89.1 Kochsalz-Elektrolyse − + Kathode H2 H2 Cl2 Cl– Cl– OH– Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ OH– OH– Cl– Cl– Cl– Cl2 Cl2 H2 Batterie Anode e– e– Destilliertes Wasser leitet Strom nicht, Leitungswasser leitet schlecht. Gibt man Kochsalz (NaCl) hinzu, so zerfällt dieses im Wasser in Ionen. Die negativen Chlorionen bewegen sich zur positiven Elektrode (Anode), wo sie ihre Elektronen abgeben. Es bildet sich Chlorgas. Die positiven Natriumionen wandern zur negativen Elektrode, dadurch wird der Stromkreis geschlossen, und Wasserstoffgas sowie Natronlauge, zwei wichtige Grundstoffe der chemischen Industrie, entstehen (89.1). Ionen sind die Ladungsträger bei elektrischem Strom in Flüssigkeiten. Positive und negative Ionen bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen. Dabei werden chemische Verbindungen durch elektrischen Strom zerlegt, diesen Vorgang bezeichnet man als Elektrolyse: Elektrische Energie wird als chemische Energie gespeichert. Durch die Umkehrung der Reaktion kann die aufgewandte Energie zurückgewonnen werden. Grüner Wasserstoff – ein Beitrag zum Klimaschutz? Wie kann Wasserstoff grün sein, wenn er bekanntlich ein farbloses Gas ist? Es gibt Wasserstoff auch in anderen Farben von Grau bis Orange. Mit den Farben wird die Klimaschädlichkeit der Verfahren zur Wasserstoffgewinnung gekennzeichnet. Bei dem am häufigsten angewendeten Verfahren wird Erdgas (Methan CH4) mittels heißen Wasserdampfs zu Grauem Wasserstoff und das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid CO2 gespalten. Weltweit werden derzeit (2022) jährlich ca. 100 Mio. Tonnen Grauer Wasserstoff hergestellt und dabei 900 Mio. Tonnen CO 2 in die Atmosphäre abgegeben. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser durch Strom aus den erneuerbaren Energieträgern Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft CO 2-frei gewonnen. Damit ein relevanter Beitrag zum Klimaschutz möglich wird, muss ausreichend und möglichst kontinuierlich elektrischer Strom vorhanden sein. Günstige Standorte in Europa sind z. B. Windparks in der Nordsee (89.2). Als Alternative zu der oben beschriebenen Elektrolyse wird die PEM-Elektrolyse gesehen (89.3). PEM steht für Proton-Exchange-Membrane. Eine dünne Membran aus Kunststoff trennt die Elektroden und lässt nur die positiven Wasserstoff-Ionen von der Anode zur Kathode durch. Die Elektroden sind mit Edelmetallen als Katalysatoren beschichtet und ermöglichen dadurch die Bildung der Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Die Katalysatoren sind allerdings bei Großanlagen, wie sie künftig gebaut werden sollen, ein erheblicher Kostenfaktor. Zusätzlich sind die in Frage kommenden Edelmetalle nur beschränkt verfügbar. Wo soll Grüner Wasserstoff verwendet werden? Optimisten sehen eine Vielzahl von Anwendungen voraus: In der chemischen Industrie wird Wasserstoff für die Herstellung von Kunststoffen aus Erdöl und für die Düngemittelherstellung benötigt. Die Stahlindustrie soll künftig weniger klimaschädigendes CO2 freisetzen und hofft auf Wasserstoff für die Stahlerzeugung. Da in sogenannten Brennstoffzellen aus Wasserstoff und Sauerstoff wieder Strom erzeugt werden kann, werden bereits Busse für den Nahverkehr mit Brennstoffzellen elektrisch betrieben (89.4). Pessimisten sehen den schlechten Wirkungsgrad von jeweils etwa 60 % sowohl bei der Elektrolyse als auch bei der Brennstoffzelle als ein großes Hindernis, während bei der heute hochentwickelten Batteriespeicherung von elektrischer Energie ein Wirkungsgrad nahe 90 % erreicht wird. Die Diskussion zwischen Optimisten und Pessimisten wird auch öffentlich geführt z. B. in Online-Medien, Zeitungen, wissenschaftlichen Kongressen und Publikationen. Dadurch können sich alle Interessierten selbst einen Einblick verschaffen. Untersuche, überlege, forsche: Umweltauswirkungen Akkus 89.1 S3 Informiere dich über den aktuellen Stand der Forschung zur Brennstoffzelle und bewerte, ob diese bereits für einen großflächigen Einsatz geeignet ist. 89.2 S1 Diskutiere mit einem Freund oder einer Freundin, unter welchen Bedingungen und in welchen Bereichen Wasserstoff eingesetzt werden sollte. 89.2 Für die Erzeugung von Grünem Wasserstoff eignen sich vor allem Windparks, wie hier in der Nordsee. 89.3 Schema der PEM-Elektrolyse 89.4 Die ersten Wasserstoff-Busse sind bereits im Linienverkehr im Einsatz. 89 E-Lehre 2 Der Stromkreis Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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