Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges Gas, welches in ungebundener Form kaum vorkommt. Interessant wurde Wasserstoff erstmals, als man seine extreme Leichtigkeit feststellte.
Wasserstoff ist etwa vierzehnmal leichter als Luft. Ideal für den Ballonflug.
Als Energieträger wurde er erst gegen Ende des 19. Jahrh. bekannt, als Hauptbestandteil des sog. Wassergases, das entsteht, wenn man Wasserdampf auf glühende Kohlen leitet. Das Zeitalter der Gaslaternen begann.
Aber Wasserstoff ist noch mehr.
Wasserstoff ist die Grundsubstanz dieser Welt.
Über 90 Prozent der kosmischen Materie besteht aus Wasserstoff. In den Sonnen unseres Universums wird er zu Helium verschmolzen und liefert so die Energie, die unser Leben ermöglicht. Die äußeren Planeten unseres Sonnensystems (Jupiter, Saturn , Uranus, Neptun) bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff.
Auf unserem Planten ist zwar nur jedes sechste Atom ein Wasserstoffatom, aber der Grundstoff unseres Leben, Wasser, wäre ohne es nicht denkbar.
Wasserstoff ist in der Lage mit fast jedem Element Verbindungen einzugehen.
Er ist jedoch in einem viel konkreteren Sinn Baustein der Welt, wie ein Blick auf die kosmologische Entwicklung zeigt. Da atomarer Wasserstoff nur aus einem Elektron besteht, da er ohne Elektron , also ionisiert sogar nur ein Proton ist, kann man ihn in der Tat als den Urbaustein ansehen, aus dem alle anderen Substanzen und Elemente zusammengekittet wurden.
Wasserstoff stellt das atomare Grundmuster der Materie dar. Der Satz 'Am Anfang war der Wasserstoff' hat seinen zeitlichen Sinn. Auch wenn die Theorie vom Urknall umstritten ist, steht trotzdem fest, dass zu Beginn 'der Zeit' eine unvorstellbare Konzentration von Energie, aus dem sich erst allmählich durch Abkühlung usw.  die Bestandteile des Weltalls entwickelten.
Nach kurzer Zeit, entstanden erste Anzeichen von Materie (schwerer Wasserstoff und Helium). Nach ca.
1 000 000 Jahren entstand dann das erste (komplette) Atom: leichter Wasserstoff.
Wasserstoff kommt in drei Formen (Isotopen) vor:
als leichter, schwerer und als superschwerer Wasserstoff (Protium, Deuterium und Tritium). Alle besitzen ein Proton, sie haben jedoch verschiedene Neutronenzahlen.
Wie schon erwähnt, kommt atomare Wasserstoff bei uns kaum vor. Er verbindet sich sehr schnell zu molekularem Wasserstoff und ist nun um einiges reaktionsunlustiger.
Wie bei den meisten 'konservativen Energieträgern' (Benzin, Kohle ) ist nun eine Aktivierungsenergie notwendig.

Erzeugung von Wasserstoff:
hier unterteilt man in verschiedene mehr oder weniger wirksame Verfahren:

mit Hilfe fossiler Energieträger: Bei diesem Verfahren wird ein Gemisch aus Wasserdampf und Sauerstoff über z.B. Kohle geleitet.
Bei Temperaturen von 400°C und mehr versucht man nun, den Kohlenstoff für den Sauerstoff im Wasser 'attraktiver' zu machen. Dabei entsteht ein Gasgemisch aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Wasserstoff, Stickstoff, Teeren und Schwefelverbindungen. Das entstehen von CO₂ ist bedenklich, denn jeder kennt dessen Rolle beim Treibhauseffekt.
Einfacher ist die Herstellung von Wasserstoff mit Erdgas. Hier wir ein Wirkungsgrad von über 70 Prozent erreicht, jedoch ist die Entstehung von Schwefeldioxyd gefährlich.

Thermische Spaltung (Thermolyse): Hier ist gemeint, dass Wasser so stark erhitzt wird, dass die Bindungen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff aufbrechen. Problematisch ist, dass dafür Temperaturen  von 4000°C notwendig sind. ( Mit Katalysator auch noch 800° bis 1000°C)

Wasserzersetzung durch Sonnenlicht (Photolyse)

a)      photobiologische Methode:
Pflanzen 'produzieren' bei der Photosynthese Kohlenhydrate (Kohlenwasserstoffe) in denen Wasserstoff enthalten ist.
Ziel ist es nun, den Wasserstoff direkt, ohne den Umweg über den Kohlenstoff zu gewinnen.
Möglich gemacht wir dies durch den Einsatz spezieller Algen. Unter bestimmten Bedingungen produzieren z.B. Blaualgen den Wasserstoff direkt. Der Wirkungsgrad solcher Verfahren liegt jedoch erst bei ungefähr 1 Prozent.

b)      photochemische Methode:
hier geht es darum Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht zu zerlegen. Wirkungsgrad ungefähr 1 Prozent.

c)      photoelektrochemische Methode:
gemeint ist die photovoltaische Stromerzeugung (Solarzellen) mit anschließender Elektrolyse des Wasser. Theoretischer Wirkungsgrad 24 Prozent; praktisch 1 Prozent.

