Wasserstoffkraftwerke – Trends und Perspektiven

Obwohl Kernkraftwerke lange Zeit als sehr sicher galten, zwang der Unfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima im Jahr 2011 Energieingenieure auf der ganzen Welt erneut, über mögliche Umweltprobleme dieser Energieart nachzudenken.

Die Regierungen vieler Länder, darunter auch einer Reihe von EU-Ländern, haben ihre klare Absicht erklärt, ihre Wirtschaft auf alternative Energien umzustellen, ohne dabei an Investitionen zu sparen, und versprechen dieser Industrie in den nächsten 5 bis 10 Jahren Milliarden von Euro. Und eine der vielversprechendsten und umweltfreundlichsten Arten einer solchen Alternative ist Wasserstoff.

Wenn Kohle, Gas und Öl doch einmal zur Neige gehen, dann gibt es in den Ozeanen einfach unbegrenzt Wasserstoff, obwohl er dort nicht in reiner Form, sondern in Form einer chemischen Verbindung mit Sauerstoff – in Form von Wasser – gespeichert ist.

Wasserstoff ist die umweltfreundlichste Energiequelle. Für die Gewinnung, den Transport, die Speicherung und die Nutzung von Wasserstoff müssen wir unser Wissen über seine Wechselwirkung mit Metallen erweitern.

Hier gibt es viele Probleme.Hier sind nur einige davon, die auf ihre Lösung warten: die Herstellung hochreiner Wasserstoffisotope mithilfe von Membranfiltern (z. B. aus Palladium), die Schaffung technologisch vorteilhafter Wasserstoffbatterien, das Problem der Bekämpfung der Wasserstoffkosten für Materialien usw.

An der Umweltverträglichkeit von Wasserstoff im Vergleich zu anderen herkömmlichen Energiequellen zweifelt niemand: Das Produkt der Wasserstoffverbrennung ist wiederum Wasser in Form von Dampf, während es völlig ungiftig ist.

Wasserstoff als Kraftstoff lässt sich problemlos ohne grundlegende Änderungen in Verbrennungsmotoren sowie in Turbinen nutzen und es wird mehr Energie gewonnen als aus Benzin. Wenn die spezifische Verbrennungswärme von Benzin in Luft etwa 44 MJ/kg beträgt, beträgt dieser Wert für Wasserstoff etwa 141 MJ/kg, was mehr als dreimal höher ist. Auch Erdölprodukte sind giftig.

Die Lagerung und der Transport von Wasserstoff werden keine besonderen Probleme bereiten, die Logistik ähnelt der von Propan, allerdings ist Wasserstoff explosiver als Methan, daher gibt es hier noch einige Nuancen.

Wasserstoffspeicherlösungen sind wie folgt. Der erste Weg ist die herkömmliche Komprimierung und Verflüssigung, bei der eine extrem niedrige Temperatur sichergestellt werden muss, um den flüssigen Zustand des Wasserstoffs aufrechtzuerhalten. Das ist teuer.

Der zweite Weg ist vielversprechender – er basiert auf der Fähigkeit einiger zusammengesetzter Metallschwämme (hochporöse Legierungen aus Vanadium, Titan und Eisen), aktiv Wasserstoff zu absorbieren und ihn bei geringer Erwärmung freizusetzen.

Führende Öl- und Gasunternehmen wie Enel und BP entwickeln heute aktiv die Wasserstoffenergie.Vor einigen Jahren startete die italienische Enel das weltweit erste Wasserstoffkraftwerk, das die Atmosphäre nicht belastet und keine Treibhausgase ausstößt. Doch der zentrale Brennpunkt in dieser Richtung liegt in der Frage: Wie lässt sich die industrielle Produktion von Wasserstoff günstiger gestalten?

