Wasserstoff ist das einfachste chemische Element : Sein Kern besteht aus einem einzigen Proton und sein Atom hat nur ein Elektron. Das Molekül des Diwasserstoffs (H2) besteht aus zwei Wasserstoffatomen.
Wasserstoff wird häufig verwendet, um sich auf Diwasserstoff zu beziehen.

Die Verbrennung von 1 kg Wasserstoff setzt fast 4-mal mehr Energie frei als 1 kg Benzin und produziert nur Wasser :

2H2 + O2 -> 2H2O

Wasserstoff ist auf der Erdoberfläche sehr reichlich vorhanden, existiert aber nicht in seinem reinen Zustand. Es ist immer an andere chemische Elemente gebunden, in Molekülen wie Wasser und Kohlenwasserstoffen. Lebende Organismen (Tiere oder Pflanzen) bestehen ebenfalls aus Wasserstoff.
Biomasse ist daher eine weitere potenzielle Quelle für Wasserstoff.

Die Gewinnung von Wasserstoff aus diesen Primärressourcen wie Kohlenwasserstoffen, Biomasse und Wasser erfordert einen Energieeinsatz.
Wasserstoff könnte nahezu unerschöpflich sein, vorausgesetzt, er kann in ausreichenden Mengen zu wettbewerbsfähigen Kosten und aus kohlenstoffarmer Energie (Kernenergie

Betrieb eines Kernkraftwerks

Die Komponenten eines Kernkraftwerks. Die Hauptkomponenten eines Kernkraftwerks : Kernreaktor : Der Kernreaktor ist das Herzstück der Anlage, in der die Kernspaltungsreaktionen stattfinden. Es enthält Kernbrennstoff wie angereichertes Uran oder Plutonium sowie Moderatoren und Reaktorsteuerungen zur Regulierung von Kernreaktionen.
Dampferzeuger :

und erneuerbare Energien) hergestellt werden.
Wasserstofftechnologien sind eine Reihe von Technologien, die untersucht werden, um Wasserstoff zu erzeugen, zu speichern und für Energiezwecke umzuwandeln.

Es gibt derzeit mehrere Möglichkeiten, Wasserstoff zu produzieren, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen in Bezug auf Kosten, Energieeffizienz und Umweltauswirkungen :

Wasser-Elektrolyse :
Die Wasserelektrolyse ist ein Prozess, bei dem Wasser (H2O) mit Hilfe von Elektrizität in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. Es gibt zwei Hauptarten der Elektrolyse : alkalische Elektrolyse und Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM). Die Wasserelektrolyse kann mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solar- oder Windkraft betrieben werden und ist damit eine umweltfreundliche Methode der Wasserstoffproduktion.

Methandampfreformierung :
Die Dampf-Methan-Reformierung ist ein chemischer Prozess, bei dem Methan (CH4), normalerweise in Form von Erdgas, zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) verwendet wird. Dieses Verfahren wird in der chemischen Industrie häufig in großem Maßstab zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt. Es emittiert jedoch auch CO2, was es im Vergleich zur Wasserelektrolyse zu einer weniger umweltfreundlichen Methode der Wasserstoffproduktion macht.

Biomasse-Vergasung :
Die Biomassevergasung ist ein Prozess, bei dem organisches Material in Synthesegas umgewandelt wird, das dann in Wasserstoff umgewandelt werden kann. Diese Methode nutzt land-, forst- oder städtische Abfälle als Rohstoff und bietet so die Möglichkeit, Wasserstoff aus erneuerbaren und nachhaltigen Quellen herzustellen.

Wasserpyrolyse :
Die Wasserpyrolyse ist ein thermochemischer Prozess, bei dem Wasser mithilfe von Wärme in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Diese Methode kann zwar in Bezug auf die Energieeffizienz effizient sein, erfordert jedoch hohe Temperaturen und spezifische Bedingungen, was die Implementierung komplexer machen kann.

Solare Photoelektrolyse :
Die solare Photoelektrolyse ist eine Methode zur Herstellung von Wasserstoff, bei der Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen in Strom umgewandelt wird, der dann zum Antrieb des Wasserelektrolyseprozesses verwendet wird. Diese Methode nutzt Sonnenenergie als erneuerbare Stromquelle, kann jedoch durch den Wirkungsgrad der Solarzellen und die damit verbundenen Kosten begrenzt sein.

Die Wasserstoffspeicherung ist aufgrund ihres Potenzials als sauberer und vielseitiger Energieträger ein aktives Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Hier sind einige der aktuellen Möglichkeiten, Wasserstoff zu speichern :

Gaskompression :
Wasserstoff kann in gasförmiger Form unter hohem Druck komprimiert in verstärkten zylindrischen Tanks gespeichert werden. Hochdruckspeicher können aus Stahl oder Verbundwerkstoffen bestehen, um hohen Drücken standzuhalten. Die Verdichtung von Wasserstoff unter hohem Druck erfordert jedoch eine spezifische Infrastruktur und kann zu Energieverlusten führen.

