Im Jahr 2020 produzierte Deutschland um die 36 Mio. t Rohstahl und ist damit Platz 8 in der weltweiten Produktionsliste (Statista 2021). Die Gewinnung von Eisen, und damit auch im weitesten Sinne von Stahl, ist ein Hochtemperatur-Prozess, der eine hohe Umweltbelastung nach sich zieht. Allein in Deutschland wurde im Jahr 2017 ungef?hr 42 Mio. t CO₂ im Industriesektor der 伟德国际_伟德国际1946$娱乐app游戏lerzeugung und -bearbeitung freigesetzt (Destatis, 2021). Weltweit wird 28% des industriebedingten CO₂ Aussto?es der Stahl- und Eisenproduktion zugeschrieben (Agert, 2020). Dies liegt vor allem an der Verwendung von Koks als Brennmaterial und Oxidationsmittel von Eisenerzen im Hochofenprozess.
Im Hochofen wird Koks durch Zugabe von Sauerstoff bei 2000 °C verbrannt, wodurch CO₂ entsteht, welches mit weiterem Koks zu CO reagiert. Dieses CO wird ben?tigt, um das Eisenerz (Fe2O3) zu Eisen zu reduzieren. Bei dieser Umwandlung wird CO₂ freigesetzt (Schmidt, 2020).

Durch eine neue Herstellungsroute, der sogenannte Direktreduktion, kann die ben?tigte Temperatur w?hrend des Prozesses von ungef?hr 2000°C auf eine Maximaltemperatur von 1600°C verringert werden. Bei diesem Verfahren wird Wasserstoff als Brennmaterial verwendet, wodurch kein Koks mehr gebraucht wird und das Nebenprodukt CO₂ nicht entsteht. Als Nebenprodukt entsteht hierbei reines Wasser. Veranschaulicht ist dies in folgenden Reaktionsgleichungen (Bhaskar, Mohsen, & Nikpey Somehsaraei, 2022):

$$ \begin{aligned}3 \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{O}_{3}(\mathrm{~s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g}) & \rightarrow 2 \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \\\end{aligned} $$

$$ \begin{aligned}(1-\mathrm{x}) \mathrm{Fe}_{3} \mathrm{O}_{4}(\mathrm{~s})+(1-4 \mathrm{x}) \mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g}) & \rightarrow 3 \mathrm{Fe}_{1-x} \mathrm{O}(\mathrm{s})+(1-4 \mathrm{x}) \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g}) \\\end{aligned} $$

$$ \begin{aligned}\mathrm{Fe}_{1-x} \mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2}(\mathrm{~g}) & \rightarrow(1-\mathrm{x}) \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})\end{aligned} $$

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Da der Reaktionsmechanismus der gleiche bleibt, sind die unterschiedlichen Stufen des Eisenoxides auch in der herk?mmlichen Reduktion durch Koks zu finden. Wird H₂ mit CO und H₂0 mit CO₂ ausgetauscht, werden genau diese Gleichungen erhalten, da die Reaktionsgleichungen nahezu ?quivalent zueinander sind.

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2019 wurde für die Herstellung von Ammoniak 31 Millionen Tonnen Wasserstoff verwendet, wodurch dieser Prozess den zweitgr??ten Anwendungsfall, nach der Veredlung und Aufwertung von Roh?l, von reinem Wasserstoff darstellt (Hebling, et al., 2019). Das wohl bekannteste und meistverwendete Verfahren zu Herstellung von Ammoniak ist das Haber-Bosch-Verfahren. Hierbei wird der Stickstoff aus der Luft mit reinem Wasserstoff zur Reaktion gebracht, um Ammoniak herzustellen. Ammoniak ist ein wichtiges Edukt in vielen chemischen Herstellungsverfahren, unter anderem von Salpeters?ure, Nitrobenzole und Harnstoff, die für die Produktion von Düngern, Kunstfasern, Sprengstoff, Farben und Lacken genutzt werden (Schmidt, 2020). Die hierfür n?tige Reaktionsgleichung ist im Folgenden dargestellt:

Ammoniak-Synthese:? $$ 3 \mathrm{H}_{2}+2 \mathrm{~N}_{2} \rightarrow \mathrm{NH}_{3} $$ ??

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Der für diesen Prozess ben?tigte Wasserstoff wird heutzutage gr??tenteils aus der Dampfreformierung gewonnen. Als Edukt wird Erdgas verwendet, was unweigerlich dazu führt, dass eine gro?e Menge an fossilem CO₂ ausgesto?en wird. Im Zuge der Energiewende wird angestrebt, den für diesen Prozess ben?tigten Wasserstoff aus alternativen und nachwachsenden Ressourcen zu gewinnen (siehe Kapitel Herstellung von Wasserstoff).

