Wenn Wasserstoffenergie doch so gut ist, warum nutzen wir sie erst jetzt?

Bei der Eröffnungszeremonie der Olympischen Winterspiele vor zwei Monaten wurde die Fackel in Form einer „kleinen Flamme“ in den Köpfen vieler Menschen zu einem klassischen Moment, und die „treibende Kraft hinter“ diesem Moment war Wasserstoff als Brennstoff. Auch bei der Staffelfackel der Olympischen Winterspiele wird Wasserstoff als Brennstoff verwendet, sodass bei der Verbrennung der Fackeln in der Geschichte der Olympischen Winterspiele kein einziger CO2-Ausstoß verursacht wurde. Nach Angaben des Organisationskomitees der Olympischen Winterspiele in Peking wurden zur Umsetzung des Konzepts der „Grünen Olympischen Spiele“ über 1.000 mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und über 30 Wasserstofftankstellen vorgeführt.

Beim Verbrennungsprozess wird kein Kohlendioxid freigesetzt. Wie erreicht Wasserstoffkraftstoff dies? Warum wird diese so gute Energiequelle erst jetzt genutzt? Es gibt viele Fragen zur Wasserstoffenergie. Lassen Sie uns diese gemeinsam erkunden.

Teil 1

Das Konzept Wasserstoff: eine vielversprechende Sekundärenergiequelle der Zukunft

Wasserstoff mit dem chemischen Elementsymbol H steht an erster Stelle im Periodensystem. Es ist das leichteste und am häufigsten vorkommende Element im Universum und macht etwa 75 % der Masse des Universums aus. Auf der Erde sind unter natürlichen Bedingungen entstandene Elemente relativ selten. Daher unterscheidet sich Wasserstoff als Sekundärenergiequelle von traditionellen fossilen Energiequellen wie Kohle, Öl und Erdgas. Es ist schwierig, es direkt aus der Natur zu gewinnen. Wenn dies der Fall ist, warum ist Wasserstoff dann zu einem Kraftstoff geworden?

Dies liegt daran, dass der Heizwert von Wasserstoff sehr hoch ist (120,0 MJ/kg), was dem 2- bis 4-fachen Heizwert der gleichen Masse fossiler Brennstoffe wie Koks und Benzin entspricht. Das heißt, dass bei der Verbrennung der gleichen Kraftstoffmenge die durch Wasserstoff erzeugte Wärme zwei- bis viermal so hoch ist wie bei fossilen Brennstoffen wie Koks und Benzin. Gleichzeitig zeichnet sich Wasserstoffenergie durch eine hohe Energiedichte und verschiedene Speicherformen aus und kann zusammen mit Solarenergie, Windenergie usw. als Energieträger eingesetzt werden.

Der wichtigste Punkt besteht darin, dass Wasserstoff nur Wasserstoffelemente enthält und daher bei der Verbrennung nur Wasser entsteht. Herkömmliche fossile Brennstoffe hingegen enthalten Kohlenstoffelemente und erzeugen daher bei der Verbrennung große Mengen Kohlendioxid. Daher kann Wasserstoff als Kraftstoff eine vollständige CO2-Neutralität erreichen, was im Hinblick auf den „grünen Umweltschutz“ von großer Bedeutung ist und als die grüne Sekundärenergie mit dem größten Entwicklungspotenzial im 21. Jahrhundert gilt.

Nach Angaben der International Hydrogen Energy Commission wird Wasserstoffenergie bis 2050 18 % des weltweiten Endenergiebedarfs decken und einen Marktwert von mehr als 2,5 Billionen US-Dollar schaffen. All dies verdeutlicht die Bedeutung der Wasserstoffenergie.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Obwohl Wasserstoffenergie als Kraftstoff viele Vorteile bietet, sind ihre Entwicklung und Nutzung mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Die Entwicklung und Nutzung der Wasserstoffenergie kann in drei Schritte unterteilt werden: Produktion, Speicherung und Transport sowie Terminalnutzung. Die endgültige Nutzung von Wasserstoff kann nur erreicht werden, wenn alle Glieder gleichzeitig Fortschritte machen und ihre jeweiligen technischen Barrieren überwinden.