Diese 3 Verfahren stehen noch relativ in den Kinderschuhen. Es ist schwer zu sagen, was sie in der Zukunft noch an Erfolgen bringen können.

Wasserelektrolyse:

a)    photovoltaisch versorgte Elektrolyse:
bedeutet die Kombination von Fotozelle mit Elektrolysezelle (siehe Punkt 3c) ).

b)   solarthermisch versorgte Elektrolyse:
Sonnenernergie erhitzt Wasser - Dampf treibt Turbine an. Turbine erzeugt Strom - Strom sorgt für Elektrolyse des Wasser (so einfach ist das).

c)    andere Verfahren:
natürlich lässt sich auch mit vielen anderen Verfahren Strom auf 'natürlichem ' Wege erzeugen.
( man denke an Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraft, Erwärme usw.)

Transport und Speicherung:

Speicherung und Transport von Energie ist ein Problem:
Strom beispielsweise, der oft schon bei der Erzeugung nur einen relativ niedrigen Wirkungsgrad erreicht, verliert darüber hinaus bei Transport und Speicherung wieder eine Menge seiner Energie. Auch die bekannte Batterie, als chemischer Stromspeicher, ist nicht sehr effektiv.
Beim Transport von Strom geht Energie durch den Widerstand der Leitung verloren. Je höher die Spannung, desto niedriger der Verlust, daher baut man Hochstrommasten, doch auch die sind teuer.
Ein weiteres Argument für die Wasserstoffwirtschaft: Der Verbraucher benötigt nur 20 Prozent Energie in verstromter Form.
Wasserstoff lässt sich fast so leicht speichern, wie Erdgas und Erdöl und ebenso billig durch Pipelines pumpen.
Nur: Wasserstoff ist bei normalem Druck und normaler Temperatur ein Gas, das dünnste und leichteste überhaupt und deshalb von sehr geringer Energiedichte.
Wasserstoff verflüssigt sich bei -253°C (etwa 800mal dichter als gasförmiger Wasserstoff) und gefriert bei 
- 259°C (Dichte noch einmal 10 Prozent größer.)
Beim Transport von Wasserstoff als Gas versucht man die niedrige Energiedichte (Heizwert) durch Druckerhöhung auszugleichen.
Die Speicherung lässt sich relativ einfach wie bei Erdgas in unterirdischen Kavernen oder leergeförderten Erdöl- und Erdgasfeldern ( im großen Maßstab) und in einfachen Druckflaschen (im kleinen Maßstab) durchführen.
Die Möglichkeiten Wasserstoff durch lange Pipelines überall auf der Welt zu verteilen sind gegeben. Eine Verwendung der alten Erdgaspipelines ist möglich.
Auch der Transport von Flüssigwasserstoff [LH₂] wäre in Pipelines die wärmeisoliert sind (Thermoskannenprinzip) möglich.

Der Verbraucher:

im Wohnbereich: obwohl einige technische Neuerungen notwendig sind, ist eine komplette Energieversorgung des Wohnbereichs mit Wasserstoff möglich. Vom Gasherd, über den Warmwasserboiler, die Heizung bis hin zum notwendigem Strom, alles lässt sich mit Wasserstoff betreiben und erzeugen.

im Verkehr: auch das Wasserstoffauto ist denkbar. Erste Versuche wurden schon gemacht und das einzige was noch fehlt ist eine Praxis in der sich das Wasserstoffauto bewähren kann. Aber nicht nur das Auto lässt sich mit Wasserstoff betreiben, auch der ÖPNV, LKWs und sogar Flugzeuge sind 'wasserstofftauglich'.

Zusammenfassung:

Merkmale der Wasserstoffwirtschaft:

Sie kommt mit regenerativen Energieträgern aus.

Die Verwendung von Wasser verursacht keinen 'Verschleiß'.

eine Vielzahl von Technologien und Verfahren sind einsetzbar, was eine gute Anpassung an verschiedene klimatische oder geographische Bedingungen ermöglicht.

Die 'wertlose' Energiewährung Wärme wird weitgehend vermieden und erscheint erst auf der Konsumentenseite.

Festgefahrene globale, politische Struckturen werden gelockert oder gar abgeschafft, weil jeder Sonnenlicht erhält und verwerten kann.

Und das wichtigste an einer zukunftsfähigen Wasserstoffwirtschaft:
Auch wenn die Umstellung zu Beginn kostenintensiver und umständlicher als unsere heutige Energiewirtschaft ist, so ist es wichtig daran zu denken, dass wir mit einer Wasserstoffenergiewirtschaft die für die Zukunft lebensbedrohlichen Umweltschäden, wie Treibhauseffekt usw., nicht noch weiter ausdehnen und so der Natur eine Chance geben sich selbst wieder zu erholen.
Denn: Aus dem Auspuff oder dem Schornstein kommt nichts anderes als Wasser!!!