{"id":5327,"date":"2022-06-15T12:40:26","date_gmt":"2022-06-15T10:40:26","guid":{"rendered":"https:\/\/kluthe.com\/magazin\/?p=5327"},"modified":"2025-08-28T17:04:48","modified_gmt":"2025-08-28T15:04:48","slug":"die-zukunft-von-wasserstoff-in-der-industrie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/kluthe.com\/magazin\/die-zukunft-von-wasserstoff-in-der-industrie\/","title":{"rendered":"Die Zukunft von Wasserstoff in der Industrie"},"content":{"rendered":"

\u00ab \u00dcber Herausforderungen und Chancen der Herstellung von Brennstoffzellen \u00bb<\/h2>\n

Als Lieferant von W\u00e4rme- und Antriebsenergie wird Wasserstoff f\u00fcr die Industrie und den Verkehr in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen. Allerdings verlangt der Umgang mit diesem Element viel Sorgfalt. Es hat einen guten Grund, dass sein Gemisch mit Luft „Knallgas“ hei\u00dft. Und das ist nicht die einzige Herausforderung, die zu meistern ist, wenn die klimaneutrale Energiequelle sprudeln soll. Lesen Sie hier, wie Brennstoffzellen die Energie des Wasserstoffs kontrolliert freisetzen, welche Randbedingungen daf\u00fcr gelten und wie die Chemieindustrie die Umstellung der Energieversorgung unterst\u00fctzt und selbst nutzt.<\/strong><\/p>\n

Die Funktion von Brennstoffzellen<\/h2>\n

Der Wasserstoff, der Sauerstoff und die Elektronen<\/h3>\n

F\u00fcr die Nutzung von Wasserstoff als Energielieferant f\u00fcr die Industrie ist ausschlaggebend, dass Sauerstoff ein gro\u00dfes Verlangen danach hat, seine Atomh\u00fclle mit Elektronen aufzuf\u00fcllen. Darum verbindet er sich gerne mit Wasserstoffatomen, die ihm seine Elektronen zur gemeinsamen Nutzung \u00fcberlassen. Dabei entsteht Wasser. Bei einer r\u00e4umlichen Trennung von Sauerstoff- und Wasserstoffatomen, die durch elektrisch leitf\u00e4hige Stoffe \u00fcberbr\u00fcckt wird, zieht der Sauerstoff Elektronen des Wasserstoffs zu sich hin. Elektronen, die durch einen Draht wandern sind elektrischer Strom, genauer gesagt Gleichstrom. Der flie\u00dft, solange in einem geschlossenen Stromkreis unterschiedliche elektrische Spannungen herrschen.<\/p>\n

\"Elektrolyse,
\u00a9 natros – stock.adobe.com<\/figcaption><\/figure>\n

Prinzipieller Aufbau von Brennstoffzellen<\/h3>\n

Eine Brennstoffzelle ist ein Stromkreis, in dem zwei Elektroden mit einem Elektrolyten in Kontakt sind, der Ionen leitet. Ionen entstehen, wenn Wasserstoffatome Elektronen verlieren und Sauerstoffatome welche aufnehmen. Damit die Elektronen wirklich au\u00dfen durch den Draht wandern und die Ionen nicht gleich miteinander reagieren, sind die Elektroden durch eine Membran voneinander getrennt. Die Membran l\u00e4sst nur Wasserstoffionen passieren. Dadurch schlie\u00dft sich der Stromkreis im Inneren der Brennstoffzelle.<\/p>\n

\"Wasserstoff
\u00a9 luchschenF – stock.adobe.com<\/figcaption><\/figure>\n

Erzeugung von Gleichstrom und W\u00e4rmeenergie<\/h3>\n

Liefert man der einen Elektrode nun kontinuierlich Wasserstoff und der anderen Sauerstoff, setzt bei einem auch au\u00dfen geschlossenen Stromkreis folgender Prozess ein: Die Wasserstoffatome geben ihre Elektronen an ihre Elektrode ab. Diese Elektrode ist die Anode. Chemisch gesehen ist die Abgabe von Elektronen eine Oxidation. Die Elektronen flie\u00dfen au\u00dfen \u00fcber einen Verbraucher zur anderen Elektrode, der Kathode, wo sie der Sauerstoff aufnimmt. Chemisch gesehen ist die Aufnahme von Elektronen eine Reduktion. Inzwischen wandern die Wasserstoffionen durch die Membran in Richtung Kathode. Dort treffen sie auf die Sauerstoffionen, mit denen sie sich zu Wassermolek\u00fclen zusammenschlie\u00dfen. Dabei wird W\u00e4rmeenergie freigesetzt. Auf diese Weise liefert Wasserstoff der Industrie gleichzeitig W\u00e4rme und Elektroenergie. Die Bauart der Brennstoffzelle entscheidet dar\u00fcber, welche Energieart \u00fcberwiegt und f\u00fcr welchen Eisatzzweck sie am besten geeignet ist.<\/p>\n

