Die Welt steht vor der Herausforderung des Energiebedarfs – Ausgleich von Angebot und Nachfrage, Kosten und Umweltauswirkungen – und eine mögliche Lösung für dieses Problem ist Wasserstoff.
Wasserstoff ist als Kraftstoffquelle für Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und als Alternative zur Erdgasheizung vielversprechend. Der einzige Rest seiner Verbrennung ist Wasser, und es gibt mehrere Möglichkeiten, das Gas ohne die Gefahr von Kohlenstoffemissionen zu erzeugen.
Reines Wasserstoffgas ist jedoch kostspielig in der nachhaltigen Herstellung und noch teurer in der Lagerung und im Transport im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Energieforscher haben versucht, die besten Wege zur Beschaffung von Wasserstoff sowie die praktischsten Methoden für seinen Transport zu finden, damit er ein echter Konkurrent von Erdgas oder Petrochemikalien ist. Es gibt ein paar Möglichkeiten, dieses Problem anzugehen, mehr dazu weiter unten.
Bei all seinen Verwendungen hat reiner zweiatomiger Wasserstoff Einschränkungen, die ihn daran hindern, in größerem Maßstab praktikabel zu sein. Die Produktion von Wasserstoffkraftstoff ist nicht unbedingt frei von Treibhausgasen, und es gibt sowohl nachhaltige als auch nicht nachhaltige Herstellungsmethoden welche berücksichtigt werden müssen. Am vielversprechendsten ist derzeit die elektrolytische Spaltung von Wasser (unter Nutzung erneuerbarer Energien), bei der als Ergebnis Wasserstoff- und Sauerstoffgase entstehen.
Mit dem gelösten Produktionsproblem stellt sich das Problem der Effizienz – bei Umgebungsdruck und -temperatur gibt es einfach nicht genug Energie pro Volumeneinheit Wasserstoffgas, um eine vergleichbare Maßnahme gegenüber fossilen Brennstoffen bereitzustellen. Die Energiedichte von Wasserstoffgas pro Kilogramm ist fast dreimal so hoch wie herkömmliche Kraftstoffe, jedoch die realistische Energiekapazität pro Liter ist um Größenordnungen kleiner.
Während das Wasserstoffgas unter hohem Druck komprimiert werden kann, erfordert dies eine spezielle Ausrüstung sowie noch mehr Energie und kann immer noch nur etwa 5 % Wasserstoff pro Gewichtseinheit erreichen (wobei die restlichen 95 % das Gewicht des Druckbehälters sind). ). Dasselbe gilt für verflüssigten Wasserstoff, der eine Temperatur von –253 °C oder kälter erfordert, was Kühlgeräte und zusätzliche Energie erfordert.
Die beste Lösung für die effiziente Nutzung und den Transport von Wasserstoff, die Wissenschaftler gefunden haben, ist eigentlich gar nicht reiner Wasserstoff. Es gibt Alternativen, die viel Potenzial haben – nämlich chemische Speicherung und physische Speicherung.
Bei der chemischen Speicherung werden die Wasserstoffatome durch chemische Bindungen in Molekülen gespeichert, nur um nach einer chemischen Reaktion freigesetzt zu werden. Es gibt viele mögliche Optionen für chemische Wasserstoffträger wie Metallhydride oder organische Moleküle (zB Alkohole, Kohlenhydrate).
Um am effektivsten zu sein, sollte ein Material eine Wasserstoffkapazität von mindestens 7 Gew.-% und eine Arbeitstemperatur zwischen 0 und 100 °C aufweisen. Viele Metallhydride benötigen eine Temperatur von mindestens 200°C, um Wasserstoff freizusetzen. Organische Kohlenwasserstoffe befinden sich in einer ähnlichen Position, mit dem zusätzlichen Nachteil, dass sie CO emittieren2 als Reaktionsprodukt.
Durch physikalische Speichermöglichkeiten kann Wasserstoff in weitaus größeren Mengen an der Oberfläche eines Materials adsorbiert werden, als das darin enthaltene Gas zurückzulassen. Am gebräuchlichsten sind hochporöse schwammartige Materialien wie Aktivkohle oder metallorganische Gerüste (MOFs). Es wurde festgestellt, dass ein im Jahr 2020 berichtetes MOF eine hervorragende Wasserstoffkapazität von 14 Gew.-% erreicht. Die Einschränkung vieler MOFs besteht jedoch darin, dass sie bei sehr niedrigen Temperaturen (viele um –200 °C) am besten adsorbieren und mit steigender Temperatur an Wirksamkeit verlieren.
Ammoniak hat sich als wichtiger Bestandteil von Düngemitteln bereits einen Namen gemacht, mit einer weltweiten Jahresproduktion von über 200 Millionen Tonnen im Jahr 2021. Auch als Methode zur chemischen Wasserstoffspeicherung hat es Inspiration geweckt.
Die derzeitige Methode zur Herstellung von Ammoniak ist nicht umweltfreundlich – das Haber-Verfahren beinhaltet die Reaktion von Stickstoffgas und Wasserstoffgas bei hohen Temperaturen und Drücken, wobei der betreffende Wasserstoff meistens aus fossilen Brennstoffen stammt. Energiewissenschaftler machen jedoch Fortschritte bei alternativen Produktionsmethoden wie Brennstoffzellen und Membranreaktoren, die Ammoniak einen umweltfreundlicheren Fußabdruck für Kraftstoffe, Düngemittel und mehr verleihen können.
Ammoniak ist ein anorganisches Molekül, das aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen besteht. Diese Wasserstoffdichte macht es zu einem attraktiven chemischen Wasserstoffträger für Energiezwecke als Alternative zum Transport von reinem flüssigem Wasserstoff. Anstatt Temperaturen unter –253 °C zu erfordern, ist Ammoniak bei nur –77 °C bei atmosphärischem Druck oder bis zu –10 °C bei etwas höherem Druck flüssig. Darüber hinaus enthält Ammoniak keinen Kohlenstoff und hat daher ein großes Potenzial als COXNUMX-neutrale Kraftstoffquelle. Es kann in einer Umkehrbrennstoffzelle in Wasserstoff- und Stickstoffgas gespalten werden, wo zweiatomiger Stickstoff einfach wieder in die Atmosphäre eintreten kann, ohne die Umwelt zu schädigen.
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