Die nukleare Wasserstoffproduktion gilt weithin als bevorzugte Methode zur großtechnischen Wasserstoffherstellung, doch ihre Entwicklung verläuft schleppend. Was genau ist also nukleare Wasserstoffproduktion?
Die nukleare Wasserstoffproduktion, also die Kombination eines Kernreaktors mit einem fortschrittlichen Wasserstoffproduktionsverfahren, ermöglicht die Massenproduktion von Wasserstoff. Die Wasserstofferzeugung aus Kernenergie bietet die Vorteile, dass keine Treibhausgase entstehen, Wasser als Rohstoff genutzt wird, die Produktion hocheffizient und großtechnisch möglich ist. Daher stellt sie eine wichtige Lösung für die zukünftige großflächige Wasserstoffversorgung dar. Laut Schätzungen der IAEA kann ein kleiner 250-MW-Reaktor mithilfe von Hochtemperatur-Kernreaktionen 50 Tonnen Wasserstoff pro Tag produzieren.
Das Prinzip der Wasserstoffproduktion aus Kernenergie besteht darin, die im Kernreaktor erzeugte Wärme als Energiequelle zu nutzen und durch die Wahl geeigneter Technologien eine effiziente und großtechnische Wasserstoffproduktion zu realisieren. Dadurch können Treibhausgasemissionen reduziert oder sogar vollständig vermieden werden. Das Schema der Wasserstoffproduktion aus Kernenergie ist in der Abbildung dargestellt.
Es gibt viele Möglichkeiten, Kernenergie in Wasserstoff umzuwandeln, darunter die Nutzung von Wasser als Rohstoff mittels Elektrolyse, thermochemischer Zyklen, Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, Schwefelwasserstoff-Cracking sowie Pyrolyse von Erdgas, Kohle und Biomasse. Bei der Verwendung von Wasser als Rohstoff entsteht im gesamten Produktionsprozess kein CO₂, wodurch Treibhausgasemissionen praktisch vermieden werden können. Die Wasserstoffgewinnung aus anderen Quellen reduziert lediglich die Kohlenstoffemissionen. Die Nutzung von Wasser für die Kernelektrolyse stellt lediglich eine Kombination aus Kernenergieerzeugung und traditioneller Elektrolyse dar und zählt daher noch zur Kernenergieerzeugung. Sie gilt allgemein nicht als eigenständige Technologie zur nuklearen Wasserstoffproduktion. Aus diesem Grund werden der thermochemische Zyklus mit Wasser als Rohstoff, die vollständige oder teilweise Nutzung nuklearer Wärme sowie die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse als zukunftsweisende Technologien zur nuklearen Wasserstoffproduktion angesehen.
Derzeit gibt es zwei Hauptverfahren zur Wasserstofferzeugung in der Kernenergie: die elektrolytische und die thermochemische Wasserstofferzeugung. Kernreaktoren liefern für diese beiden Verfahren elektrische bzw. thermische Energie.
Bei der Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung wird Kernenergie zur Stromerzeugung genutzt, wobei das Wasser anschließend in einem Elektrolysegerät in Wasserstoff gespalten wird. Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse ist ein relativ direktes Verfahren, jedoch ist der Wirkungsgrad (55–60 %) gering. Selbst mit der modernsten SPE-Wasserelektrolysetechnologie in den USA lässt sich der Wirkungsgrad auf 90 % steigern. Da die meisten Kernkraftwerke derzeit jedoch nur Wärme mit einem Wirkungsgrad von etwa 35 % in Strom umwandeln, beträgt der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse in Kernkraftwerken lediglich 30 %.
Die thermochemische Wasserstoffproduktion basiert auf einem thermochemischen Kreislauf, der einen Kernreaktor mit einer entsprechenden Anlage koppelt. Die hohe Temperatur des Reaktors dient als Wärmequelle, wodurch Wasser bei 800 °C bis 1000 °C thermisch zersetzt wird und so Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Im Vergleich zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung ist die thermochemische Wasserstoffproduktion effizienter; der Gesamtwirkungsgrad wird voraussichtlich über 50 % erreichen, und die Kosten sind geringer.
Veröffentlichungsdatum: 28. Februar 2023