Brennstoffzellensysteme<\/h3>\n

Eine Brennstoffzelle liefert eine elektrische Spannung von ca. 1 Volt. Um die ben\u00f6tigte Spannung f\u00fcr den jeweiligen Anwendungsfall zu erreichen werden mehrere Zellen zu einem Paket in Reihe geschaltet. Diese Pakete werden als Stacks bezeichnet. Zusammen mit einem Kathodenmodul f\u00fcr die Zufuhr von Luft, einem Anodenmodul f\u00fcr die Wasserstoffzufuhr, einem K\u00fchlsystem und einem Steuerger\u00e4t sind die Stacks in einem Rahmen untergebracht. Brennstoffzellensysteme existieren in verschiedenen Bauarten und Gr\u00f6\u00dfen f\u00fcr den station\u00e4ren und mobilen Betrieb. Die Industrie allgemein, die Chemieindustrie und zunehmend auch die Oberfl\u00e4chentechnik setzen station\u00e4re Systeme f\u00fcr die Gewinnung von Elektro- und W\u00e4rmeenergie ein. Mobile Systeme eignen sich f\u00fcr den Einsatz in Fahrzeugen, Schiffen oder elektrischen Ger\u00e4ten.<\/p>\n

\"Die
Von Dr. Artur Braun (Arturbraun) – Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=76318330<\/figcaption><\/figure>\n

Bauarten und Nutzung von Brennstoffzellen<\/h2>\n

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in der Bauweise unterscheiden und f\u00fcr unterschiedliche Anwendungen konzipiert wurden.<\/p>\n

Polymermembran-Brennstoffzelle<\/h3>\n

Kernst\u00fcck der Polymermembran-Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschermembran, die als Elektrolyt dient und beidseitig mit einem Katalysator beschichtet ist. An die Katalysatoren schlie\u00dfen sich Gasdiffusionsschichten an, die jeweils Wasser- und Sauerstoff gleichm\u00e4\u00dfig auf die Katalysatoren verteilen. Die Zufuhr der Gase, das Ausschleusen des Wassers und die Ableitung der W\u00e4rme erfolgen \u00fcber Bipolarhalbplatten, die den \u00e4u\u00dferen Abschluss der Brennstoffzelle bilden und auch den Strom fortleiten. Die Bipolarhalbplatten sind zwei Seiten einer Bipolarplatte, die die Zellen im Stack voneinander trennt.<\/p>\n

Die Polymermembran-Brennstoffzellen gibt es in einer Niedertemperatur- (Betriebstemperatur 10 bis 100 \u00b0C) und einer Hochtemperaturausf\u00fchrung (Betriebstemperatur 120 bis 200\u00b0C). Die Einsatzbereiche sind \u00e4u\u00dferst vielf\u00e4ltig. Das macht diese Bauart f\u00fcr die Entwicklung einer Serienherstellung interessant. Mit Niedertemperaturbrennstoffzellen lassen sich zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Schiffe und Schienenfahrzeuge antreiben oder die Notstromversorgung f\u00fcr kritische Bereiche in der Industrie, in Rechenzentren und in Krankenh\u00e4usern realisieren. Hochtemperaturbrennstoffzellen eigen sich vor allem f\u00fcr den Einsatz in Blockheizkraftwerken.<\/p>\n

\"Wasserstoff
\u00a9 hopsalka – stock.adobe.com<\/figcaption><\/figure>\n

Alkalische Brennstoffzelle<\/h3>\n

Alkalische Brennstoffzellen nutzen als Elektrolyt Kalilauge. Im Unterschied zu den anderen Systemen wandern hier negativ geladene Hydroxidionen aus einem Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom zur Anode und verbinden sich dort mit dem Wasserstoff zu Wasser. Dier Brennstoffzellentyp wurde zuerst in U-Booten eingesetzt und spielte eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung in der Raumfahrt.<\/p>\n

\"Schema
By Created by Darryl Ring, Vectorization: Chabacano – Image:Alkalinecell.png, CC BY-SA 3.0, https:\/\/commons.wikimedia.org\/w\/index.php?curid=1645856<\/figcaption><\/figure>\n

