Wir leben bereits in einer Wasserstoffwirtschaft: Stahlproduktion, Generatorkühlung und Schweißgas

Obwohl Wasserstoff im Allgemeinen nur im Zusammenhang mit Transport und Energiespeicherung erwähnt wird, finden sich die bei weitem nützlichsten Anwendungen in industriellen Anwendungen, darunter in der chemischen Industrie, der Stahlherstellung sowie der Herstellung von Methanol und Düngemitteln. Dies zeigt sich daran, dass heute der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs für diese industriellen Anwendungen sowie für Anwendungen wie die Kühlung von Turbogeneratoren verwendet wird, wobei die Nachfrage nach Wasserstoff in diesen Anwendungen rapide steigt.

Derzeit wird praktisch der gesamte heute produzierte Wasserstoff aus Erdgas durch Dampf-Methan-Reformierung (SMR) gewonnen, wobei aus Erdgas gewonnener Wasserstoff möglicherweise durch Methanpyrolyse zu einer kohlenstoffarmen Quelle wird. Der Rest des Wasserstoffs stammt aus der Kohlevergasung und ein kleiner Teil aus der Elektrolyse von Wasser. Der Wasserstoff wird häufig vor Ort produziert, insbesondere in Industrieanlagen und Wärmekraftwerken. Abgesehen von jeglichen Dekarbonisierungsbemühungen gibt es also viele Verwendungsmöglichkeiten für Wasserstoff, die der Öffentlichkeit offenbar im Allgemeinen nicht bekannt sind.

Dies führt uns zur etwas umstrittenen Wasserstoffleiter.

Einige von uns sind vielleicht schon auf die Leiter für sauberen Wasserstoff gestoßen, wie sie von Michael Liebreich populär gemacht wurde. Dies ähnelt insofern der sauberen Wasserstoffpyramide, als sie versucht, die wesentlichsten und wirtschaftlichsten Wasserstoffanwendungen zu erfassen. Wenn wir beispielsweise die primären industriellen Verwendungszwecke hervorheben, erhalten wir Folgendes:

Der umstrittene Teil dieser Wasserstoffleiter ergibt sich hauptsächlich aus der Platzierung von Kategorien wie „Langzeitspeicherung“ und „Geländefahrzeuge“, mit einer CleanTechnica-Artikelserie (Teil 1, Teil 2) von Michael Barnard und dem Chemieverfahrensingenieur Paul Martin geht hier etwas ins Detail. Was die langfristige Energiespeicherung mithilfe von Wasserstoff betrifft, haben wir dieses Thema in einem früheren Artikel über Energiespeichersysteme sowie in einem Artikel über praktischere Speichertechnologien auf Netzebene behandelt.

Wenn wir uns nur auf die Linienkategorien „A“ und „B“ konzentrieren, die in diesem Bild hervorgehoben sind, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass diese Kategorien im Wesentlichen alle wichtigen Formen der aktuellen Wasserstoffnutzung umfassen, zusammen mit einer Reihe, die bereits erwähnt wurde, wie z B. die Verwendung als Kühlmittel, die in diesem Bild jedoch nicht abgedeckt sind. Der mit Abstand größte Einsatz von Wasserstoff ist jedoch die Herstellung von Ammoniak (NH3). Ammoniak wird in Lösungsmitteln, Haushaltsreinigern, als Antiseptikum, als Kältemittel (R717), in Schwefeloxid- (SO2) und Lachgas- (NOx) Wäschern, aber vielleicht am wichtigsten bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet.

Eine umstrittenere Anwendung von Ammoniak ist die als Brennstoff, da bei der Verbrennung von NH3 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre verschiedene Schadstoffe entstehen, darunter N2O (Lachgas), wie in jüngsten Studien von Juan D. Gonzalez et al. festgestellt wurde. (2017) und S. Mashruk et al. (2021). Lachgas, auch Lachgas genannt, ist ein starkes Treibhausgas und neurotoxisch, da es ein NMDA-Rezeptorantagonist ist. Aufgrund dieser Probleme ist es unwahrscheinlich, dass Ammoniak als Kraftstoff in nennenswertem Umfang eingesetzt wird, wenn es Alternativen gibt.

