Verwendung

Spaceshuttle nach dem Start [pixabay.com, 2018]

Verwendung in Antrieben

Ein bekanntes Beispiel der weiteren Verwendung von Wasserstoff ist die Nutzung für verschiedene Antriebe. Von wasserstoffbetriebenen Autos bis zu Raketen- und Spaceshuttleantrieben wird die enorme Energie des Wasserstoffs für die Fortbewegung verwendet. Bei diesen Beispielen beruht die Nutzung des Wasserstoffes auf unterschiedlichen Prinzipien.

Beim Auto wird die Energie des Wasserstoffes in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, welche dann entweder direkt einen Elektromotor antreibt, oder in einer Batterie gespeichert wird. Obwohl diese Art der Antriebe schon länger im Gespräch sind, gibt es noch nicht allzu viele Autos, die tatsächlich mit Wasserstoff betrieben werden. Unter Anderem liegt das an einer geringen Verbreitung von Wasserstofftankstellen. In Deutschland gibt es beispielsweise lediglich 35 solcher Tankstellen. [Zeit, 2017]

Bei Raketen- und Spaceshuttleantrieben wird der Wasserstoff verbrannt, die somit erzeugte thermische Energie wird durch düsen nach außen geleitet und erzeugt damit den nötigen Schub. Hier hat der Wasserstoffantrieb den Vorteil, dass die Tanks etwa 20 % leichter sind als herkömmliche Chemikalientanks. [Ingenieur360, 2015] Durch das Geringere Startgewicht verringern sich ebenfalls die kosten erheblich. Dazu kommt noch eine sehr viel stärkere Schubleistung durch den Wasserstoff und die bessere Umweltverträglichkeit.

Die ISS auf der das ACLS umgesetzt wird [pixabay.com, 2018]

Verwendung in der Raumfahrt (O₂-Erzeugung)

Eine erweiterte chemisch-physikalische Technologie wird mit dem Advanced Closed Loop System (ACLS) auf der ISS umgesetzt. Hier wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse aufgespalten. Der Sauerstoff dient der Besatzung als Atemluft. Mit dem entstandenen Wasserstoff wird ein Teil des Kohlenstoffdioxids aus der Kabinenluft in einem reversiblen Adsorptions-/Desorptionsprozess entfernt. Bei dieser Reaktion entsteht wiederum Wasser und Methan. Dieser Prozess wird auch „Sabatier-Prozess“ genannt. [DLR Raumfahrtmanagement, 2018] Der Kreislauf wird dadurch geschlossen, dass das Wasser der Elektrolyse zugeführt wird.

Ammoniak Synthese

Der in der Industrie eingesetzte Wasserstoff wird meist aus Kohlenwasserstoffen gewonnen, wobei Erdgas, Schweröl und Kohle die führenden Energieträger sind. Mehr als die Hälfte des gewonnenen Wasserstoffes wird für die Ammoniaksynthese verwendet. Etwa 30 % werden in der chemischen Industrie und Raffinerien eingesetzt und der restliche Wasserstoff verteilt sich auf die Elektroindustrie, die Metall- und Glasverarbeitung und die Lebensmittelindustrie. [Töpler, Lehmann, 2017]

Ammoniak ist ein wichtiger Bestandteil in der Herstellung von Düngemitteln. Durch voranschreitende Globalisierung und Ausbreitung von Wohlstand steigt die Nachfrage an Ammoniak extrem an. Ammoniak wird mit Hilfe des Haber-Bosch-Verfahrens produziert. Hierbei verbinden sich Wasserstoff und Stickstoff bei Drücken von etwa 300 bar und Temperaturen von etwa 500 °C zu Ammoniak. Dabei produziert eine übliche Anlage etwa 1000-2000 Tonnen Ammoniak am Tag. [Löfken, 2014] [BASF, 2018]

Verfahrensfließbild der Ammoniaksynthese nach der Luftzerlegung

Hydroraffination

Erdöl enthält von Natur aus viel Schwefel. Da dies jedoch für die weitere Nutzung unerwünscht ist, muss das Öl entschwefelt werden. Hierfür wird die so genannte Hydroraffination angewendet. Dabei werden die zu entschwefelnden Öle mit dem Wasserstoff vermischt. Bei der Erhitzung des Gemisches auf etwa 350 °C werden die Schwefelhaltigen Verbindungen umgewandelt, dabei hilft ein Katalysator. Bei der Reaktion entsteht Schwefelwasserstoff, welcher leicht vom Ölgemisch abgetrennt werden kann. In anschließenden Claus-Anlagen wird aus den Schwefelwasserstoffen elementarer Schwefel gewonnen. Unter anderem muss Heizöl vor dem Verbrennen entschwefelt werden, da das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxid schädlich für die menschlichen Atemwege ist. Außerdem kann es insbesondere bei Nadelholzwäldern erhebliche Umweltschäden verursachen.

Mit den modernen Verfahren der Hydroraffination gelingt es, den Schwefelgehalt der Rückstandsöle bis auf 0,5 % abzusenken. [Spektrum.de, 2018]

Verfahrensfließbild einer Hydroraffination

Hydrocracker

Eine der wichtigsten und gewinnbringensten Anlagen einer Raffinerie sind die Hydrocracker. Beim Hydrocracken werden langkettige Kohlenwasserstoffe in Kurzkettige aufgespalten. Hierbei wird das Gasöl mit dem Wasserstoff gemischt, erhitzt und durch einen Festbettreaktor geleitet. Eine anschließende Trennung der Kohlenwasserstoffe in einem Fraktionierturm ermöglicht es die unterschiedlichen Kohlenwasserstofffraktionen herauszuziehen. Die hier gewonnenen Kraftstoffe können aufgrund ihrer hohen Wertigkeit sehr gut verkauft werden. [Spektrum.de, 2018]

Verfahrensfließbild eines Hydrocrackingprozesses

Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen (Fischer-Tropsch-Verfahren)

Mit Hilfe des Fischer-Tropsch-Verfahren werden flüssige Kohlenwasserstoffe wie Alkane, Alkene, Alkohole und Oxoprodukte aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff hergestellt. Die hier produzierten synthetischen Kohlenwasserstoffe bieten eine Alternative zu den Herkömmlichen, wie Erdöl und Erdgas. Dies könnte insbesondere von großer Bedeutung sein, sollten die Erdölvorräte tatsächlich zur Neige gehen. Allerdings werden hierbei eine erhebliche Menge an Treibhausgasen an die Umwelt abgegeben, was wieder zu schwerwiegenden Umweltschäden führt.

Kernfusion als Zukunftsmusik

Eine vielversprechende Art der Stromerzeugung ist die Kernfusion. Ein für Forschungszwecken installierter Kernfusionsreaktor ist der ITER (International Thermonuclear Experimental Reaktor), welcher seit 2007 im südfranzösischen Kernforschungszentrum Cadarache gebaut wird. Bei der Kernfusion werden ein Deuterium- (schwerer Wasserstoff) und ein Tritiumatomkern (überschwerer Wasserstoff) miteinander zu einem Helium Atom verschmolzen. Dabei wird eine enorme Menge an Energie freigesetzt. Allerdings ist für die Herbeiführung der Kernfusion noch so viel Energie notwendig, dass es noch nicht gelungen ist einen Kernfusionsreaktor zu betreiben. [iter.org, 2018]