Teil 2

Wasserstoffproduktion: Bezieht sich „Grau-Blau-Grün“ auf die Farbe?

Obwohl Wasserstoff eine grüne Energie ist, ist der Prozess der Wasserstoffherstellung nicht völlig kohlenstofffrei. Wasserstoffenergie kann je nach Produktionsmethode in drei Arten unterteilt werden: grauer Wasserstoff, blauer Wasserstoff und grüner Wasserstoff.

Grauer Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (Öl, Erdgas, Kohle) hergestellt wird. Während des Produktionsprozesses wird Kohlendioxid freigesetzt. Die Produktionskosten für grauen Wasserstoff sind gering und die Technologie zur Wasserstoffherstellung ist relativ einfach. Derzeit handelt es sich beim größten Teil des Wasserstoffs auf dem Markt um grauen Wasserstoff, der heute etwa 95 % der weltweiten Wasserstoffproduktion ausmacht.

Blauer Wasserstoff ist aus Erdgas hergestellter Wasserstoff. Dabei werden zwar Treibhausgase erzeugt, doch werden Technologien wie die Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Kohlenstoffdioxid (CCUS) eingesetzt, um die Treibhausgase abzufangen und so eine Produktion mit geringen Kohlenstoffemissionen zu erreichen.

Grüner Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch erneuerbare Energien (Solarenergie, Windenergie, Kernenergie usw.) erzeugt wird, beispielsweise durch die Elektrolyse von Wasser mithilfe erneuerbarer Energien. Bei diesem Verfahren kommt es zu keinerlei Kohlenstoffemissionen, was auch das eigentliche Ziel der Wasserstoffproduktion ist. Aufgrund der derzeitigen technologischen Einschränkungen sind die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff jedoch relativ hoch und es wird noch einige Zeit dauern, bis er in großem Maßstab eingesetzt werden kann.

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Teil 3

Speicherung und Transport von Wasserstoff: eine technische Aufgabe

Wasserstoff ist brennbar und explosiv. Wenn seine Volumenkonzentration in der Luft zwischen 4,0 % und 75,6 % liegt, explodiert es beim Auftreffen auf eine Feuerquelle. Gleichzeitig ist Wasserstoff selbst hochaktiv und kann bei Stahl leicht eine „Wasserstoffversprödung“ verursachen, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und der Plastizität der Materialien der Lager- und Transportausrüstung führt und zu Rissen oder Beschädigungen führt. Der Transport von Wasserstoffenergie wird üblicherweise an die unterschiedlichen Wasserstoffspeicherzustände und Transportmengen angepasst. Es gibt drei Haupttransportmethoden: gasförmiger Wasserstoff, flüssiger Wasserstoff und fester Wasserstoff.

Unter der Prämisse der Gewährleistung der Sicherheit sind daher die Erhöhung der Wasserstoffspeicherkapazität, die Senkung der Kosten und die Verbesserung der Zugänglichkeit die wichtigsten Punkte der Speicher- und Transporttechnologie. Die Wasserstoffspeichertechnologie kann in zwei Kategorien unterteilt werden: physikalische Wasserstoffspeicherung und chemische Wasserstoffspeicherung.

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(1) Physikalische Wasserstoffspeicherung

Zur physikalischen Wasserstoffspeicherung gehören hauptsächlich die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck, die Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen, die Speicherung von Wasserstoff durch physikalische Adsorption und die unterirdische Speicherung von Wasserstoff.

Bei der Hochdruck-Gasspeicherung von Wasserstoff handelt es sich um den Prozess der Komprimierung und Speicherung von Wasserstoff in Hochdruckflaschen. Dieses Verfahren kann bei Raumtemperatur durchgeführt werden, verfügt über eine schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit für Wasserstoff und die Technologie ist relativ ausgereift.

Bei der kryogenen Speicherung von flüssigem Wasserstoff handelt es sich um den Prozess der Verflüssigung von Wasserstoff unter Bedingungen niedriger Temperatur und hohem Druck und seiner anschließenden Speicherung in einem Behälter, was den Vorteil einer geringen Speicherbehältergröße bietet. Allerdings erfordert dieses Verfahren, dass der Behälter ein isolierendes Vakuum mit niedriger Temperatur aufrechterhält, was auch für die Technologie eine erhebliche Herausforderung darstellt.

