Glossar Wasserstoff

Bei der Adsorption bleiben Atome oder Moleküle von Flüssigkeiten oder Gasen an einer festen Oberfläche haften. Zum Einsatz kommt sie zum Beispiel bei der Trennung oder Reinigung von Gasen.

Aerogele sind Festkörper mit hoher Porosität (> 90%) sowie hoher spezifischer Oberfläche. Bestehen können sie u.a. aus Kunst- oder Kohlenstoff. Kohlenstoff-Aerogele kommen als Katalysatorträger bei hohen Temperaturen zum Einsatz. Sie weisen eine hohe Strukturvariabilität auf, sind elektrisch leitfähig und kostengünstig herstellbar.

Die alkalische Elektrolyse gilt als etablierteste Form der Elektrolyse. Als Elektrolyt kommt eine alkalisch-wässrige Lösung zum Einsatz, die Elektroden bestehen meist aus Metall. Zur Trennung von Kathoden- und Anodenraum wird ein poröses Diaphragma aus Keramik, Asbest oder Kunststoff genutzt.

In einer elektrolytischen Zelle ist die Anode die positive Elektrode, an der die Oxidationsreaktion stattfindet. Bei der Wasserelektrolyse entsteht hier Sauerstoff.

In einer elektrolytischen Zelle ist die Anode die positive Elektrode, an der die Oxidationsreaktion stattfindet. Bei der Wasserelektrolyse entsteht hier Sauerstoff.

In Batterien und Brennstoffzellen verbinden Bipolarplatten mehrere Zellen eines Stapels. Aus metallischen Werkstoffen hergestellt sind sie zwar sehr dünn, ihr hohes spezifisches Gewicht und die geringe Korrosionsbeständigkeit sind jedoch Nachteile. Konventionelle Kunststoff-Compound Bipolarplatten sind dagegen zwar korrosionsfrei, jedoch relativ dick, spröde und bruchgefährdet. Neuartige thermoplastische Bipolarplatten dagegen vereinen die Vorteile aus beiden „Welten“: Korrosionsfreiheit, eine geringe Materialdicke sowie nachträgliche Umform- sowie Verschweißbarkeit.

Die Produktion von blauem Wasserstoff basiert auf fossilen Energieträgern. Allerdings wird das dabei entstehende CO₂ – anders als bei der Produktion von grauem Wasserstoff – nicht freigesetzt, sondern aufgefangen und entweder unterirdisch gelagert (CCS Carbon Capture and Storage) oder z.B. in Chemikalien oder Brennstoffe umgewandelt (CCU Carbon Capture and Utilization).

Anders als Batterien sind Brennstoffzellen keine Energiespeicher, sondern Energiewandler: Die chemische Energie eines Brennstoffes – z.B. Wasserstoff – wird in Elektrizität umgewandelt. Dieser Prozess läuft also genau umgekehrt zur Elektrolyse. Aber auch die Brennstoffzelle besteht aus zwei gasdurchlässigen Elektroden (Anode und Kathode) sowie einer die Gase trennenden Elektrolytschicht. Zum Einsatz kommen Brennstoffzellen z.B. in der netzunabhängigen Stromversorgung.

Bei Carbon Capture and Utilization wird CO₂, das in den Abgasen von Stahlwerken, Biogasanlagen, Kraftwerken, Kalk- oder Zementanlagen anfällt, aufgefangen und weiterverarbeitet. Das kann beispielsweise so aussehen: Zunächst wird mit Hilfe von elektrischem Strom Wasserstoff erzeugt, bevor dieser mit dem CO₂ zu synthetischen Kraftstoffen, Kunststoffen oder weiteren Basischemikalien umgesetzt wird. Eine große Rolle spielen dabei Katalysatoren und katalytische Verfahren, denn je nach Quelle fällt das CO₂ in unterschiedlichen Konzentrationen bzw. Gasreinheiten an. Zum Einsatz kommt CCU u.a. im Rahmen des vom BMBF-geförderten Verbundprojektes Carbon2Chem^®.

Die Co-Elektrolyse ist eine besondere Form der Elektrolyse: Mit Hilfe von Strom werden mehrere Veränderungsprozesse gleichzeitig durchgeführt. Bei der Co-Elektrolyse von Wasser und CO₂ kann beispielsweise ein Synthesegas entstehen, das als Basis für die chemische Industrie dienen kann. Da in diesem Fall das Verbrennungsendprodukt CO₂ wieder genutzt wird, spricht man auch von CO₂-Aktivierung.

Die Dampfreformierung ist ein industrielles Verfahren zur Produktion von Wasserstoff, bei dem ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff – meist Erdgas – mit Wasser reagiert. Aktuell entstehen noch rund 96 Prozent des weltweit hergestellten Wasserstoffs auf diese Weise. Der Nachteil: Neben dem Wasserstoff entsteht auch immer CO₂.

In der Elektrochemie bezeichnet ein Diaphragma eine poröse, stromdurchlässige Trennwand aus Keramik, Asbest oder Kunststoff, die bei der Elektrolyse zum Einsatz kommt. Sie trennt Kathoden- und Anodenraum elektrisch, ermöglicht jedoch einen Ausgleich an Ladungsträgern (Ionen) und verhindert unerwünschte Verbindungen von Nebenprodukten.

Die dynamische Differenzkalorimetrie oder Differentialthermoanalyse ist ein Verfahren der thermischen Analyse. Mit seiner Hilfe lässt sich die abgegebene oder aufgenommene Wärmemenge einer Probe messen – z.B. bei Aufheizung, Abkühlung oder einem isothermen Prozess. Zum Einsatz kommt das Verfahren u.a., um die Materialverträglichkeit mit Wasserstoff zu charakterisieren.