Phosphors\u00e4ure-Brennstoffzelle<\/h3>\n

Der Elektrolyt in einer Phosphors\u00e4ure-Brennstoffzelle ist Phosphors\u00e4ure, die in einer Struktur aus PTFE-Fasern fixiert und in eine Matrix aus Siliziumcarbid eingepresst ist. Eine Weiterentwicklung dieser Bauart ist die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, in der feste Salze der Phosphors\u00e4ure als Elektrolyt dienen. Einsatzgebiete sind haupts\u00e4chlich Heizkraftwerke f\u00fcr die station\u00e4re Energieversorgung von Anlagen der Industrie, Wohnsiedlungen oder \u00f6ffentlichen Einrichtungen.<\/p>\n

Hochtemperaturbrennstoffzellen f\u00fcr die W\u00e4rmegewinnung<\/h3>\n

F\u00fcr die Erzeugung von W\u00e4rmeenergie werden Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt, die in Temperaturbereichen von 500 \u00b0C bis 1000 \u00b0C arbeiten. Dazu z\u00e4hlen zum Beispiel die alkalische Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle und die Festoxid-Brennstoffzelle. Die Namen leiten sich – wie auch bei den anderen Bauarten – aus den verwendeten Elektrolyten ab. Als Brennstoff dient ein Gemisch aus Wasserstoff, Methan und Kohlenstoffmonoxid. Der Einsatz erfolgt vor allem f\u00fcr die Dampferzeugung in Kraftwerken, in der Chemieindustrie und bietet sich auch f\u00fcr die Oberfl\u00e4chentechnik an.<\/p>\n

Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff f\u00fcr die Industrie<\/h2>\n

Auch wenn sich technisch einiges getan hat, so bestehen noch immer einige Herausforderungen, um Wasserstoff in der Industrie zu nutzen.<\/p>\n

Wasserstoffnutzung im Industrie-, Energie- und Mobilit\u00e4tssektor<\/h2>\n

Wasserstoff entwickelt sich zunehmend zu einem Schl\u00fcsselrohstoff f\u00fcr Industrie, Energieversorgung und Mobilit\u00e4t. Sein Einsatz bietet die Chance, fossile Energietr\u00e4ger zu ersetzen und CO\u2082-Emissionen drastisch zu senken. Besonders in Bereichen, in denen Elektrifizierung allein nicht ausreicht, gewinnt die Technologie an Bedeutung. Dies unterstreicht neuerdings der Artikel Wasserstoffnutzung im Industrie-, Energie- und Mobilit\u00e4tssektorm des Fraunhofer-Instituts<\/a> f\u00fcr Keramische Technologien und Systeme IKTS.<\/p>\n

\"Wasserstofftank
\u00a9 scharfsinn86 – stock.adobe.com<\/figcaption><\/figure>\n

Klimaschutz und Industrieprozesse<\/h3>\n

Ein erheblicher Teil der industriellen Emissionen entsteht durch komplexe Prozesse wie die Stahl- oder Ammoniakproduktion. Mit wasserstoffbasierten Direktreduktionsverfahren l\u00e4sst sich die klassische Hochofentechnologie so umstellen, dass anstelle von Koks Wasserstoff als Reduktionsmittel eingesetzt wird. Dadurch k\u00f6nnen die CO\u2082-Emissionen in der Stahlherstellung um \u00fcber 90 Prozent gesenkt werden. Auch bei der Ammoniaksynthese, einem zentralen Verfahren zur D\u00fcngemittelproduktion, er\u00f6ffnet Wasserstoff neue Wege. Hier ersetzt er den bislang meist aus Erdgas reformierten Wasserstoff und erm\u00f6glicht eine klimaneutrale Wertsch\u00f6pfungskette. Voraussetzung daf\u00fcr sind gro\u00dfskalige Elektrolyseanlagen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden.<\/p>\n

Wasserstoff als Energietr\u00e4ger und Speicher<\/h3>\n

Neben der direkten Nutzung in industriellen Prozessen eignet sich Wasserstoff auch als chemischer Energiespeicher. Durch Speicherung in Drucktanks oder unterirdischen Kavernen kann er flexibel verf\u00fcgbar gemacht werden. Bei Bedarf l\u00e4sst er sich \u00fcber Turbinen oder hocheffiziente Brennstoffzellen r\u00fcckverstromen. Auf diese Weise tr\u00e4gt Wasserstoff zur Netzstabilit\u00e4t bei und schafft zus\u00e4tzliche Versorgungssicherheit in Zeiten mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Auch in industriellen Feuerungsanlagen, etwa in der Zement- oder Kalkherstellung, kann Wasserstoff fossile Brennstoffe ersetzen und so die Emissionsbilanz verbessern.<\/p>\n