Bei der Adsorptionswasserstoffspeicherung handelt es sich um den Prozess der Speicherung von Wasserstoff in Materialien mit großen spezifischen Oberflächen durch physikalische Adsorption aufgrund intermolekularer Kräfte.

Im Vergleich zur herkömmlichen Wasserstoffspeicherung in Gasflaschen besteht die unterirdische Wasserstoffspeicherung darin, einen „Behälter“ in die unterirdische Salzschicht zu graben, um Wasserstoff zu speichern. In Kombination mit dem integrierten Wind-, Solar- und Speicherprojekt kann der unterirdische Raum voll ausgenutzt und Wasserstoff effektiv gespeichert werden.

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(2) Chemische Wasserstoffspeicherung

Bei der chemischen Wasserstoffspeicherung wird die Wasserstoffspeicherung dadurch erreicht, dass ein Speichermedium mit Wasserstoff zu einer stabilen Verbindung zusammengeführt wird. Bei der Verwendung von Wasserstoff wird die Verbindung durch Erhitzen oder andere Methoden zersetzt, um Wasserstoff freizusetzen, und gleichzeitig wird das Speichermedium zurückgewonnen.

Teil 4

Endnutzung von Wasserstoff: Die Verwendung in Batterien ist sehr effektiv

Nachdem wir nun über ausreichende Kenntnisse zur Herstellung und Speicherung von Wasserstoff verfügen, haben Wissenschaftler auch die Nutzung der Wasserstoffenergie auf die Tagesordnung gesetzt. Derzeit sind Wasserstoffbrennstoffzellen eine häufigere Endanwendung von Wasserstoffenergie. Bereits in den 1960er Jahren wurden Wasserstoff-Brennstoffzellen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Seit Beginn der 1970er Jahre werden Wasserstoffbrennstoffzellen mit dem technologischen Fortschritt und der kontinuierlichen Kostensenkung nach und nach in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in der Stromerzeugung, in Automobilen, Schiffen und Drohnen.

(Fotoquelle: Veer Gallery)

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Dass Wasserstoffenergie zur „protagonistischen“ Energiequelle bei den Olympischen Winterspielen wird, ist nicht nur eine Werbung und ein Zeichen für die gesamte Gesellschaft, sondern zeigt der Welt auch die Entschlossenheit und Fähigkeit meines Landes, seine Energiestruktur umzugestalten und seinen Verpflichtungen hinsichtlich des CO2-Peaks und der CO2-Neutralität nachzukommen. Der Weg zur Entwicklung der Wasserstoffenergie ist lang und beschwerlich, aber wenn wir weiter voranschreiten, werden wir es schaffen. Freuen wir uns gemeinsam auf den Tag der „Wasserstofffreiheit“.

Quellen:

[1] Chinesische Wasserstoff-Energieallianz. Handbuch der chinesischen Wasserstoffenergie- und Brennstoffzellenindustrie[R], 2021

[2] Chen, P., et al., Wechselwirkung von Wasserstoff mit Metallnitriden und -imiden. Nature, 2002, 420(6913), 302-304.

[3] Fu Pan. Forschung zum aktuellen Stand und den Schwierigkeiten der unterirdischen Wasserstoffspeichertechnologie[J]. China Mineral Salt, 2020, 51(6):5.

[4] Shao Zhigang, Yi Baolian. Aktueller Stand und Perspektiven von Wasserstoffenergie und Brennstoffzellen. Bulletin der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, 2019, 34(04), 469.

[5] Cheng Yibu, Analyse der Entwicklungstechnologie und des Trends von Wasserstoffbrennstoffzellen. Erdöl und Petrochemie: Grün und kohlenstoffarm, 2018, 3(02), 5.

[6] Wasserstoffspeichertechnologie: Materialien und Anwendungen, CRC Press, 2012

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Nuan Nuan (Dalian Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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