kosten gesenkt werden.

"Auch die Betriebsparameter wie die optimale Temperatur oder Flexibilität in der Menge des in Wasserstoff umgewandelten Wasserdampfs sind noch zu optimieren, damit es nicht zu ungewollten Schädigungen im System kommt", sagte sie. "Das Interesse an Wasserstoffherstellungstechnologien sowie die Anzahl an nationalen und internationalen Demonstrationsprojekten steigen, wodurch es in absehbarer Zeit möglich sein könnte den Anteil an klimaneutralen Wasserstoff zu erhöhen und die Wasserelektrolyse-Technologie voranzutreiben", so die Expertin: "Ich glaube, dass das Thema in Zukunft durch das steigende Interesse der Öffentlichkeit und Industrie immer wichtiger wird, und, einen großen Beitrag zur Erreichung der 2050 Klimaziele leisten kann."

Außerdem arbeiten Forscher zum Beispiel daran, seltene, teure und giftige Metalle in den Elektrolyseapparaten durch biologische Substanzen zu ersetzen. Philipp Stadler vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Linz testet dazu sogenannte "funktionelle Polymere". Die Basis bildet ein Dopamin – also eigentlich ein bekannter Neurotransmitter. "Wir haben herausgefunden, dass man daraus ein spezielles Polymer machen kann, das auch elektrischen Strom leitet", erklärt der Forscher. Dieses Polydopamin sei biologisch abbaubar und besitze Eigenschaften, die sonst nur Edelmetallen innewohnen. Bisher kann man mit der Technologie zwar nur ein paar Liter Wasserstoff herstellen. Die Forscher wollen sie aber "in Richtung eines industriellen Maßstabs hochskalieren".

Pilotanlagen und Großprojekte

In Österreich hat die voestalpine in Linz Mitte November 2019 die damals weltweit größte Wasserstoff-Pilotanlage in Betrieb genommen. Sie produziert mit einem Elektrolysemodul mit sechs Megawatt Anschlussleistung 1.200 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde. Damit will sie die Stahlerzeugung "dakarbonisieren" (siehe "Mehr Wasserstoff in die Industrie").

Weltweit gibt es Pläne für noch weit größere Anlagen: "Vor der Küste der Provinz Groningen in den Niederlanden wird ein großer Windpark in der Nordsee gebaut, der bis 2030 mit einer Windkraftleistung von vier Gigawatt Strom produziert, mit dem in Eemshaven per Elektrolyse grüner Wasserstoff hergestellt wird", berichtet Manfred Schrödl vom Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe der Technischen Universität (TU) Wien: "Zum Vergleich: In Österreich haben wir derzeit Windräder mit einer Gesamtleistung von drei Gigawatt installiert." Bis 2040 sei bei der niederländischen Anlage sogar ein Ausbau auf zehn Gigawatt geplant. "Der dort hergestellte Wasserstoff soll primär für die Industrie verwendet werden", so Schrödl gegenüber APA-Science.

Grüner Wasserstoff aus Biomasse

Klimaneutraler Wasserstoff kann aber auch aus anderen Quellen kommen, zum Beispiel aus Biomasse. Viktor Hacker vom Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Graz entwickelte mit Kollegen einen Prozess namens "Reformer Steam Iron Cycle" (RESC), um Biogas zu hochreinem Wasserstoff umzusetzen: "Das Besondere daran ist, dass von der Idee bis zum Prototypen und der Kommerzialisierung mit einer Firma alles in meiner Arbeitsgruppe hier in Graz passiert ist", sagte er: "Damit kann man lokal im Kleinen mit einem guten Wirkungsgrad hochreinen Wasserstoff erzeugen."

Wenn der Prozess auch keine großindustrielle Skalen erreicht – ganz so klein ist die damit produzierbare Wasserstoffmenge nicht: "Ich denke, im Maßstab von hundert Kilowatt bis hin zum Megawatt-Bereich macht der RESC-Prozess Sinn – das wäre schon ausreichend für eine Wasserstofftankstelle", sagt Hacker. Er ist günstiger, als wenn man Biogas auf konventionellem Weg "reformiert" und mit einem teuren Verfahren reinigen muss. "Beim RESC-Prozess sorgt eine Reduktions-Oxidations-Reaktion mit Eisen schon dafür, dass hochreiner Wasserstoff entsteht, und die Feingasreinigung entfällt dadurch", so der Experte.

Er sieht die Wasserstoff-Herstellung aus Biogas jedoch als Nischenanwendung: "Die große Strömung wird sein, Wasserstoff mittels Windenergie und Photovoltaik durch Elektrolyse herzustellen", meint er. Es sei vor allem lokal interessant, Wasserstoff mit Biogas aus Biomasse wie Holz und Grasschnitt zu erzeugen. "So wertet man einen heimischen Energieträger zu Wasserstoff auf", erläutert er. Essbare Pflanzenteile sind für Hacker tabu, diese solle man als Lebensmittel verwenden.

Derzeit gäbe es großes Interesse, Biogas zu Wasserstoff aufzuwerten, berichtet er: "Es zu verstromen wird immer unwirtschaftlicher, weil die Förderungen zurückgenommen werden. Die landwirtschaftlichen Betriebe, die das getan haben, suchen hängeringend nach neuen Absatzmöglichkeiten."