Die Elektrolyse ist ein chemischer Prozess, bei dem eine Redoxreaktion durch elektrischen Strom (Elektronenfluss) stattfindet. Im Zentrum steht die Aufspaltung einer chemischen Verbindung – zum Beispiel von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Der Strom wird über zwei Elektroden (Anode und Kathode) in eine leitfähige Flüssigkeit (Elektrolyt) geführt. Die Reaktionsprodukte entstehen abhängig von den im Elektrolyten enthaltenen Stoffen an den Elektroden. Häufig sind Anoden- und Kathodenraum durch eine poröse Wand (z.B. ein Diaphragma oder eine Membran) getrennt, damit sich die Reaktionsprodukte nicht vermischen.

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist ein Verfahren der Kohleverflüssigung: Aus der Kohle wird zunächst ein Synthesegas (Mischung aus CO und H₂) hergestellt. Das Synthesegas wird dann unter Einsatz eines Katalysators zu Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Diese Kohlenwasserstoffe finden in der chemischen Industrie als synthetische Kraftstoffe, Motoröle und Rohstoffbasis Verwendung. Neben Kohle können weitere Rohstoffe wie Erdgas oder Biomasse zur Herstellung des Synthesegases verwendet werden.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen hergestellt – z.B. via Dampfreformierung aus Erdgas. Neben Wasserstoff entsteht dabei auch CO₂, das in die Atmosphäre emittiert.

Grüner Wasserstoff basiert komplett auf nicht fossilen Ausgangsstoffen. Er entsteht im Rahmen einer Elektrolyse, bei der Wasser mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Quellen gespalten wird. Dadurch kann der Prozess komplett CO₂-neutral gestaltet werden.

Ob als Bestandteil von Brennstoffzellen, als Schlüssel zur stofflichen Nutzung von CO₂ oder als Instrument zur Gasreinigung – Katalysatoren sind für viele Prozesse der Industrie unverzichtbar. Mit ihrer Hilfe lassen sich schädliche Emissionen reduzieren sowie chemische Produkte ressourcenschonend und energieeffizient herstellen. Ihre Aufgabe: die Geschwindigkeit chemischer Reaktion zu beeinflussen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Die Katalyse ist eine der Schlüsselkompetenzen der chemischen Industrie – nahezu 80 Prozent aller weltweit produzierten Chemikalien sind während ihrer Herstellung mit Katalysatoren in Kontakt gekommen. Beispiel: die Umwandlung von CO₂ in Grundchemikalien oder Brennstoffe. Bei dem Prozess wird die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion unter Beteiligung eines Katalysators verändert.

Grundsätzlich lassen sich drei Formen der Katalyse unterscheiden: die heterogene, die homogene und die enzymatische. Während sich bei der heterogenen Katalyse der Katalysator und die Ausgangsstoffe der Reaktion in unterschiedlichen Phasen befinden, befinden sie sich bei der homogenen Katalyse in der gleichen Phase. Die enzymatische Katalyse nutzt biologverfügbare Systeme zur Substratumwandlung.

In einer elektrolytischen Zelle ist die Kathode die negative Elektrode, an der die Reduktionsreaktion stattfindet. Bei der Wasserelektrolyse entsteht hier Wasserstoff.

Methanol ist eine Chemikalie, die für die Herstellung vieler chemischer Produkte benötigt wird oder als synthetischer Kraftstoff genutzt werden kann. Es lässt sich synthetisch auf Basis von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid sowie Wasserstoff herstellen.

Mit Power-to-Gas bezeichnet man das energiewirtschaftliche Konzept hinter der Wasserelektrolyse, bei der mittels Strom Wasserstoff, Ammoniak oder Methan als gasförmige Energieträger erzeugt werden.

Anders als bei der alkalischen Elektrolyse ist der Elektrolyt bei der PEM-Elektrolyse nicht flüssig, sondern fest. Er besteht aus thermoplastischem Kunststoff, lässt Protonen durch, verhindert aber bei der Wasserelektrolyse gleichzeitig den Transport von Sauer- oder Wasserstoff.

Eine Redoxreaktion – oder Reduktions-Oxidations-Reaktion – ist eine chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen auf den anderen überträgt. Beispiel: die Wasserelektrolyse, bei der an der Anode eine Oxidation und an der Kathode eine Reduktion stattfindet. Im Ergebnis wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Sauer- und Wasserstoff zerlegt.

Roter Wasserstoff wird klimaneutral via Elektrolyse hergestellt. Der dafür genutzte Strom stammt allerdings aus Kernkraftwerken.

Als Stack bezeichnet man den Stapelaufbau von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren, bei denen die einzelnen Zellen in Reihe geschaltet werden. Sie sind durch Bipolarplatten in der Fläche leitend verbunden und haben eine gemeinsame Medienführung.

Synthesegas ist ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff oder aus Stickstoff und Wasserstoff. Als Ausgangsstoff zum Beispiel für die Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese dient es vorrangig zur Erzeugung von Methanol, Ammoniak oder anderen Grundchemikalien.

Türkiser Wasserstoff geht aus der thermischen Spaltung von Methan hervor. Dabei entsteht kein CO₂, sondern fester Kohlenstoff. Werden der Hochtemperaturreaktor mit Wärme aus erneuerbaren Energien versorgt und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden, ist dieses Verfahren CO₂-neutral.

Hinter weißem Wasserstoff verbirgt sich Wasserstoff, der natürlich vorkommt – zum Beispiel in Afrika – und durch Fracking gewonnen werden kann.