Methoden der Wasserstoffherstellung einfach erklärt

Wasserstoff ist ein unsichtbares Gas, aber in den Nachrichten hat er oft Farben: Man spricht von „grauem“ oder „grünem“ Wasserstoff. Warum ist das so?

Die Farbe beschreibt nicht das Gas selbst, sondern wie umweltfreundlich es hergestellt wurde. Wasserstoff gilt als der Treibstoff der Zukunft für Autos, Flugzeuge und die Industrie. Da er auf der Erde aber fast nur gebunden vorkommt (zum Beispiel in Wasser oder Erdgas), müssen wir ihn erst herstellen. In diesem Artikel lernst du die verschiedenen Methoden der Wasserstoffherstellung kennen – von den klassischen Verfahren der Industrie, die leider viel $\text{CO}_2$ produzieren, bis hin zu den sauberen Alternativen, die unsere Energieversorgung revolutionieren könnten.

Vorwissen

• Chemisches Gleichgewicht: Reaktionen können in beide Richtungen ablaufen. Dies wird mit einem Doppelpfeil ($\rightleftharpoons$) dargestellt. Beispiel: Wasser verdampft und kondensiert in einem geschlossenen Topf gleichzeitig.
• Oxidation und Reduktion: Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen. Beispiel: Wenn Eisen rostet, gibt es Elektronen ab (Oxidation).
• Elektroden bei der Elektrolyse: Die Anode ist der Pluspol (hier findet die Oxidation statt), die Kathode ist der Minuspol (hier findet die Reduktion statt). Beispiel: An der Kathode (Minuspol) nehmen Ionen Elektronen auf.

Aufgabentyp 1: Konventionelle Wasserstoffgewinnung aus Kohlenwasserstoffen

Der meiste Wasserstoff wird heute noch aus fossilem Erdgas (hauptsächlich Methan, $\text{CH}_4$) gewonnen. Dieser Wasserstoff wird oft „grauer Wasserstoff“ genannt, weil dabei klimaschädliches Kohlenstoffdioxid ($\text{CO}_2$) entsteht. Das wichtigste Verfahren dafür ist die Dampfreformierung.

Dieser Prozess nutzt die heterogene Katalyse. Das bedeutet: Die reagierenden Stoffe sind Gase, aber sie reagieren an der Oberfläche eines festen Katalysators (meist ein Metall), der die Reaktion beschleunigt. Der Prozess läuft in drei Schritten ab:

Schritt 1: Der Primärreformer Methan reagiert mit heißem Wasserdampf. Dabei entsteht Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) und unser gewünschter Wasserstoff. $\text{CH}_4(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{g}) \rightleftharpoons \text{CO}(\text{g}) + \textcolor{#08BFFF}{3 \text{ H}_2(\text{g})}$ (Hinweis: Das „g“ steht für gasförmig)

Schritt 2: Der Sekundärreformer Da im ersten Schritt nicht das gesamte Methan reagiert hat, wird nun etwas Sauerstoff ($\text{O}_2$) hinzugegeben. Das restliche Methan reagiert zu weiterem Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. $2 \text{ CH}_4(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightleftharpoons 2 \text{ CO}(\text{g}) + \textcolor{#08BFFF}{4 \text{ H}_2(\text{g})}$

Schritt 3: Die Wassergas-Shift-Reaktion Das giftige Kohlenstoffmonoxid ($\text{CO}$) aus den ersten beiden Schritten wird genutzt, um noch mehr Wasserstoff zu gewinnen. Es reagiert mit weiterem Wasserdampf zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff. $\text{CO}(\text{g}) + \text{H}_2\text{O}(\text{g}) \rightleftharpoons \text{CO}_2(\text{g}) + \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2(\text{g})}$

Die Alternative: Pyrolyse Um das klimaschädliche $\text{CO}_2$ zu vermeiden, gibt es eine Alternative: Die Pyrolyse. Hierbei wird Methan unter extremer Hitze (ohne Sauerstoff) direkt gespalten. Der große Vorteil: Der Kohlenstoff wird nicht zu gasförmigem $\text{CO}_2$, sondern fällt als reiner, fester Kohlenstoff ($\text{C}$) an, den man einfach lagern oder industriell nutzen kann. $\text{CH}_4(\text{g}) \rightarrow \text{C}(\text{s}) + \textcolor{#08BFFF}{2 \text{ H}_2(\text{g})}$ (Hinweis: Das „s“ steht für solid/fest)

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Herstellung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse

Grüner Wasserstoff ist der Star der Energiewende. Er wird durch Elektrolyse hergestellt. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wenn dieser Strom aus erneuerbaren Energien (wie Wind oder Sonne) stammt, ist der Prozess komplett klimaneutral – es werden keine fossilen Brennstoffe verbrannt und es entsteht kein $\text{CO}_2$.