Unter den gasförmigen Kühlmitteln ist Wasserstoff eine beliebte Wahl, da es im Vergleich zu anderen Gasen eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit, eine hohe spezifische Wärmekapazität, eine geringe Dichte und damit eine sehr geringe Reibung in Anwendungen aufweist, in denen es wirklich darauf ankommt, beispielsweise in Generatoren. Aus diesem Grund werden Turbogeneratoren üblicherweise mit Wasserstoffgas gekühlt, wobei das erhitzte Gas vor der Rückführung durch einen Gas-Wasser-Wärmetauscher geleitet wird. Die Wartung dieser wasserstoffgekühlten Turbogeneratoren führt auch zu einer der aufregenderen Eigenschaften von Wasserstoff: seiner Fähigkeit, bei Wasserstoffkonzentrationen zwischen 4 % und 74 % an der Luft zu verbrennen.

In Kombination mit dem Selbstentzündungspunkt von Wasserstoff bei 571 °C ist es daher wichtig, das Eindringen von Luft in den Generator und umgekehrt zu verhindern. Bevor Wartungsarbeiten am Turbogenerator durchgeführt werden können, muss der Wasserstoff gespült werden, was einen Kompromiss zwischen erhöhter Effizienz und Wartungsfreundlichkeit darstellt. Und wie bereits erwähnt, verfügen die meisten Kraftwerke über einen Elektrolyseur vor Ort, um bei Bedarf Ersatzwasserstoff zu erzeugen.

Die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff ist auch der Grund, warum er in einigen Schweißgasen verwendet wird. Einige Studien behaupten, dass er die Schweißqualität sogar bei Stahl geringerer Qualität verbessert. Betrachtet man die verschiedenen Mischungen eines einzigen Herstellers, Linde HydroStar Schutzgas, handelt es sich um Argon/Wasserstoff-Mischungen mit einem Wasserstoffanteil von 2 % bis 35 %. Ohne Sauerstoffatmosphäre ist das WIG-Schweißen mit Wasserstoff als Schutzgas nicht riskant, allerdings ist eine ständige Belüftung dadurch noch wichtiger als bei Argon/CO2 und anderen Mischungen.

Solange nicht alle Voraussetzungen für eine heftige Wasserstoffexplosion erfüllt sind, ist es schließlich absolut sicher und ein sehr nützliches Gas, insbesondere wenn es um das Schweißen schwieriger Materialien wie Edelstahl geht. Dies steht im Zusammenhang mit einer relativ neuen und sich noch in der Entwicklung befindlichen Verwendung von Wasserstoff bei der Reduktion von Eisenoxid und der Herstellung von sogenanntem „grünem Stahl“.

So allgegenwärtig Stahl in der modernen Gesellschaft auch ist, hat sich bei der Herstellung dieses Werkstoffs aus Eisenerz seit dem 17. Jahrhundert kaum etwas verändert, als die Erfindung des Hochofens den Produktionsprozess erstmals beschleunigte und ihn zu einer Ware machte. Ursprünglich verwendeten diese Hochöfen hauptsächlich Holzkohle als Kohlenstoffquelle, diese wurde jedoch später mit Beginn der industriellen Revolution durch Koks ersetzt. Dies ist im Wesentlichen das, was wir auch heute noch in modernen Hochöfen verwenden.

Das Eisenerz wird im Allgemeinen in Form eines Eisenoxids wie Magnetit (Fe2+Fe3+2O4) oder Hämatit (Fe2O3) abgebaut, das dann im Hochofen reduziert wird, indem das Eisenoxid einer Substanz wie Kohlenstoff ausgesetzt wird an das der Sauerstoff leichter bindet als an Eisen. Diese Redoxreaktion führt zur Produktion von Roheisen, also Eisen mit einem relativ hohen Anteil (typischerweise 3,8 – 4,7 %) an Kohlenstoff sowie einigen weiteren Verunreinigungen. Der Kohlenstoffgehalt von Stahl liegt im Allgemeinen zwischen 0,002 % und 2,14 %, sodass zur Herstellung der verschiedenen Stahlsorten einige weitere Verarbeitungsschritte des Roheisens erforderlich sind.

