Eine schadstofffreie Wasserstoffwirtschaft? Nicht so bald

Denken Sie an Wasserstoff – den sauberen Kraftstoff der Zukunft. Es verbrennt mit Sauerstoff, um Wasserdampf zu erzeugen, und nur Wasserdampf – kein Ruß, keine Stickoxide, kein Kohlendioxid mit seiner potentiellen Treibhauserwärmung. In seiner Botschaft zur Lage der Nation im Januar kündigte Präsident Bush eine große neue Initiative an. Er schlug 1,2 Milliarden US-Dollar an Forschungsgeldern vor, die es den Vereinigten Staaten ermöglichen würden, bei der Entwicklung sauberer, wasserstoffbetriebener Autos weltweit führend zu sein. Angespornt durch diese neue Unterstützung des Bundes, sagte Bush, werden unsere Wissenschaftler und Ingenieure Hindernisse überwinden, um diese Autos vom Labor in den Ausstellungsraum zu bringen, damit das erste Auto, das von einem heute geborenen Kind gefahren wird, mit Wasserstoff betrieben werden kann und schadstofffrei ist. Seine überraschende Ankündigung stieß auf begeisterten Applaus.



Hier ist nun eine pessimistischere Sicht auf die Wasserstoffwirtschaft: riesige Tagebaue, die einen Großteil von Pennsylvania, Illinois, Utah und Colorado vernarben. Milliarden Tonnen Kohlendioxid werden jedes Jahr aus Anlagen in die Atmosphäre gepumpt, die Wasserstoff produzieren – durch die Verbrennung der fossilen Brennstoffe Kohle, Öl und Erdgas.

Wo ist die Wahrheit? Zweifellos irgendwo dazwischen – aber wahrscheinlich geht es dabei um die starke Verbrennung fossiler Brennstoffe.





Entscheidend ist: Wasserstoff ist kein Energieträger. Es ist nur eine Möglichkeit, es zu lagern und zu transportieren. Obwohl Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist (und in unmittelbarer Nähe 90 Prozent der Atome in Sonne und Jupiter ausmacht), gibt es auf der Erde praktisch kein Wasserstoffgas. Unsere Gravitation ist so schwach, dass im Wesentlichen unser gesamter Ur-Wasserstoff – außer dem, der sich in schwerere Verbindungen gebunden hat – vor Milliarden von Jahren in den Weltraum entwichen ist. Daher muss Wasserstoff als Kraftstoff hergestellt werden, indem er aus Wasser und Methan gewonnen wird. Aus Wasserstoff als Brennstoff gewinnen Sie nur die Energie, die Sie in die Extraktion stecken, oder wenn Sie dabei Kohlenstoff verbrennen.

Wasser kann durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden, der als Elektrolyse bezeichnete Prozess. Einfache Hitze wird es auch tun. Oberhalb von 2.700 C zersetzt sich Wasser spontan. Bei einem ausreichend heißen Feuer (z. B. den Ölquellenbränden von Kuwait) zersetzt sich Wasser und vereinigt sich dann wieder, wenn es über der Quelle abkühlt.

Aber Wasser zu spalten ist teuer, und wir brauchen den Sauerstoff nicht. Wasserstoff lässt sich viel billiger herstellen: Sprühdampf auf weißglühende Kohlen und heraus kommt hauptsächlich Wasserstoffgas (40 Prozent) und Kohlenmonoxid (50 Prozent), ein Gemisch, das passenderweise als Wassergas bezeichnet wird. Es ist die kostengünstigste Art, Wasserstoff herzustellen. Leider ist das dabei entstehende Kohlenmonoxid hochgiftig. Um das letzte Quäntchen Energie zu gewinnen, kann das Kohlenmonoxid verbrannt werden und daraus das Treibhausgas Kohlendioxid werden.



Die Produktion von Wassergas begann in den 1870er Jahren. Das andere gängige Industriegas war damals Kohlegas, das aus bituminöser Kohle durch Erhitzen in einer sauerstofffreien Umgebung gewonnen wurde. Kohlengas ging an Straßenlaternen und Häuser, und das gefährlichere Wassergas wurde von der Industrie verwendet. Wassergas findet sich noch weitgehend in der Stahlherstellung und im sogenannten Fisher-Tropsch-Verfahren, das zur Herstellung von synthetischem Benzin und Alkoholen verwendet wird.

In den 1920er Jahren bot die Entdeckung großer unterirdischer Methanreserven eine billigere Alternative zu Kohlegas. Da es nicht hergestellt wurde, wurde es Erdgas genannt, der Name wird noch heute verwendet. Methan ersetzte auch Kohle für die Wassergasproduktion. Wie bei Kohle entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff aus Methan reichlich Kohlenmonoxid, das bei der Verbrennung zu Kohlendioxid wird.