Mobilit\u00e4t und Verkehr<\/h3>\n

Im Verkehrssektor erweist sich Wasserstoff vor allem bei Anwendungen als vorteilhaft, bei denen Batterien an ihre Grenzen sto\u00dfen. Dazu z\u00e4hlen Z\u00fcge, schwere Lkw und perspektivisch auch der Flugverkehr. Moderne Drucktanks aus faserverst\u00e4rkten Kunststoffen erm\u00f6glichen die sichere Speicherung. Erg\u00e4nzend kommen \u00dcberwachungssysteme zum Einsatz, die die Struktur der Tanks kontinuierlich pr\u00fcfen und so Sicherheit und Langlebigkeit gew\u00e4hrleisten. Auch synthetische Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis, etwa f\u00fcr die Luftfahrt, gewinnen zunehmend an Bedeutung und er\u00f6ffnen neue Optionen f\u00fcr eine klimaneutrale Mobilit\u00e4t.<\/p>\n

Die Beispiele verdeutlichen: Wasserstoff kann in Industrie, Energie und Mobilit\u00e4t gleicherma\u00dfen eingesetzt werden. Entscheidend f\u00fcr die Zukunft sind Skalierung, sinkende Produktionskosten und eine zuverl\u00e4ssige Infrastruktur, die den gro\u00dffl\u00e4chigen Einsatz unterst\u00fctzt.<\/p>\n

Energieverbrauch bei der Wasserstofferzeugung<\/h3>\n

In der Natur trifft man Wasserstoff praktisch nur als Bestandteil chemischer Verbindungen an. F\u00fcr die Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle oder als Rohstoff in der Chemieindustrie muss man ihn aus einer Verbindung isolieren. Daf\u00fcr bieten sich Wasser und organische Verbindungen an, die in der Natur verf\u00fcgbar sind. Diese Stoffe lassen sich nur durch einen entsprechenden Aufwand an Energie trennen. Leider \u00fcbersteigt dieser Aufwand den Betrag an Energie, der sich sp\u00e4ter wieder gewinnen l\u00e4sst. Deshalb ist Wasserstoff f\u00fcr Industrie und Verkehr nur dann klimaneutral, wenn gen\u00fcgend elektrischer Strom aus Wasserkraft, Wind und Sonne f\u00fcr die Wasserstoffproduktion zur Verf\u00fcgung steht.<\/p>\n

\"Wasser
\u00a9 samopauser – stock.adobe.com<\/figcaption><\/figure>\n

Wasserstoffspeicherung<\/h3>\n

F\u00fcr die Nutzung von Brennstoffzellen ist ein entsprechender Wasserstoffvorrat erforderlich. Die Speicherung ist in geeigneten Beh\u00e4ltern m\u00f6glich. Wasserstoffgas hat eine geringe Dichte. Bei 0 \u00b0C und Normaldruck nimmt 1 kg dieses Gases ein Volumen von etwas mehr als 11 m\u00b3 ein. Durch hohe Dr\u00fccke (teilweise bis zu 1.000bar) l\u00e4sst sich das Volumen verringern. Allerdings erfordert das einen entsprechenden Energieaufwand und Material f\u00fcr die Beh\u00e4lter, das den hohen Belastungen standh\u00e4lt. Noch weniger Raum beansprucht verfl\u00fcssigtes Gas. Da die Siedetemperatur nur wenig \u00fcber dem absoluten Nullpunkt liegt (-252,7 \u00b0C) ist f\u00fcr die K\u00fchlung der Einsatz gro\u00dfer Energiemengen erforderlich. Eine Alternative ist die Speicherung in Metallhydridspeichern. Dabei verbindet sich das Gas mit Metallen wie beispielsweise Magnesium, Lithium, oder Legierungen dieser Metalle. Durch die Zufuhr von W\u00e4rme wird es wieder freigesetzt.<\/p>\n

Besondere Eigenschaften des Wasserstoffs<\/h2>\n

Wasserstoff ist das leichteste chemische Element, das auf unserer Erde vorkommt. Seine Atome bestehen lediglich aus einem Proton und einem Elektron. Daraus resultieren Eigenschaften, die beim Umgang mit diesem Gas ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen:<\/p>\n