Verflüssigung :
Wasserstoff kann gekühlt und auf sehr niedrige Temperaturen (unter -253 Grad Celsius) verflüssigt werden, um eine Speicherung mit hoher Energiedichte zu ermöglichen. Die Speicherung in flüssiger Form reduziert das von Wasserstoff eingenommene Volumen, erfordert jedoch teure Kühlgeräte und erhebliche Energieverluste während des Verflüssigungsprozesses.

Adsorption an Feststoffen :
Wasserstoff kann an festen Materialien mit poröser Struktur wie Aktivkohle, Zeolithen, porösen organischen Metallen (MOFs) oder organisch-anorganischen Hybridmaterialien adsorbiert werden. Diese Materialien haben eine große spezifische Oberfläche und können Wasserstoff bei moderaten Drücken und Umgebungstemperaturen adsorbieren. Die Wasserstoffadsorption kann jedoch reversibel sein, erfordert jedoch hohe Drücke für die Desorption.

Lagerung von Chemikalien :
Wasserstoff kann in Form von chemischen Verbindungen gespeichert werden, die ihn beim Abbau freisetzen. Wasserstoff kann beispielsweise in Form von Metallhydriden oder organischen Verbindungen wie organischen Hydriden gespeichert werden. Die Freisetzung von Wasserstoff kann durch Erhitzen, Katalyse oder andere Methoden ausgelöst werden. Chemische Lagersysteme können jedoch spezifische Anforderungen in Bezug auf Temperatur, Druck und Materialregeneration haben.

Unterirdische Lagerung :
Wasserstoff kann unterirdisch in geeigneten geologischen Formationen wie salzhaltigen Grundwasserleitern, natürlichen Hohlräumen oder porösen Lagerstätten gespeichert werden. Unterirdische Speicher bieten eine große Speicherkapazität und können Sicherheits- und Infrastrukturrisiken reduzieren. Dies erfordert jedoch geeignete geologische Standorte und sichere und zuverlässige Speichertechniken.

Wasserstoff hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, einschließlich seiner Vielseitigkeit, Sauberkeit bei der Herstellung aus erneuerbaren Energiequellen und seines Potenzials zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Sektoren. Einige der möglichen Anwendungen von Wasserstoff sind :

Saubere Mobilität :
Wasserstofffahrzeuge wie Brennstoffzelle

PEMFC-Brennstoffzellen

PEMFCs verwenden eine Polymermembran. Die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) :

nautos, Busse, Lastwagen und Züge bieten eine saubere Alternative zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Sie erzeugen Strom, indem sie Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft kombinieren und nur Wasser und Wärme als Nebenprodukte erzeugen, wodurch die Emissionen von Luftschadstoffen und Treibhausgasen reduziert werden.

Energiespeicherung :
Wasserstoff kann als Mittel zur Energiespeicherung in großem Maßstab verwendet werden, einschließlich der Speicherung von Energie, die durch intermittierende erneuerbare Quellen wie Solar- und Windenergie erzeugt wird. Überschüssiger Strom kann durch Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff verwendet und dann für die spätere Verwendung als Kraftstoff oder Energiequelle gespeichert werden.

Industrieproduktion :
Wasserstoff wird in der chemischen Industrie häufig zur Herstellung von Ammoniak, zur Herstellung von Düngemitteln sowie zur Herstellung verschiedener Chemikalien, darunter Methanol, chlorierter Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, verwendet. Es kann auch als Reduktionsmittel bei der Herstellung von Stahl und anderen Metallen verwendet werden.

Stromerzeugung :
Wasserstoff-Brennstoffzelle

PEMFC-Brennstoffzellen

PEMFCs verwenden eine Polymermembran. Die verschiedenen Arten von Brennstoffzellen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) :

n können zur sauberen und effizienten Stromerzeugung eingesetzt werden, sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. Sie werden in Gewerbe- und Wohngebäuden als Backup-Stromquelle oder als primäre Stromquelle eingesetzt. Sie können auch zur Stromversorgung von Stromnetzen in Spitzenlastzeiten verwendet werden.

CWohn- und Gewerbeheizung :
Wasserstoff kann als Brennstoff für die Heizung von Wohn- und Gewerbegebäuden verwendet werden und Erdgas oder Heizöl ersetzen. Wasserstoffkessel werden entwickelt und könnten eine kohlenstoffarme Alternative zum Heizen von Gebäuden bieten.

Anwendungen in der Raumfahrt :
In der Raumfahrtindustrie wird Wasserstoff als Treibstoff für den Antrieb von Trägerraketen verwendet, insbesondere in den Oberstufen von Raketen. Flüssiger Wasserstoff wird aufgrund seiner hohen Energiedichte und sauberen Verbrennung häufig als Treibmittel verwendet.