Wasserstoff kommt in diesem Redoxschritt ins Spiel, bei dem anstelle von Kohlenstoff Wasserstoff als Redoxmittel verwendet werden kann. Dieser Prozess wird in einem Literaturüberblicksartikel aus dem Jahr 2019 in Steel Research International von Daniel Spreitzer und Johannes Schenk detailliert beschrieben.

Das Interessante an der Verwendung von Wasserstoff für die Eisenoxid-Redoxreaktion ist, dass er ein besseres Diffusionsverhalten aufweist als das Kohlenmonoxid (CO), das als Redoxmittel in einem mit Koks betriebenen Hochofen fungiert. Dies bedeutet, dass Wasserstoff selbst bei schlechterer Porosität im Eisenerz den Sauerstoff wirksamer entfernen sollte, da er leichter in das Erz diffundieren kann. Auch hier kommt die gleiche niedrige Viskosität zum Einsatz, die Wasserstoff zu einem idealen Kühlgas macht.

Wie bei allen großtechnischen Produktionsprozessen steckt der Teufel im Detail. Da CO und H2 nicht das gleiche Molekül sind und sich daher unter den Bedingungen eines Hochofens unterschiedlich verhalten, ist die Verwendung von Wasserstoff als Redoxmittel mit Eisenoxid und die Herstellung von sogenanntem „grünem Stahl“ an sich nicht komplizierter Wasserstoff anstelle von Koks ist bereits auf dem Markt verfügbar, wenn auch in begrenzter Menge.

Aufgrund des rasch steigenden Bedarfs an Wasserstoff nicht nur in der Düngemittelindustrie, sondern auch in der Stahlindustrie und anderen Industrien werden mehr und kohlenstoffärmere Wasserstoffquellen benötigt. Hier wird die Wirtschaftlichkeit hinter den Wasserstoffquellen zu einem wichtigen Faktor: Wasserstoff aus Erdgas über SMR kostet etwa 1 US-Dollar/kg, während Wasserstoff aus einem Elektrolyseur, der ausschließlich mit erneuerbarer Energie betrieben wird, weit über 4,40 US-Dollar/kg kostet. Für nukleare Quellen (Elektrolyseur oder Thermolyse) liegen die Pauschalkosten je nach Reaktortyp zwischen 0,69 und 4,80 US-Dollar, was dies neben der Methanpyrolyse zu einer praktikablen Option für grünen Wasserstoff macht.

Für welche Optionen wir uns am Ende auch entscheiden, es ist schwer, die Bedeutung von Wasserstoff für unsere Zivilisation und die Notwendigkeit, viel mehr davon zu produzieren, zu leugnen. Ob wir eines Tages so viel davon haben werden, dass wir es für den Transport und die Herstellung von E-Fuels nutzen können, bleibt abzuwarten, derzeit industrielle Anwendungen wie die Umstellung der Stahlindustrie von Koks auf (kohlenstoffarmen) Wasserstoff . Hier können wir beispielsweise sehen, wie Norwegian Blastr in ein neues Stahlwerk in Finnland investiert, das eine Wasserstoffanlage vor Ort nutzen wird, die mit lokaler Wasserkraft betrieben wird.

Da der Preis für Wasserstoff unter 2 US-Dollar pro Kilogramm liegen muss, um „grünen Stahl“ rentabel zu machen, wenn er mit herkömmlichem Stahl konkurrieren will, wird die Suche nach billigem Wasserstoff und damit auch die Nachfrage intensiviert. Da fragt man sich schon, warum von einem „Umstieg auf eine Wasserstoffwirtschaft“ die Rede ist, wenn es den Anschein hat, dass wir schon seit mindestens einem Jahrhundert in einer Wirtschaft leben, auch wenn es nicht ganz das war, was man in den Hochglanz-Marketingbroschüren sieht.