Die nukleare Wasserstoffproduktion gilt allgemein als bevorzugte Methode für die großtechnische Wasserstoffproduktion, doch die Entwicklung scheint langsam zu sein. Was also ist nukleare Wasserstoffproduktion?
Die nukleare Wasserstoffproduktion, d. h. die Kombination eines Kernreaktors mit einem fortschrittlichen Wasserstoffproduktionsverfahren, ermöglicht die Massenproduktion von Wasserstoff. Die Wasserstoffproduktion aus Kernenergie bietet die Vorteile, dass keine Treibhausgase entstehen, Wasser als Rohstoff verwendet wird, sie hocheffizient und in großem Maßstab möglich ist. Daher ist sie eine wichtige Lösung für die zukünftige großflächige Wasserstoffversorgung. Nach Schätzungen der IAEA kann ein kleiner 250-MW-Reaktor durch Hochtemperatur-Kernreaktionen täglich 50 Tonnen Wasserstoff produzieren.
Das Prinzip der Wasserstoffproduktion durch Kernenergie besteht darin, die vom Kernreaktor erzeugte Wärme als Energiequelle für die Wasserstoffproduktion zu nutzen und durch die Wahl geeigneter Technologien eine effiziente und großtechnische Wasserstoffproduktion zu ermöglichen. Dadurch werden Treibhausgasemissionen reduziert oder sogar vermieden. Die Abbildung zeigt schematisch die Wasserstoffproduktion durch Kernenergie.
Es gibt viele Möglichkeiten, Kernenergie in Wasserstoff umzuwandeln, darunter Wasser als Rohstoff durch Elektrolyse, thermochemischer Kreisprozess, Wasserstofferzeugung durch Hochtemperatur-Dampfelektrolyse, Wasserstofferzeugung durch Cracken von Schwefelwasserstoff als Rohstoff sowie Wasserstofferzeugung durch Pyrolyse von Erdgas, Kohle und Biomasse als Rohstoffe. Bei der Verwendung von Wasser als Rohstoff entsteht im gesamten Wasserstofferzeugungsprozess kein CO₂, wodurch Treibhausgasemissionen praktisch vermieden werden können. Die Erzeugung von Wasserstoff aus anderen Quellen reduziert lediglich die Kohlendioxidemissionen. Außerdem ist die Nutzung von Wasser durch Kernelektrolyse nur eine einfache Kombination aus Kernenergieerzeugung und herkömmlicher Elektrolyse, die noch immer zum Bereich der Kernenergieerzeugung gehört und im Allgemeinen nicht als echte Technologie zur nuklearen Wasserstofferzeugung angesehen wird. Deshalb gelten der thermochemische Kreisprozess mit Wasser als Rohstoff, die vollständige oder teilweise Nutzung von Kernwärme und die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse als die zukünftigen Technologien zur nuklearen Wasserstofferzeugung.
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Wasserstofferzeugung in der Kernenergie: die elektrolytische Wasserstofferzeugung durch Wasser und die thermochemische Wasserstofferzeugung. Kernreaktoren liefern für die beiden genannten Arten der Wasserstofferzeugung jeweils elektrische Energie und Wärmeenergie.
Bei der Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung wird Kernenergie zur Stromerzeugung genutzt und anschließend durch eine Wasserelektrolyseanlage in Wasserstoff zerlegt. Die Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse ist eine relativ direkte Methode, deren Wirkungsgrad (55 % bis 60 %) jedoch gering ist. Selbst mit der modernsten SPE-Wasserelektrolysetechnologie in den USA steigt der Wirkungsgrad der Elektrolyse auf 90 %. Da die meisten Kernkraftwerke derzeit jedoch nur einen Wirkungsgrad von etwa 35 % bei der Umwandlung von Wärme in Strom haben, beträgt der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse in der Kernenergie lediglich 30 %.
Die thermochemische Wasserstoffproduktion basiert auf einem thermochemischen Kreislauf. Dabei wird ein Kernreaktor mit einer Anlage zur thermochemischen Wasserstoffproduktion gekoppelt. Die hohen Temperaturen des Kernreaktors werden als Wärmequelle genutzt, sodass Wasser bei 800 °C bis 1000 °C thermisch zersetzt wird und Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Im Vergleich zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion ist die thermochemische Wasserstoffproduktion effizienter. Der Gesamtwirkungsgrad liegt voraussichtlich bei über 50 %, und die Kosten sind geringer.
Veröffentlichungszeit: 28. Februar 2023