Auch Hermann Hofbauer und Florian Benedikt vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien beschäftigen sich mit der Umwandlung von Biomasse zu Wasserstoff. Durch thermochemische Umwandlung bei 700 bis 900 Grad Celsius entsteht "Produktgas". "Je nach eingesetzter Gaserzeugungstechnologie kann man dabei sehr hohe Konzentrationen an Wasserstoff, nämlich bis zu 70 Volumsprozenten, erzeugen", so die Forscher. Anschließend muss man das Produktgas von Verunreinigungen befreien und den Wasserstoff abtrennen. Trotzdem sei der Prozess äußerst effektiv: "Für die Erzeugung von Wasserstoff mittels thermochemischer Umwandlung spricht der geringere Einsatz von hochwertiger elektrischer Energie zum Beispiel im Vergleich zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser", erklären die Forscher.

Trotz Dampfreformierung ist der produzierte Wasserstoff außerdem "grün", weil nur so viel CO2 frei wird, wie vorher von den Pflanzen in der Biomasse gebunden wurde. Bei der Biomasse gäbe es saisonal und regional genauso wie bei Wind- und Sonnenenergie manchmal Überangebote, die man gut nützen kann, meinen sie: "Es fallen zum Beispiel in den vergangenen Jahren immer höhere Mengen an Schadholz in der Forstwirtschaft an, die ungenützt im Wald liegen bleiben." Auch Abfälle aus der Holzindustrie und Landwirtschaft könne man bei der thermochemischen Wasserstoffproduktion einsetzen. "Es ist jedenfalls höchst erstrebenswert, diese ungenützten Biomasse-Potenziale zur Substitution fossiler Energieträger zu nutzen", erklären die Experten.

Bakterien als Wasserstofffabriken

Es gibt aber noch andere Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen, und die Forscher wollen keine auslassen: Ein Team unter der Leitung von Simon Rittmann vom Department für Funktionelle und Evolutionäre Ökologie der Universität Wien brachte jüngst Mikroben, die für ihren Stoffwechsel keinen Sauerstoff benötigen, dazu, ungeahnte Mengen an Wasserstoff zu produzieren. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde nachgewiesen, dass sie dies können, doch für eine biotechnologische Produktion schien die Ausbeute bisher zu gering: Seit einigen Jahrzehnten galt das "Thauer-Limit" als theoretische Maximalgrenze. Demnach könnten die Bakterien nur die vierfache Stoffmenge an Wasserstoff produzieren, als sie an (Zucker) Glukose verwerten können (vier Mol Wasserstoff pro Mol Glukose). Die Forscher setzten "Enterobacter aerogenes"- und "Clostridium acetobutylicum"-Bakterien im Verhältnis 1 zu 10.000 in eine wässrige Lösung mit Spurenelementen und Wuchsstoffen. Sie produzieren dort 5,6 Mol Wasserstoff pro Mol Glukose. In der Praxis kamen sie damit also 40 Prozent über das theoretische "Thauer-Limit". Rittmann sagte, dass die im Labor erzielten Ergebnisse wohl auch im größeren Maßstab erreichbar sind.

Die Physikochemikerin Ellen Backus vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Wien arbeitet wiederum an der Herstellung von Wasserstoff mit Sonnenlicht und Katalysatoren (das sind Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen). Dass man Wasser auf diese Weise in Wasserstoff und Sauerstoff spalten kann, ist schon länger bekannt. Man wisse aber kaum, was dabei auf molekularer Ebene an der Grenzfläche zwischen Wasser und Katalysator passiert. Ihre Forschung dazu soll helfen, bessere Katalysatoren für die photokatalytische Wasserspaltung zu entwickeln. Diese Form der Spaltung sei umweltfreundlich und kostengünstig.

Wasserstoff umfärben

Es gibt also große Bemühungen, Wasserstoff nicht mehr vorwiegend aus fossilen Quellen, sondern etwa aus Wasser und Biomasse klimaneutral und nachhaltig zu gewinnen. Bis die Techniken aber in großem Maßstab verfügbar sind, kann man sich zumindest mit einer Umfärbeaktion des klimaschädlichen "grauen Wasserstoffes" helfen. Er wird definitionsgemäß zum türkisen Wasserstoff, wenn man das CO2, das bei der Dampfreformierung aus Gas oder Kohle entsteht, einfängt und verscharrt.

Die Forscher sind aber skeptisch, dass dies wirklich getan wird: "Ich glaube nicht, dass man Kohlenstoff wirklich vergraben wird, wenn man gleichzeitig Kohle ausgräbt und nach wie vor als Energieträger einsetzt", sagt etwa Viktor Hacker. Stattdessen solle man sich der Herausforderung stellen, große Mengen an grünen Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen herzustellen.

Speichern im Untergrund und Drucktanks

Wenn man erst einmal genügend grünen Wasserstoff hat, ist die Speicherung kein großes Problem, meinen die Experten. Man kann ihn gasförmig bei hohem Druck im Fahrzeug speichern, was zum Beispiel bei Pkws sinnvoll ist, erklärte Bernhard Geringer vom Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien gegenüber APA-Science.

Außerdem ist es möglich, Wasserstoff bei -253 Grad Celsius zu verflüssigen, und damit das Speichervolumen zu verkleinern. Dies wäre etwa für größere Mengen in der Industrie oder bei Nutzfahrzeugen praktikabel. Als Langzeitspeicher würden sich ausgebeutete Erdgaslager eignen, die es in Österreich in ausreichender Menge gibt, sagte er. Dort könne man ihn ohne große Verluste für Monate bis Jahre aufbewahren.

Von Jochen Stadler / APA-Science

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