Ausbau der Wasserstoffwirtschaft

Entwicklung und Zukunftsperspektiven

Kurt Olzog

• Publisher: Books on Demand
• Year: 2020
• Print ISBN:
  9783740768522
• Edition: 1
• eBook ISBN:
  9783740777111
• Topic: Politics & International Relations
• Subtopic: Political Freedom
• Index: Politics & International Relations

Die Werke des Autors "Energiewende im Klimawandel", "Der Mond - Rohstoffquelle und Weltraumbasis", "Globalisierung der Politik - Geschichte und Zukunftsperspektiven", "Bevölkerungsexplosion und Ressourcenverbrauch" und "Gletscherschmelze und Meeresspiegel" sind inzwischen herausgekommen, das erste in mehreren Sprachen. Nun nimmt der Autor sich des Themas "Ausbau der Wasserstoffwirtschaft" an und beleuchtet die Entwicklung der Wasserstoffgewinnung und -Nutzung. Zukünftig kann Wasserstoff die fossilen Rohstoffe völlig ersetzen.

1. Das Element Wasserstoff

Mit der Entdeckung Amerikas setzte eine beispiellose Erkundung der Erdkugel ein. Die Astronomie gewann sprunghaft an Anhängern, und die Denkweise von Menschen veränderte sich in einer Weise, dass das Metaphysische, das Übernatürliche, zu Fragen nach dem Natürlichen, dem Physischen anspornte. Man forschte nach der Zusammensetzung von Erde, Luft und Wasser, das Phänomen Feuer wurde untersucht, und allmählich bildete sich eine naturwissenschaftlich interessierte Gemeinschaft von Leuten, beginnend mit Europa, die ihre Erkenntnisse weitergaben und so Wissen und Überlegungen verbreiteten. Es entstand eine Philosophie der Aufklärung.

Es wurden nun Fragen gestellt, welche Elemente zusammenwirkten, um auf der kugeligen Erde leben zu können. Wie setzt sich die Luft zum Atmen zusammen, woraus besteht das Wasser, das wir täglich trinken und das manchmal auch Übelkeit bereiten kann? Die Alchemie überlegte, wie sich Gold herstellen ließe. Es brauchte viel Zeit, um herauszufinden, woraus die Materie besteht und welche Reaktionen zwischen den Elementen der Materie möglich sind. Immerhin wissen wir heute, dass die Erdkugel zu 71 % von Wasser bedeckt ist. Ein Teil des Wassers ist an den Erdpolen zu riesigen Eisschilden gefroren. Auf höheren Gebirgen haben sich Gletscher aus gefrorenem Wasser gebildet. Mittlerweile schmelzen Gletscher und Eisschilde zunehmend, und wir fragen uns zu Recht, woher das wohl kommt und was wir dagegen tun können. In dem Buch „Gletscherschmelze und Meeresspiegel“ bin ich auf diese Zusammenhänge näher eingegangen, so dass ich mir momentan weitere Details erspare.¹

Im Verlauf der letzten zweihundert Jahre haben wir zudem immer mehr Elemente kennen gelernt, aus denen die Materie besteht. Das leichteste Element, das wir kennen, ist der Wasserstoff, der im chemischen Periodensystem an erster Stelle steht. Das chemische Periodensystem enthält inzwischen 118 Elemente, die sich in der Anzahl der Protonen im Atomkern unterscheiden. Das Wasserstoffatom enthält nur ein Proton in seinem Kern, der umkreist wird von einem Elektron. Schwerere Elemente werden in der Regel von so vielen Elektronen umkreist, wie Protonen im Kern enthalten sind. Elektronen und Protonen sind elektrisch unterschiedlich geladen, so dass sie sich anziehen. Die positiv geladenen Protonen stoßen sich gegenseitig ab. Deshalb brauchen größere Kerne Neutronen als Puffer zwischen den Protonen. Vollständige Atome sind nach außen elektrisch neutral. Sobald ihnen Elektronen abhanden kommen, werden sie nach außen hin elektrisch positiv wirksam und dann als Ionen bezeichnet. In der Natur geschieht das zum Beispiel durch Reibung feuchter Luftmassen in Gewittern. Für den anschließenden Ladungsausgleich sorgen Blitze.

