Industrielle Anwendungen von Wasserstoff einfach erklärt

Wusstest du, dass die traditionelle Stahlherstellung für fast 7 % der weltweiten Treibhausgas-Emissionen verantwortlich ist? Stell dir vor, wir könnten riesige Mengen Stahl herstellen und als einziges „Abgas“ entstünde reines Wasser!

Genau das ist mit Wasserstoff möglich. In diesem Artikel schauen wir uns an, warum industrielle Anwendungen von Wasserstoff so wichtig sind, wie er als mächtiger Energieträger fungiert und wie er in der Industrie genutzt wird, um die schmutzige Kohle zu ersetzen und unseren Planeten zu schützen.

Vorwissen

• Exotherme Reaktionen: Chemische Reaktionen, bei denen Energie (meist als Wärme) an die Umgebung abgegeben wird. Die Reaktionsenthalpie ($\Delta_r H^\circ$) hat dabei ein negatives Vorzeichen. Beispiel: Beim Verbrennen von Holz wird Wärme frei ($\Delta_r H^\circ < 0$).
• Reduktion: Eine chemische Reaktion, bei der ein Stoff Sauerstoff abgibt (oder Elektronen aufnimmt). Beispiel: Wenn Eisenoxid seinen Sauerstoff verliert, wird es zu reinem Eisen reduziert.

Aufgabentyp 1: Energetik von Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff ist ein hervorragender Energieträger, der in Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen genutzt werden kann. Wenn Wasserstoff verbrennt, reagiert er mit Sauerstoff zu Wasser. Diese Reaktion ist stark exotherm, das heißt, sie setzt sehr viel Energie frei.

Die Reaktionsgleichung lautet:

$2 \text{ H}_2(g) + \text{O}_2(g) \to 2 \text{ H}_2\text{O}$

Hierbei müssen wir zwei wichtige Begriffe unterscheiden: den Heizwert ($H_i$) und den Brennwert ($H_s$). Beide geben als positiven Wert an, wie viel Energie nutzbar wird. Der Unterschied liegt im Aggregatzustand des entstehenden Wassers.

• Heizwert ($H_i$): Bei der Verbrennung entsteht zunächst sehr heißer, gasförmiger Wasserdampf. Wenn dieser Dampf einfach als Abgas entweicht, erhalten wir den Heizwert. Die Standardreaktionsenthalpie beträgt hierbei $\Delta_r H^\circ = -484 \text{ kJ}$. Der Heizwert ist der positive Betrag davon: $H_i = 484 \text{ kJ}$.
• Brennwert ($H_s$): Wenn wir das Abgas abkühlen, kondensiert der Wasserdampf zu flüssigem Wasser. Bei dieser Kondensation wird zusätzliche Wärme freigesetzt (die sogenannte Kondensationswärme). Die gesamte nutzbare Energie ist nun größer. Die Enthalpie sinkt weiter auf $\Delta_r H^\circ = -572 \text{ kJ}$. Der Brennwert ist also höher: $H_s = 572 \text{ kJ}$.

Merke dir die einfache Regel: Der Brennwert ist immer größer als der Heizwert ($H_s > H_i$), weil die zusätzliche Energie aus der Kondensation des Wassers mitgenutzt wird.

Aufgabentyp 2: Direkte Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff

Die traditionelle Stahlherstellung im Hochofen ist ein großes Problem für das Klima. Dort wird Kohlenstoff (Koks) genutzt, um dem Eisenoxid (dem Eisenerz) den Sauerstoff zu entziehen. Dabei entsteht massenhaft das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$).

Die moderne Lösung heißt Direktreduktion mit grünem Wasserstoff. Hierbei übernimmt der Wasserstoff die Rolle des kohlenstofffreien Reduktionsmittels. Er „klaut“ dem Eisenoxid den Sauerstoff. Das Geniale daran: Anstelle von $\text{CO}_2$ entsteht als Abgas nur reines Wasser!

Die Reaktionsgleichung lautet:

$\text{Fe}_2\textcolor{#53E5D6}{\text{O}_3} + 3 \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2} \to 2 \text{ Fe} + 3 \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2}\textcolor{#53E5D6}{\text{O}}$

Praxisbezug: Dieser Prozess findet in einer speziellen Direktreduktionsanlage statt. Da die Temperaturen hier niedriger sind als im klassischen Hochofen, schmilzt das Eisen nicht. Es bleibt fest und bildet eine poröse, schwammartige Struktur – den sogenannten Eisenschwamm.

Um aus diesem Eisenschwamm flüssigen Stahl zu machen, wird er anschließend in einem Elektro-Schmelzofen (Lichtbogenofen) eingeschmolzen. Wenn sowohl für die Herstellung des Wasserstoffs als auch für den Schmelzofen Strom aus erneuerbaren Energien genutzt wird, ist der gesamte Prozess komplett $\text{CO}_2$-frei.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung die Gleichung für die Reduktion von Eisenoxid aufstellen musst, gehe systematisch vor:

1. Edukte und Produkte notieren: Schreibe das Eisenoxid und den Wasserstoff auf die linke Seite. Auf die rechte Seite kommen reines Eisen und Wasser.
2. Sauerstoffatome ausgleichen: Zähle die Sauerstoffatome im Eisenoxid. Setze genau diese Zahl als Faktor vor das Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) auf der rechten Seite.
3. Wasserstoff- und Eisenatome ausgleichen: Zähle nun die Wasserstoffatome im Wasser auf der rechten Seite und gleiche sie auf der linken Seite beim $\text{H}_2$ an. Gleiche zum Schluss die Eisenatome ($\text{Fe}$) ab.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Brennwert vs. Heizwert: Der Brennwert ($H_s$) ist immer größer als der Heizwert ($H_i$), da er die zusätzliche Kondensationswärme des flüssigen Wassers beinhaltet.
• Direktreduktion: Wasserstoff ersetzt Kohlenstoff als Reduktionsmittel in der Stahlproduktion. Es entsteht Wasser statt $\text{CO}_2$.
• Eisenschwamm: Da die Direktreduktion bei niedrigeren Temperaturen abläuft, schmilzt das Eisen nicht, sondern bildet einen porösen Eisenschwamm, der später mit Ökostrom geschmolzen wird.