Das Problem ist, dass Elektrolyse von Wasser erfordert viel Strom, und wenn die Wasserstoffproduktion genau durch die Elektrolyse von Wasser in Gang gesetzt wird, dann wird diese Methode der industriellen Wasserstoffproduktion für die Wirtschaft eines einzelnen Landes sehr teuer sein: dreimal, wenn nicht viermal , ausgedrückt als äquivalente Verbrennungswärme von Erdölprodukten. Darüber hinaus können aus einem Quadratmeter Elektroden in einem industriellen Elektrolyseur maximal 5 Kubikmeter Gas pro Stunde gewonnen werden. Dies ist langsam und wirtschaftlich unpraktisch.

Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, Wasserstoff in industriellen Mengen herzustellen, ist die plasmachemische Methode. Wasserstoff wird hier günstiger gewonnen als durch Elektrolyse von Wasser. Bei Nichtgleichgewichtsplasmatronen wird ein elektrischer Strom durch ein ionisiertes Gas in einem Magnetfeld geleitet, und es kommt zu einer chemischen Reaktion, bei der Energie von „erhitzten“ Elektronen auf die Moleküle des Gases übertragen wird.

Die Temperatur des Gases liegt im Bereich von +300 bis +1000 °C, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit, die zur Bildung von Wasserstoff führt, höher ist als bei der Elektrolyse. Diese Methode ermöglicht die Gewinnung von Wasserstoff, der doppelt (nicht dreimal) teurer ist als herkömmlicher Kraftstoff aus Kohlenwasserstoffen.

Der plasmachemische Prozess läuft in zwei Stufen ab: Zuerst zerfällt Kohlendioxid in Sauerstoff und Kohlenmonoxid, dann reagiert Kohlenmonoxid mit Wasserdampf, was zu Wasserstoff und demselben Kohlendioxid führt, das am Anfang war (es wird nicht verbraucht, wenn man sich die gesamte Schleifentransformation ansieht).

Im experimentellen Stadium – die plasmachemische Herstellung von Wasserstoff aus Schwefelwasserstoff, der überall bei der Erschließung von Gas- und Ölfeldern ein schädliches Produkt bleibt. Das rotierende Plasma schleudert die Schwefelmoleküle einfach durch Zentrifugalkräfte aus der Reaktionszone und die Rückreaktion der Umwandlung in Schwefelwasserstoff ist ausgeschlossen. Diese Technologie gleicht den Preis von Wasserstoff aus, der mit herkömmlichen Arten fossiler Brennstoffe erzeugt wird, außerdem wird parallel Schwefel abgebaut.

Und Japan hat bereits heute mit der praktischen Entwicklung der Wasserstoffenergie begonnen. Kawasaki Heavy Industries und Obayashi planen, bis 2018 mit der Nutzung von Wasserstoffenergie zur Stromversorgung der Stadt Kobe zu beginnen. Sie werden zu Pionieren unter denen, die Wasserstoff tatsächlich für die Stromerzeugung in großem Maßstab nutzen werden, praktisch ohne schädliche Emissionen.

Direkt in Kobe wird ein 1-MW-Wasserstoffkraftwerk gebaut, das ein internationales Kongresszentrum und Arbeitsbüros für 10.000 Anwohner mit Strom versorgt. Und die an der Station bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff erzeugte Wärme wird zu einer effizienten Heizung für lokale Häuser und Bürogebäude.

Die von Kawasaki Heavy Industries produzierten Gasturbinen werden natürlich nicht mit reinem Wasserstoff versorgt, sondern mit einem Brennstoffgemisch, das nur 20 % Wasserstoff und 80 % Erdgas enthält.Die Anlage wird das Äquivalent von 20.000 Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen pro Jahr verbrauchen, aber diese Erfahrung wird der Beginn einer großen Entwicklung der Wasserstoffenergie in Japan und darüber hinaus sein.

Wasserstoffreserven werden direkt auf dem Gelände des Kraftwerks gespeichert, und selbst im Falle eines Erdbebens oder einer anderen Naturkatastrophe wird in der Station Treibstoff vorhanden sein, die Station wird nicht von lebenswichtigen Kommunikationen abgeschnitten. Bis 2020 wird der Hafen von Kobe über eine Infrastruktur für große Wasserstoffimporte verfügen, da Kawasaki Heavy Industries den Aufbau eines großen Netzwerks von Wasserstoffkraftwerken in Japan plant.