Ein industriell wichtiger Syntheseschritt ist die Umsetzung von Ammoniak zu Harnstoff:

Harnstoff-Synthese: $$ \mathrm{CO}_{2}+2 \mathrm{NH}_{3} \rightarrow\left(\mathrm{NH}_{2}\right)_{2} \mathrm{CO}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} $$

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Findet der gesamte Prozess der Umwandlung , wie in? Abbildung 1 gezeigt, in einer Gro?anlage statt, kann bis zu 2/3 des CO₂, welches zuvor in der Dampfreformierung angefallen ist, für die Weiterreaktion zu Harnstoff verwendet werden. (Agert, 2020).

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Wasserstoff, Ammoniak und Harnstoff sind jetzt schon wichtige Grundbausteine für viele? chemische Prozesse von relevanten Produkten der Gesellschaft. Der Bedarf wird zukünftig durch eine steigende Bev?lkerungszahl und dem damit verbundenen h?heren Bedarf an Nahrung und Dünger stark ansteigen. Durch die Energiewende wird der Stellenwert des Ammoniaks durch den Einsatz als Energiemedium weiter gesteigert. Da Ammoniak in der Handhabung und Speicherung leichter ist als Wasserstoff, wird es als eine m?gliche Alternative zur Langzeitspeicherung angesehen.

Wasserstoff spielt bereits bei der Herstellung herk?mmlichen Kraftstoffen, wie Diesel, Benzin und Kerosin, eine gro?e Rolle und dient zur Aufwertung und Aufbereitung der Kohlenwasserstoffe. Das Hydrocracking ist ein katalytisches Cracking-Verfahren, bei dem aus langkettigen Kohlenwasserstoffen des Erd?ls kürzere Ketten mit Hilfe des Wasserstoffes gebildet werden für die Weiterverarbeitung und Herstellung von Dieselkraftstoff Fraktionen (Agert, 2020). Eine weitere Anwendung ist die Entschwefelung von Mineral?len mittels Wasserstoff, die dorthin gehend ben?tigt wird, um die Katalysatoren des Motors w?hrend des Verbrennungsvorgangs vor der Vergiftung durch Schwefel zu schützen. Wasserstoff bindet den Schwefel in Form von H₂S Gas, wodurch der Schwefel entfernt werden kann.
Die Verarbeitung von Roh?len verbrauchte im Jahr 2015 ungef?hr 5,2 Milliarden nm³ (Normkubikmeter; entspricht ca. 450 Millionen kg) Wasserstoff. Hierbei wurden 1,9 Milliarden nm³ (ca.171 Millionen kg) bereits als Nebenprodukt der Dampfreformierung gewonnen. Aber nicht nur die Verbrennung von herk?mmlichen Kraftstoffen sondern auch deren Herstellung erzeugt als Nebenprodukt Treibhausgase. Wird der graue Wasserstoff durch Grünen ersetzt, l?sst sich mit diesen Werten um die 1,72 Millionen Tonnen CO₂-?quivalent einsparen (Agert, 2020).

Neben der Entwicklung von neuen Antriebstechnologien ist ein weiterer globaler Forschungsschwerpunkt das Ersetzen von herk?mmlichen Kraftstoffen durch synthetische, die auch eFuels genannt werden. Die Synthese erfolgt durch Reaktion von CO₂ mit Wasserstoff. Es wird hierbei versucht die unterschiedlichen Gemische aus denen Benzin, Diesel, Kerosin und ?hnliche Kraftstoffe bestehen künstlich nachzustellen. Dieser Prozess kann aber nur dann als klimaneutral betrachtet werden, wenn das CO₂ über bestimmte Methoden erzeugt oder gewonnen wurde. CO₂ kann als Nebenprodukt von (Verbrennungs-) Reaktionen frühzeitig nach dem Carbon Capture and Storage (CCS) Verfahren eingefangenen und gespeichert werden. Zudem ist das Direct-Air-Capture ein neuartiges Verfahren, um CO₂ direkt aus der Umgebungsluft einzufangen und zu speichern. Auch wenn dieses Verfahren noch in der Demonstrationsphase ist, existieren ausgearbeitete Pl?ne, um dieses Verfahren industriell und im gro?en Ma?stab zu verwirklichen?(Keith, Holmes, St. Angelo, & Heidel, 2018).
Der gro?e Vorteil der eFuels gegenüber anderen alternativen Mobilit?tsl?sungen ist ihre einfache Integrierung in die bereits vorhandene und heute genutzte Infrastruktur. Die eFuels sind den raffinierten Kraftstoffen nachempfunden, sodass sie wie diese einfach getankt werden k?nnen. Hohe Kosten und Energieverluste w?hrend der Produktion zeigen, dass die eFuels ein noch nicht vollkommen ausgereiftes System darstellen und viel Freiraum für zukünftige Entwicklungen und Forschungen lassen (Agert, 2020).