Auf der folgenden Seite sind die chemischen Elemente schematisch dargestellt.²

Die Elemente 117 TS (Tenness) und 118 Og (Oganesson) fehlen hier noch. Ein Vergleich mit dem Buch „Komisch, alles chemisch!“ von Dr. Mai Thi Nguyen-Kim lohnt sich.³

Der Wasserstoff (Hydrogenium), das bei weitem häufigste chemische Element im Weltall, kommt auf der Erde fast nur in gebundener Form vor. Am besten bekannt ist seine Verbindung mit Sauerstoff (Oxygenium) mit der chemischen Kurzformel H₂O.

Durch Versuche hat man festgestellt, dass sich molekularer Wasserstoff H₂ recht träge verhält. Nur mit Fluor reagiert er bereits bei tieferen Temperaturen explosionsartig zu Fluorwasserstoff (HF). Unter energiereicher Strahlung reagiert H₂ auch mit Chlor zu HCl, auch als Chlorknallgas bekannt. Mit Sauerstoff reagiert H₂ explosionsartig zu Wasser (Knallgas). Dazu genügt ein Funke.

Der Anteil von Wasserstoff an der Zusammensetzung der Erdkruste beträgt 0,88 %, und zwar in gebundener Form als Wasser und von organischen Verbindungen (z. B. Kohlenwasserstoffe). Atomarer Wasserstoff H reagiert jedoch stärker mit anderen Elementen als H₂, so dass man ihn ungebunden in der Natur nicht findet, er bildet zumindest mit einem weiteren Wasserstoffatom H₂. Man kennt drei Isotope von Wasserstoff. Stabil sind zwei Isotope: ¹H, leichter Wasserstoff, auch Protium genannt, Anteil an natürlichem Wasserstoff 99,985 %, außerdem ²H, schwerer Wasserstoff, auch Deuterium genannt, mit einem Anteil von 0,015 %. Schließlich ist das radioaktive Tritium ³H bekannt, der überschwere Wasserstoff, der neben dem Proton noch zwei Neutronen im Kern enthält, bis er zerfällt.⁴

Das Zerfallsergebnis ist ein Helium-Isotop, das durch Aussendung eines Elektrons entsteht. Tritium wird gerne als Radioindikator zur Markierung organischer und biochemischer Verbindungen verwendet. Es entsteht unter dem Einfluss kosmischer Strahlung, verbindet sich mit Sauerstoff und ist Teil des Wasserkreislaufs. Es kann zur Altersbestimmung von Grundwasser oder auch von altem Wein verwendet werden.⁵

Dass Deuterium und Tritium zur Erzeugung von Helium genutzt werden kann unter Freisetzung enormer Energiemengen, ist seit den oberirdischen und unterirdischen Tests von Wasserstoffbomben allgemein bekannt. Schließlich schenkt unsere Sonne der Erde ein Übermaß an Energie, indem sie seit Milliarden Jahren Wasserstoffkerne zu Heliumkernen „brennt“. Dieser Vorgang soll sich nach Berechnungen von Physikern noch einige Milliarden Jahre fortsetzen. Nachdem diese Kernfusion auch auf der Erde erfolgreich getestet wurde, versuchen nun etliche Wissenschaftler, diese Technik auch für die friedliche Nutzung verfügbar zu machen. Diese Versuche dauern nun schon einige Jahrzehnte, und es deuten sich Erfolge an. Es könnte bald gelingen, mehr Energie nach außen zu leiten, als in die Kernfusion hineingesteckt werden musste. Aber von Wirtschaftlichkeit ist man noch weit entfernt. Hier ist also Geduld angesagt, und natürlich sind noch Milliarden Dollar und Euro an Investitionskosten nötig.

