Zahlreiche Anwendungen Grüner Wasserstoff wird in erster Linie als saubere Energiequelle für Verkehr, Industrie und Stromerzeugung genutzt. Er ist eine erneuerbare Alternative zu fossilen Kraftstoffen und trägt zur Verringerung der Treibhausgasemissionen und zur Eindämmung des Klimawandels bei. Daneben kann er auch für die Energiespeicherung und den Netzausgleich genutzt werden und trägt so zur Integration erneuerbarer Energiequellen bei. Auch für Anwendungen in Bereichen, in denen Hochtemperaturwärme benötigt wird, ist er geeignet. Die Farben des Wasserstoffs • Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen hergestellt, in der Regel durch ein Verfahren namens DampfMethan-Reformierung (Steam Methane Reforming, SMR): Durch die Reaktion von Methan mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen entsteht Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Es ist die heute am häufigsten hergestellte Form von Wasserstoff, die jedoch mit erheblichen Treibhausgasemissionen verbunden ist. • Blauer Wasserstoff wird ebenfalls aus Erdgas hergestellt, allerdings mit dem zusätzlichen Schritt der CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon capture and storage, CCS) zur Verringerung der Treibhausgasemissionen. • Türkiser Wasserstoff wird durch Methanpyrolyse hergestellt, ein Verfahren, bei dem Methan ohne CO2-Emissionen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten wird. • Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen hergestellt. Durch Elektrolyse werden Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei der gewonnene Wasserstoff als saubere Energiequelle dient. Seine Herstellung ist ganz emissionsfrei. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist ein hochaktuelles Thema, mit dem viele allerdings noch nicht vertraut sind. Als Lehrender im technischen Bereich mit den Schwerpunkten Prozessautomation, Instrumentierung und Prozesssteuerung ist es von entscheidender Bedeutung, die wachsende Bedeutung der grünen Wasserstofftechnologie für nachhaltige Energiesysteme zu begreifen. Gehen wir auf einige grundlegende Aspekte ein. Grünes Ammoniak Ammoniak ist eine vielseitige Verbindung, die in erster Linie bei der Herstellung von Düngemitteln, aber auch in industriellen Prozessen, bei der chemischen Synthese und vielem mehr verwendet wird. Grünes Ammoniak wird mit grünem Wasserstoff als primärem Ausgangsstoff hergestellt. Dies wird in der Regel durch das Haber-BoschVerfahren erreicht, bei dem Wasserstoff mit Stickstoff reagiert, der aus der Luft oder aus stickstoffreichen Quellen wie Biogas oder Kläranlagen gewonnen wird. Elektrolyse-Technologien Die Elektrolyse ist ein grundlegendes Verfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Derzeit gibt es drei Haupttechnologien: • Alkalische Elektrolyse: Verwendet eine alkalische Elektrolytlösung (z. B. KOH oder NaOH), um Wasser unter Verwendung von Gleichstrom in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Handelsüblich seit Jahrzehnten, bekannt für ihre Zuverlässigkeit und Kostengünstigkeit. Der Betrieb erfolgt bei höheren Temperaturen und Drücken, was sich auf die Energieeffizienz auswirkt und ein zusätzliches Wärmemanagement erfordert. • PEM-Elektrolyse: Verwendet eine Festpolymerelektrolytmembran, (z. B. Nafion), um Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Bietet hohe Effizienz, schnelle Reaktionszeiten und niedrigere Betriebstemperaturen und -drücke. • Festoxid-Elektrolyseurzellen (SOEC): Sie arbeiten bei hohen Temperaturen (700 … 900 °C) und verwenden einen Festoxid- oder Keramikelektrolyten, um Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Bietet einen hohen Wirkungsgrad und Potenzial für die CoElektrolyse von Dampf und Kohlendioxid. Wasserintensiver Prozess Bei der Elektrolyse wird zwar Wasser als Ausgangsstoff verwendet, der tatsächliche Wasserverbrauch hängt jedoch von mehreren Faktoren ab. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse-Technologie spielt eine wichtige Rolle. Der Wasserverbrauch hängt von der Reinheit des erzeugten Wasserstoffs ab, da unter Umständen zusätzliches Wasser zur Reinigung benötigt wird, um bestimmte Qualitätsstandards zu erfüllen. Auch die verwendete Wasserquelle wirkt sich auf den Verbrauch aus, wobei Süßwasserquellen im Vergleich zu alternativen Quellen wie Meerwasser oder Abwasser ökologisch bedenklich sind. Instrumentierung für die Wasserstoffproduktion Mit der Instrumentierung werden wichtige Prozessvariablen gemessen und überwacht, was für einen effizienten Betrieb und Sicherheit sorgt: • Drucktransmitter für verschiedene Komponenten des Produktionssystems, Durchflussmessgeräte (für Gase und Flüssigkeiten) und Sensoren zur Überwachung von pH-Wert, Temperatur, Druck, Gasreinheit und Füllstand. • Verschiedene elektrische Instrumente, darunter Voltmeter, Amperemeter und Leistungsmesser, messen elektrische Parameter wie Spannung, Stromstärke, Stromverbrauch und elektrischen Wirkungsgrad in Elektrolysesystemen. • Sicherheitsinstrumente wie Gasdetektoren, Flammensensoren und Druckbegrenzungsventile erkennen und entschärfen potenzielle Sicherheitsrisiken wie Gaslecks, Verbrennungsrisiken und Überdrucksituationen. Die Wasserstoffproduktion bietet interdisziplinäre Einblicke in die Bereiche Energie, Nachhaltigkeit, Technologie, Wirtschaft und Politik. 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