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Der Kraftstoff der Zukunft: Wasserstoff

Wind-, Sonnen- und Gezeitenenergie? Schön und gut, wenn es stürmt oder bei Sonnenschein. Dann ist der Öko-Strom da – muss aber sofort verbraucht werden. Könnte man ihn nicht speichern, für Zeiten, in denen Flaute herrscht, oder die Sonne eben nicht scheint? Die Lösung: Wasserstoff. Er wird mit dem Strom aus Erzeugungsspitzen erzeugt, ist lagerfähig und kann später – ganz nach Bedarf – wieder in Strom zurückverwandelt werden. Beispielsweise als Zukunfts-Treibstoff in einer hoch effizienten und emissionsarmen Brennstoff-Zelle.

Die Brennstoffzelle:
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Schon die Apollo-Mission der NASA, deren Ziel in den 1960er-Jahren die Landung auf dem Mond war, führte alkalische Brennstoff-Zellen an Bord. Sie dienten als „unerschöpfliche“ Energiequellen, produzierten den Strom (bis zu 2.300 Watt pro Modul), Wärme, und auch Trinkwasser. Der Treibstoff: flüssiger Wasserstoff und flüssiger Sauerstoff.

© NASA

Wasserstoff und Brennstoffzelle: die Schlüssel zum perfekten Energie-Kreislauf, nicht nur, wie hier gezeigt, in einem außerirdischen Habitat.

Auch heute spielt die Brennstoffzellen-Technologie in der Raumfahrt eine bedeutende Rolle: Wie wird sich beispielsweise eine bemannte Mars-Station mit Energie und vielem anderen versorgen? Ohne Tankstelle, ohne Wasserquelle, ohne Supermarkt? Die Idee: der geschlossene Kreislauf eines Lebenserhaltungssystems auf Basis von reversiblen (also umkehrbaren) Wasserstoffsystemen. Statt Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in riesigen Mengen mitzunehmen, könnte der „Proviant“ vor allem aus Wasser bestehen. Vor Ort erzeugen Solarzellen Strom. Per Elektrolyse wird das Wasser in Wasserstoff (H2 ) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Beides wird in einer Brennstoffzelle wiederum zu Wärme und Wasser. Strom, Wärme, Luft, Wasser – in einem ewigen Kreislauf. Zusätzlichen Sauerstoff könnten Algenkulturen erzeugen – aus denen zugleich Nahrung gewonnen wird. Die Erforschung solcher geschlossener Systeme wird vom DLR Raumfahrtmanagement intensiv gefördert, denn sie sind auch für die Erde sehr interessant. Sie könnten nämlich die Lösung für die Speicher-Problematik erneuerbarer Energien sein.

© ESA/Foster + Partners

Aus Wasserstoff: Strom und Wärme für das Zuhause Brennstoffzellen für Einfamilienhäuser gibt es in Deutschland, Japan und der Schweiz bereits für rund 30.000 Euro. Sie werden an das normale Erdgasnetz angeschlossen, produzieren mit einem Reformer aus Erdgas (oder Biogas) den Wasserstoff und aus diesem wiederum relativ viel Strom und zugleich wenig Wärme. Das ist ihr großer Vorteil gegenüber anderen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen, denn Strom wird immer gebraucht, Wärme dagegen nicht.

© DLR

Kombiniere: Solar und Wasserstoff Was einer Marsstation eine autonome Energieversorgung ermöglicht, funktioniert auch im Eigenheim. Solarzellen auf dem Dach produzieren tagsüber Strom. Strom, der nicht unmittelbar verbraucht wird, erzeugt via Elektrolyse Wasserstoff. Ein Zwischenlager, das angezapft wird, wenn die Sonne nicht scheint: In einer Brennstoffzelle wird aus dem Wasserstoff wieder Strom und Wärme (Heizung, Warmwasser). Oder der Wasserstoff wird ins Auto getankt. Oder ins Netz eingespeist.

© DLR

Wasserstoff aus Sonne Um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, braucht man bei der Elektrolyse zugeführte Energie, üblicherweise Strom. In einem „Sonnenofen“ ist es Wissenschaftlern des DLR im Rahmen des Projektes HYDROSOL gelungen, den Wasserstoff statt mit Strom unmittelbar mit gebündelten Sonnenstrahlen aus Wasser zu erzeugen.

© Enertrag AG

Das Folgeprojekt HYDROSOL 2 überträgt die Technologie bereits auf einen deutlich größeren Maßstab. Wird hier der Super-Kraftstoff der Zukunft einfach nur aus Sonne geerntet?

© DLR/Ernsting

1. Ein Elektrolyseur wird mit Strom aus Sonnenenergie betrieben. Er spaltet Wasser in Wasserstoff (H2) zur Energiegewinnung und Sauerstoff (O2) zum Atmen.

© DLR

2. Der Wasserstoff wird in einer Brennstoffzelle verstromt. Dabei entstehen Abwärme und Wasser. Beides wird vom Menschen gebraucht.

© DLR

3. Der Mensch wiederum verbraucht Wasser. Das Verbrauchswasser wird für den Elektrolyseur aufbereitet.

© DLR

4. Der Mensch verbraucht Sauerstoff. Dabei entsteht CO2.

© DLR

5. Das CO2 wird per Sabatier-Reaktion unter Zugabe von Wasserstoff wieder zu Wasser (Advanced Closed Cycle Loop, der ab 2015 auf der ISS getestet wird und 500 Kg Frischwasserbedarf im Jahr einspart). Dabei entsteht als Abfallprodukt Methan.

© DLR

6. In Methan (CH4) ist viel wertvoller Wasserstoff. Der wird per Pyrolyse zurückgewonnen. Als Rest bleibt schlicht Kohlenstoff – Graphit.

© DLR

7. Übrigens ist auch CO2 nutzbar: Durch Photosynthese wird es wieder zu Sauerstoff. In einem Foto-Bioreaktor „arbeiten“ zudem essbare Algen. Sie landen schließlich auf dem Astronauten-Speiseplan.

© DLR

Regenerative Brennstoffzellen-Systeme für Satelliten und Sonden

© Astrium

Regenerative Brennstoffzellen-Systeme

Der Strom, der Satelliten oder Sonden betreibt, stammt von Solarzellen. Um die produzierte Energie zu speichern (Satellit oder Sonde bewegen sich nicht immer im Sonnenlicht), sind große Akkus zu schwer. Bisher war deshalb die Erforschung der Schattenseite von Himmelskörpern eingeschränkt. Airbus und das DLR Raumfahrtmanagement setzen daher auf reversible Brennstoffzellen (also ein regeneratives Brennstoffzellen-System). Nur wenig Wasser- und Sauerstoff werden als „Treibstoff“ an Bord mitgeführt und bei Sonnenmangel in einer Brennstoffzelle verstromt. Dabei entsteht Wasser, das in einem Tank gesammelt wird. Wenn wieder ausreichend Sonnenstrahlung verfügbar ist, wird der Solarstrom genutzt, um aus dem Wasser wiederum die Wasserstoff- und Sauerstoff-Vorräte aufzufüllen.

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