Wenn die Kernfusion einmal wirtschaftlich arbeitet, haben wir über Jahrtausende hinweg kein Energieproblem. Weder benötigen wir dann noch fossile Energiequellen, noch müssen wir die Landschaft „zerspargeln“ mit Windrädern. Aber bis dahin müssen wir den Übergang schaffen, um mit erneuerbaren Energiequellen von den fossilen Brennstoffen wegzukommen. Bei dieser Gelegenheit könnte es uns gelingen, Fotovoltaik und Windkraft so zu nutzen, dass wir damit dezentral soviel Strom erzeugen, dass keine fossilen Energiequellen mehr benötigt werden. Überschüssigen Strom können wir durch Elektrolyse von Wasser zur Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff nutzen und bei Windflaute und Dunkelheit durch Brennstoffzellen wieder in elektrischen Strom umwandeln. In den Brennstoffzellen wird der Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser „verbrannt“ und dadurch elektrischer Strom erzeugt. Als Abfallstoff entsteht lediglich Wasser. Es werden keine Schadstoffe erzeugt. Hierbei ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung völlig uninteressant, weil die Sonne uns mit dermaßen viel Energie beschenkt, dass wir von der dreckigen fossilen auf die saubere Energieerzeugung umsteigen können, ohne Verluste zu erleiden, aber mit enormem Gewinn für unsere Umwelt. Auf diese Weise fällt es uns leicht, noch etliche Jahre auf die Erfolge der Kernfusionsentwicklung zu warten.

Die Kernfusion wird allerdings sehr wichtig, wenn wir uns entschließen, weiter in den Weltraum vorzudringen. Denn je weiter wir uns von der Sonne entfernen, desto weniger Energie können wir aus ihrer Strahlung gewinnen. Also müssen wir dann den Energieerzeuger mit uns führen. Dazu muss allerdings das Volumen der Kernfusionsanlagen noch um Größenordnungen schrumpfen. Da Wasserstoff im Weltall der bei weitem häufigste Stoff ist, sollte es kein Problem sein, die Wasserstofftanks unterwegs aufzufüllen.⁶

Beschränken wir uns zunächst auf unsere Erdkugel. Auf ihr fahren wir herum mit Autos und Schiffen und fliegen mit Flugzeugen, alle gespeist durch fossile Energielieferanten wie Benzin, Diesel und Kerosin, die allesamt aus Erdöl erzeugt werden. Mittlerweile werden Ethanol oder pflanzliche Öle dem Kraftstoff beigemischt, um allmählich von der Nutzung fossiler Brennstoffe wegzukommen. Die Erderwärmung hat zu dem Entschluss geführt, dass wir mit der Aufheizung der Atmosphäre aufhören müssen. Im Pariser Abkommen von 2015, dem 195 Staaten zugestimmt haben, wurde das Ziel von maximal 1,5 Grad Erderwärmung anvisiert. Das ist in der momentanen Weltwirtschaft noch hoch ambitioniert, könnte aber dazu führen, dass vorerst nicht alle flachen Pazifikinseln und Küstenstädte evakuiert werden müssten.⁷

Wenn wir die tropischen Regenwälder betrachten, die sich am Äquator um den Erdball ziehen und von der Innertropischen Konvergenzzone mit regelmäßigem Niederschlag versorgt werden, sehen wir ein großes Maß an Kohlenstoff, das in den Bäumen gebunden ist. Die Bäume atmen über ihre Blätter Kohlenstoffdioxid ein, bauen mit Hilfe von Sonnenenergie den Kohlenstoff und den Wasserstoff aus Wasser in ihr Holzgerüst ein und wachsen dadurch. Den überflüssigen Sauerstoff atmen sie wieder aus und ermöglichen so den Sauerstoffatmern das Leben. Letztere geben dafür Kohlenstoffdioxid an die Luft ab, das für die Wälder hochwillkommen ist. Es entsteht ein Kreislauf, der sehr stabil ist und nur durch starke Vulkanausbrüche oder durch Meteoriteneinschläge zeitweilig aus dem Gleichgewicht gebracht wird. In diesem Kreislauf spielt der Wasserkreislauf eine Hauptrolle, denn ohne Wasser würden die Pflanzen vertrocknen und somit würde die Kohlenstoffbindung zum Erliegen kommen. Es würde mehr CO₂ in der Luft verbleiben. Glücklicherweise bleibt uns der Wasserkreislauf erhalten und die Ozeane sind zudem in der Lage, CO₂ aus der Luft aufzunehmen. Ein geringfügiger Anteil an CO₂ wird durch die ozeanische Kalkgesteinsenke in der Erdkruste gebunden. Bis zum Beginn der Industriellen Revolution im 19. Jahrhundert waren diese Kreisläufe sehr stabil, nur kurz unterbrochen von Vulkanausbrüchen und Meteoriteneinschlägen. Letztere führten unter anderem zum Aussterben der Dinosaurier. Wie sehr Vulkanausbrüche zu den Eiszeiten beitrugen, ist nicht abschließend geklärt. Die Eiszeiten wiederum trugen dazu bei, dass manche Gebiete, die heute unter Wasser liegen, trocken fielen, wie beispielsweise die Beringstraße zwischen Sibirien und Alaska. Dadurch konnten Menschen schon früh den amerikanischen Kontinent besiedeln.⁸