Die alkalische Elektrolyse Reines Wasser leitet elektrischen Strom sehr schlecht. Deshalb gibt man in der Industrie ein Salz oder eine Base hinzu, meistens Kaliumhydroxid (Kalilauge). Die Elektroden (die Stromleiter im Wasser) sind oft mit Nickel oder Ruthenium beschichtet.

Wenn der Strom fließt, passieren zwei Dinge gleichzeitig:

1. Am Minuspol (Kathode): Hier findet die Reduktion statt. Die Wassermoleküle nehmen Elektronen ($\text{e}^-$) auf. Dabei entsteht unser Wasserstoffgas und Hydroxid-Ionen ($\text{OH}^-$). $\text{Kathode (-): } 4 \text{ H}_2\text{O} + 4 \text{ e}^- \rightarrow \textcolor{#08BFFF}{2 \text{ H}_2} + 4 \text{ OH}^-$

2. Am Pluspol (Anode): Hier findet die Oxidation statt. Die Hydroxid-Ionen geben Elektronen ab. Dabei entsteht Sauerstoffgas und Wasser. $\text{Anode (+): } 4 \text{ OH}^- \rightarrow \text{O}_2 + 2 \text{ H}_2\text{O} + 4 \text{ e}^-$

Fasst man beide Teilgleichungen zusammen (die Elektronen und einige Wassermoleküle kürzen sich weg), erhält man die Gesamtreaktion der Wasserzerlegung: $\text{Gesamtreaktion: } 2 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \textcolor{#08BFFF}{2 \text{ H}_2} + \text{O}_2$

Die PEM-Elektrolyse Eine moderne Alternative ist der PEM-Elektrolyseur (Protonen-Austausch-Membran). Er funktioniert im Grunde wie eine umgekehrte Brennstoffzelle. Anstatt flüssiger Lauge verwendet man hier destilliertes Wasser und eine spezielle, feste Membran, die mit Edelmetallen (wie Platin) beschichtet ist. Diese Membran lässt nur positiv geladene Protonen ($\text{H}^+$) hindurch. PEM-Elektrolyseure sind extrem effizient und können schnell auf Stromschwankungen (z. B. bei Windkraft) reagieren, sind aber aufgrund der Edelmetalle teurer.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Prüfung die Gleichungen für die alkalische Elektrolyse aufstellen sollst, gehe so vor:

1. Pole und Reaktionen zuordnen: Merke dir: Oma Anna (Oxidation an der Anode = Pluspol) und Rote Katze (Reduktion an der Kathode = Minuspol).
2. Kathode (Minuspol) formulieren: Wasser nimmt Elektronen auf. Schreibe: $4 \text{ H}_2\text{O} + 4 \text{ e}^- \rightarrow 2 \text{ H}_2 + 4 \text{ OH}^-$
3. Anode (Pluspol) formulieren: Die entstandenen $\text{OH}^-$-Ionen wandern zur Anode und geben Elektronen ab. Schreibe: $4 \text{ OH}^- \rightarrow \text{O}_2 + 2 \text{ H}_2\text{O} + 4 \text{ e}^-$
4. Gesamtreaktion bilden: Streiche alles weg, was auf beiden Seiten der Pfeile in gleicher Menge steht (die $4 \text{ e}^-$, die $4 \text{ OH}^-$ und $2 \text{ H}_2\text{O}$). Übrig bleibt immer: $2 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow 2 \text{ H}_2 + \text{O}_2$.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Dampfreformierung: Erzeugt Wasserstoff aus Erdgas in drei Schritten, produziert aber klimaschädliches $\text{CO}_2$.
• Pyrolyse: Spaltet Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff ($\text{C}$), wodurch direkte $\text{CO}_2$-Emissionen vermieden werden.
• Grüner Wasserstoff: Wird durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom hergestellt (klimaneutral).
• Alkalische Elektrolyse: Wasser wird gespalten. An der Kathode (-) entsteht Wasserstoff, an der Anode (+) entsteht Sauerstoff.