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Die Gesellschaften in aller Welt brauchen neue, vollständig erneuerbare und weniger umweltschädliche Brennstoffe. Gegenwärtig ist die Zivilisation auf die Energiegewinnung aus Kohleverbrennungszellen angewiesen, die weit mehr Rohstoffe benötigen, als derzeit verfügbar sind. Der Energiebedarf moderner Länder steigt ständig. Die Welt von heute ist auf der Suche nach neuen Technologien, die die Abhängigkeit der Wirtschaft vom Öl verringern und die Energiesicherheit gewährleisten können. Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen sind eine Alternative.
Wasserstoff - der Kraftstoff der Zukunft
Die Natur bietet viele Möglichkeiten zur Erzeugung erneuerbarer Energie. Bleibt nur die Frage, wie man die Energie von Sonnenlicht, Wind, Biomasse oder Wasser effektiv, effizient und umweltfreundlich in Strom oder Wärme umwandelt.
Die weltweiten Forschungsanstrengungen im Bereich der sauberen Energietechnologien konzentrieren sich auf das Sammeln, Speichern und Liefern von Energie, und zwar effizient und ohne den Planeten zu schädigen.
Wissenschaftler und Labors auf der ganzen Welt suchen nach einer Möglichkeit, den ständig steigenden Energiebedarf zu decken, ohne die Umwelt zu zerstören und unseren Planeten weiteren Gefahren auszusetzen.
Eine alternative Energiequelle ist Wasserstoff, der aus sogenannten sauberen und vollständig erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne und Wasser gewonnen werden kann. Mit Hilfe eines so genannten Elektrolyseurs kann Wasserstoff aus gewöhnlichem Wasser gewonnen werden. Brennstoffzellen wandeln dann reinen Wasserstoff in Elektrizität um, die zum Betrieb verschiedener Geräte und Maschinen, aber auch von Autos oder Haushaltselektronik verwendet werden kann.
Wasserstoff - grundlegende Informationen
Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff:
- Aggregatzustand: gasförmig
- Farbe:farblos
- Geruch:Geruchlos
- Kritische Temperatur: – 239,90°C
- Dichte:0,0899 kg/m3
- Kritischer Druck:1,3 MPa
- Wasserstoff explodiert nicht aufgrund von Selbsterhitzung
- Die Flamme der Wasserstoffverbrennung ist steil, nach oben gerichtet und hat eine geringe Wärmestrahlung
Wissenswertes:
Wenn man die Wassermenge schätzt, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge an Wasserstoff zu erzeugen, dann:
Kann Wasserstoff mit Hilfe von Solarbatteriezellen oder Windturbinen bei der “Speicherung” von Sonnenenergie (Windenergie) erzeugt und dann als Brennstoff in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Elektrizität für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden.
Wasserstoff kann durch Sonnen- oder Windenergie erzeugten Strom “speichern” und “liefern”, so dass er jederzeit und überall genutzt werden kann. Es kann auch in kleinen Behältern gelagert werden.
In der Vergangenheit haben viele Faktoren die Erzeugung, die Speicherung und den Transport von erneuerbaren Energien eingeschränkt. Durch den kombinierten Einsatz eines Elektrolyseurs ist die Speicherung und der Transport des Wasserstoffs außerhalb der Brennstoffzelle kein Problem mehr, und die elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen kann dort bereitgestellt werden, wo sie gerade benötigt wird.
Wasserstoff kann nachhaltig aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt werden, ohne dass dabei Kohlendioxid freigesetzt wird. Ein Beispiel für ein solches System ist die Verwendung eines Solarpanels, einer Windturbine oder eines Mikro-Wasserstromgenerators zur Umwandlung von Sonnen- oder Windenergie in Strom, der den Elektrolyseur antreibt.
Der Elektrolyseur ist für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zuständig. Der Wasserstoff wird für die Verwendung in den Brennstoffzellen gespeichert, während der Sauerstoff an die Atmosphäre abgegeben wird. Wenn also die Sonne scheint, der Wind weht oder Wasser fließt, kann der Elektrolyseur Wasserstoff erzeugen. Das Energiesystem, das erneuerbaren Wasserstoff und die Brennstoffzelle enthält, ist ein geschlossenes System, so dass keine der Produkte oder Reaktanten (Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff) an die äußere Umgebung verloren gehen.
Was ist der Prozess der Wasserelektrolyse und nach welchem Prinzip funktioniert er?
Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Wenn eine elektrische Ladung an das Wasser angelegt wird, bricht die Kraft der zugeführten Energie die chemischen Ketten zwischen Wasserstoff und Sauerstoff und führt zur Bildung der Grundgase (Sauerstoff und Wasserstoff). Der Wasserstoff wird zurückgehalten und in einer erneuerbaren Brennstoffzelle als Kraftstoff gespeichert.
Ein Elektrolyseur ist ein Gerät, das die Elektrolyse von Wasser ermöglicht, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden. Elektrolyseure werden heute am häufigsten zur Erzeugung von Wasserstoff bei relativ niedrigem Druck und unter Verwendung flüssiger alkalischer Elektrolyte eingesetzt. Bei solch niedrigen Drücken erfordert die Speicherung großer Wasserstoffmengen sehr große Lagertanks.
Eine Lösung für dieses Problem ist der Einsatz geeigneter Kompressoren, um den Wasserstoff unter Druck zu setzen. Der Energieaufwand, der erforderlich ist, um den Wasserstoffdruck so stark zu erhöhen, sowie die Wartungskosten für die Wasserstoffkompressoren machen diese Option jedoch im großindustriellen Maßstab zu einer völlig unwirtschaftlichen Technologie. Diese Art von Lösung erfordert eine häufige Wartung des Elektrolyseurs, einschließlich der Entfernung des verbrauchten Elektrolyts und des Austauschs durch neues Elektrolyt mit hoch ätzenden Eigenschaften.
Ein neuer Ansatz für die Elektrolyse von Wasser sind Elektrolyseure, die nach dem Prinzip des Protonenaustauschs durch eine spezielle Membran arbeiten. Die Protonenaustauschmembran, die Teil des Elektrolyseurs ist, kann so konstruiert werden, dass sie Wasserstoff auf elektrochemischem Wege bei einem Druck von etwa 2.000 psi (oder mehr) erzeugt, wodurch die Notwendigkeit einer mechanischen Kompression entfällt. Bei dieser Membran handelt es sich um eine robuste elektrolytische Membran, deren Lebensdauer mit der des gesamten Elektrolyseurs identisch sein kann. Es sind keine ätzenden Elektrolytflüssigkeiten erforderlich.
Weitere Vorteile des Einsatzes einer Protonenaustauschmembran zur Durchführung von Elektrolyseprozessen im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse sind die geringeren Energieverluste und die wesentlich höhere Reinheit des dabei gewonnenen Wasserstoffs. Die Elektrolyse mit dieser Membran ist eine viel einfachere, nachhaltigere und wirtschaftlichere Technologie zur Erzeugung, Verdichtung und Speicherung von Wasserstoff.
Schon heute speisen Solar- oder Windkraftanlagen Energie in das Netz zurück. Es genügt, Elektrolyseure in der Nähe solcher Anlagen aufzustellen, und ein Teil des überschüssigen Stroms kann zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse verwendet werden. So kann die Produktion von Wasserstoff als Kraftstoff für verschiedene Wirtschaftszweige schnell aufgenommen werden.
Vergleich von Wasserstoff mit anderen Kraftstoffen
Gespeicherter Wasserstoff als Energieträger