Allmählich vermehrten sich die Menschen und ernährten sich von großen und kleinen Tieren und von pflanzlicher Kost. CO₂-Atmer wie die Pflanzenwelt und O₂-Atmer wie die Tierwelt hielten sich bis zur Industriellen Revolution in etwa die Waage. Der Kreislauf blieb geschlossen. Erst im 19. Jahrhundert änderte sich das allmählich durch die Erfindung der Dampfmaschine, die zur Erzeugung von Stahl und zum Betrieb sehr viel Kohle benötigte. Man begann, mit Kohle statt mit Holz zu heizen und erreichte damit bessere Überlebenschancen im Winter. Es starben immer weniger Menschen an Lungenentzündung. Die Lebensqualität erhöhte sich, immer weniger Kinder starben in den ersten Lebensjahren. Die medizinische Entwicklung brachte den Gedanken an Hygiene hervor und erste Impfstoffe gegen gefährliche Krankheiten. Die Bevölkerung vermehrte sich in der Folge rasant. 1885 erfand Carl Benz das Automobil. Nun wurde Erdöl zum wichtigsten Rohstoff zur Benzinerzeugung und zunehmend für die Wohnungsheizungen.⁹

Schiffe wurden vom Antrieb durch Dampfmaschinen umgestellt auf den Antrieb durch elegante Dieselmotoren, so auch die Eisenbahnlokomotiven. Flugzeuge wurden entwickelt und flogen mit Flugbenzin oder Kerosin. Auf diese Weise konnte immer effizienter CO₂ in die Luft geblasen werden. Gleichzeitig wuchs die Bevölkerung in zunehmendem Tempo, trotz der Verluste in den beiden Weltkriegen. Erdöl schien die Welt zu regieren. Das wirkte sich auf den CO₂-Gehalt der Luft aus: „Durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe hat der Mensch den CO₂-Anteil in der Atmosphäre etwa seit dem Jahr 1900 bereits von 280 ppm auf mehr als 400 ppm erhöht. Handeln wir nicht sofort, werden wir nach dem pessimistischsten Szenario des Weltklimarats (IPCC) im Jahr 2100 eine Erdatmosphäre mit 1000 und 100 Jahre später sogar mit 2000 ppm CO₂ erleben. Gegen die Menge des CO₂ wie auch die Geschwindigkeit, mit der sie steigt, werden die natürlichen Regulierungsmechanismen nicht schnell genug ankommen. Eine Erde, wie der Mensch sie nie gekannt hat, wird die Folge sein.

Die Enormität dieser Entwicklung wird vielleicht am deutlichsten, wenn man betrachtet, wie lange es dauern wird, bis die Erde den CO₂-Gehalt auf das vorindustrielle Niveau zurückgebracht haben wird. Der Klimawissenschaftler David Archer von der University of Chicago und der Hamburger Klimamodellierer Victor Brovkin vom Max-Planck-Institut für Meteorologie haben das 2008 berechnet: Die Absorption von Kohlenstoffdioxid durch die Ozeane wird dessen Konzentration in der Atmosphäre in rund 3000 Jahren ausgehend von rund 1400 ppm auf 600 ppm reduziert haben. Nach 20000 Jahren wird die Verwitterung von Karbonatgestein den CO₂-Anteil a...

Table of contents

• Über den Autor
• Inhaltsverzeichnis
• 1. Das Element Wasserstoff
• 2. Wasserstoffgewinnung
• 3. Nutzungsmöglichkeiten von Wasserstoff
• 4. Verdrängung fossiler Rohstoffe
• 5. Wasserstoff bremst Klimawandel
• 6. Weitere Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft
• 7. Zukunftsperspektiven
• Literaturverzeichnis
• Impressum