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Gewinnung

Wasser - der Zauberstoff

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Es gibt etwa 7 verschiedene große Techniken Wasserstoff aus Kohlenstoffverbindungen oder aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen, wobei verschiedene nochmal unterteilt werden könnten. Dies tun wir aber nicht, um die Einfachheit zu wahren. Wir unterscheiden hier zwischen älteren bzw. herkömmlichen Techniken, welche meist nicht sehr umweltfreundlich sind und neueren Techniken, welche teils noch nicht vollständig erforscht sind, aber sehr zukunftsorientiert und vielversprechend sind.

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1.Dampfreformierung (herkömmlich)

Dies ist ein altes und somit aus sehr ausgereiftes Verfahren, bei dem Kohlenwasserstoffe (Aromaten, Alkane, Alkene, Alkine) wie zum Beispiel Methan, Benzol oder Propen genutzt werden. Diese, meist Erdgase, werden natürlich auch für viele andere Energiegewinnungsprozesse genutzt. Der Prozess in zwei Phasen geteilt.

In der ersten Phase wird durch Pre-Reformatoren das langkettige Molekül unter Zugabe von Wasserdampf zu Methan, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid gespalten. Dies findet unter Temperaturen zwischen 450 und 500 °C und einem Druck von etwa 25 bar statt.

Im nächsten Schritt reagiert das entstandene Methan im Reformer bei ca. 850 °C und ebenfalls 25 bar mit Wasser an einem Nickelkatalysator erneut zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid.

Reaktionsformel (Methan): CH4 + H2O               CO + 3H, endotherm

Das Kohlenstoffmonoxid wird dann an einem Eisenoxydkatalysator noch zu Kohlenstoffdioxid, um die Umweltgefahren etwas einzudämmen. Anschließend das gesamte Gasgemisch mithilfe einer Laugen- oder Druckwechseladsorbtionswäsche gefiltert, sodass fast ausschließlich reiner Wasserstoff übrig bleibt.

Die partielle Oxidation ist ein ebenso ausgereiftes Verfahren wie die Dampfreformierung und nutzt ebenfalls Kohlenwasserstoffketten als Ausgangsstoff. Diese werden bei Temperaturen von 1200 °C bzw. unter Einsatz eines Katalysators (Reaktion beschleunigender Stoff) 800 - 900 °C mit Sauerstoff verbrannt. Dabei entsteht auch ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid/Kohlenstoffdioxid.

Die ersten beiden Verfahren werden in der Realität nahezu nie verwendet, sondern eine Kombination, welche optimale Ausnutzung der Energien verspricht. Dabei wird eine optimale Ausgewogenheit von Sauerstoff und Wasserstoff gewähhrleistet. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Entstehung von Wärme bei der partiellen Oxidation und der größere Wirkungsgrad der Dampfreformierung beide vereint sind.

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Bild 7: Elementsymbol Wasserstoff

Bild 8: Anlage zur Wasserstoffgewinnung

Bild 9: schematische Darstellung autotherme Reformierung

Die Wasserstoff lässt sich auch aus Biomasse (z.B. Bioabfälle, Gartenabfälle und Holzsägespäne) produzieren. Dies funktioniert mithilfe von Mikrobakterien, welche ihn natürlicherweise aus den Kohlenwasserstoffverbindungen gewinnen können. Normalerweise wird dieser von den Bakterien weiterverwendet, unter einer anaeroben (luftfremden) und Wasserstoffarmen Umgebung ist dieser letzte Schritt der Verdauung allerdings nicht möglich, sodass reiner Wasserstoff direkt abgesondert wird. Dieser muss nun nur noch aufgefangen werden.

Beim Thermochemischen Verfahren wird Wasser auf 1700°C erhitzt, sodass er aufgrund der hohen Energiezufuhr von alleine in seine Bestandteile gespalten wird. Es entsteht Wasserstoff sowie Sauerstoff, jedoch ist es sehr energieintensiv und die nötigen Stoffe für eine geeignete Umgebung existieren noch nicht.

Genau wie bei der Thermochemischen Erzeugung wird Energie zugeführt, bis Wasser sich spaltet. Jedoch geschieht dies in diesem Verfahren durch die Konzentration von Solarstrahlung auf einen Katalysator, welche die Energie aufnimmt und weitergibt. Da hierbei auf die Verwendung eines natürlich vorkommenden Stoffes gesetzt wird, entstehen deutlich weniger Kosten.

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Bild 10

Bild 11: kunstliche Photochemie 

6. Photochemisches Verfahren

4. Biomasse/Photokatalyse

3. autotherme Reformierung (herkömmlich)

7. Elektrolyse

Bild 12: Elektrolyse

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Die Elektrolyse stellt das genaue Gegenteil einer Brennstoffzelle dar. Elektrische Energie (Strom) wird Wasser zugeführt und löst die Verbindung aus Wasser- und Sauerstoff auf. Dabei verwandeln sich diese in ihre Ionen zurück und gehen eine Verbindung mit sich selbst ein, reine Elemente gehen hervor.

5. Thermochemisches Verfahren

2. partielle Oxidation (herkömmlich)

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