Aber die Nachrichten sind nicht nur schlecht. Bei gleicher Energieabgabe wird bei der Herstellung von Wasserstoff aus Methan etwa halb so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre abgegeben wie bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Das liegt vor allem daran, dass wasserstoffbasierte Brennstoffzellen effizienter sind als Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus laufen ernsthafte Forschungsprogramme, um einen Weg zur Bindung von Kohlendioxid zu finden, sei es aus der Wasserstoffproduktion oder einem anderen Prozess, der fossile Brennstoffe verbrennt. Eine billige Lösung könnte darin bestehen, es in erschöpften Gas- und Ölquellen zu vergraben. Meine pessimistische Wette ist jedoch, dass Sequestrierung teuer werden wird. Politiker werden sich dafür entscheiden, Kohlendioxid in die Atmosphäre zu entlassen und den versteckten Preis der Umweltverschmutzung zu zahlen, anstatt die Öffentlichkeit zu bitten, einen Vorabpreis an der Zapfsäule zu zahlen.

Dennoch ist Wasserstoff kein idealer Kraftstoff für Autos. Wasserstoff hat selbst in seiner dichtesten Form (flüssig) nur ein Drittel so viel Energie pro Liter wie Benzin. Wenn es als komprimiertes Gas bei 300 Atmosphären gelagert wird (eine praktischere Option), liefert es weniger als ein Fünftel der Energie pro Volumen als Benzin. Eine so geringe Energiedichte bedeutet, dass die Kraftstoffspeicherung in einem wasserstoffbetriebenen Auto viel Platz beanspruchen würde – oder alternativ ein bescheidener Kraftstofftank die Reichweite des Fahrzeugs zwischen den Tankvorgängen stark einschränken würde. Eine Technologie, die entwickelt wird, um höhere Drücke zu ermöglichen, würde Wasserstoffautos attraktiver machen.



Die bekannten US-Erdgasreserven werden in einigen Jahrzehnten aufgebraucht sein, oder früher, wenn wir damit beginnen, es für Autos zu nutzen. Die Schlüsselannahme hinter dem Vorstoß für eine Wasserstoffwirtschaft scheint die Überzeugung zu sein, dass es in den Vereinigten Staaten und auf der ganzen Welt riesige, unentdeckte Erdgasreserven gibt. Aber selbst wenn sich dieser Glaube als falsch erweisen sollte, können wir jederzeit wieder Wasserstoff aus Kohle herstellen; davon haben wir ein Jahrhundert lang genug, wenn uns der Tagebau nichts ausmacht.

Ich glaube, dass die Wasserstoffwirtschaft unvermeidlich ist. Offenbar auch Großinvestoren, die Hafenanlagen für den zukünftigen Import großer Mengen Flüssigerdgas errichten.

Ich glaube auch, dass der Wasserstoff mit der billigsten Methode hergestellt wird. Kurzfristig könnten wir zur Elektrolyse zurückkehren, die mit Strom aus Atomkraftwerken betrieben wird. Im Moment ist Atomenergie teuer, glaube ich, hauptsächlich aufgrund von Vorschriften, die durch das wahrgenommene Risiko der Radioaktivität getrieben werden. Dennoch denke ich, dass Kohlendioxid in der Atmosphäre langfristig eine viel größere Gefahr für Umwelt und Gesundheit darstellt als Kernkraftwerke. Wir haben die Gefahren der Atomkraft in Tschernobyl erlebt. Für die kohlenstoffbasierte Wirtschaft ist das Äquivalent von Tschernobyl nicht nur die globale Erwärmung; es ist Krieg. Das haben wir im Irak gesehen. Alles in allem bevorzuge ich nuklear-produzierten Wasserstoff gegenüber Methan-produziertem Wasserstoff.

Wenn solar erzeugter Strom billiger wird als Erdgas oder Kohle, können wir die fossilen Brennstoffe im Boden lassen und haben das Beste aus allen Welten. Billige Solarenergie ist unvermeidlich, und wir müssen den Staat Kalifornien nicht mit Solarzellen verputzen, um ihre Vorteile zu genießen. Auf einem Quadratkilometer Sonnenlicht stecken 1.000 Megawatt Sonnenenergie – das entspricht einem großen Atomkraftwerk. Selbst wenn nur 10 oder 20 Prozent der Energie des Sonnenlichts als Strom gewonnen werden, wird die Fläche der Solarzellen nicht viel größer sein als die, die wir derzeit für Atom-, Gas- oder Kohlekraftwerke verwenden. Energie kann nachts (und an bewölkten Tagen) in Wasserstoff gespeichert werden. Die solare Zukunft kommt.

Die Schaffung einer Wasserstoffwirtschaft ist ein gutes Ziel. Kurzfristig wird die Umstellung auf Wasserstoff jedoch, abgesehen von einer Wiederbelebung der Atomkraft, wahrscheinlich eine wachsende Abhängigkeit von importiertem Erdgas und eine anhaltende Belastung der Atmosphäre mit Kohlendioxid bedeuten. Trotz des Optimismus von Präsident Bush ist es sehr unwahrscheinlich, dass die ersten Autos der heutigen Kinder mit sauber produziertem Wasserstoff betrieben werden. Aber vielleicht werden es die Autos ihrer Kinder sein. Und langfristig könnte unsere Umstellung auf Wasserstoff den Übergang zu einer solarbetriebenen Wirtschaft erleichtern.

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