Wasserstoff

Wiki - Energietalent Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element auf der Erde. In unserem Sonnensystem besteht 75 Prozent der gesamten Masse aus Wasserstoff, im gesamten Weltall wird sogar ein noch höherer Anteil vermutet. Sämtliche lebende Organismen und beinahe alle organischen Verbindungen bestehen zum Teil aus Wasser, der Verbindung von Wasser- und Sauerstoff.

Wasserstoff hat die geringste Atommasse aller Elemente: Er ist 14-mal leichter als Luft, weder giftig noch ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei.

Wo kommt Wasserstoff natürlicherweise vor?

Wasserstoff kommt auf der Erde meist in der Verbindung mit Sauerstoff als Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche. 96,5 Prozent als Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 Prozent als Süßwasser in Seen und Flüssen, aber auch als Grundwasser.

Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: als Eis in der Arktis und Antarktis. Aber auch Erdgase wie z. B. Methan sowie Erdöl sind wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen. Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.

In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff hauptsächlich als Wasserdampf vor. Wie viel Wasserdampf eine Volumeneinheit Luft enthält, hängt neben dem Vorhandensein von Wasser von der Lufttemperatur ab. Beispielsweise kann Luft von 30 °C Temperatur bis zu 4,2 Volumenprozent Wasserdampf aufnehmen.

Ist Wasserstoff die Lösung für eine CO2-neutrale Energieerzeugung?

Wasserstoff kann Energie speichern und wieder freigeben, ohne dabei CO2 auszustoßen. Insbesondere wenn die gespeicherte Energie erneuerbar ist, werden so klimaschädliche Emissionen vermieden. Chemisch enthält eine Tonne Wasserstoff eine Energiemenge von 33.330 Kilowattstunden. Das entspricht dem durchschnittlichen Strom-Energieverbrauch von 11 Drei-Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus. Wasserstoff kann entweder direkt genutzt werden, z.B. in Industrieprozessen oder im Wärmemarkt.

Die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie kann aber auch mit Brennstoffzellen zurückverwandelt werden in elektrische Energie. Bei dieser Umwandlung geht etwas der Energie verloren. Aktuell liegt der Wirkungsgrad hier bei etwa 50 Prozent. Es wird an Effizienzsteigerungen geforscht. In Zukunft wird erwartet, dass der Wirkungsgrad deutlich steigt. Noch gibt es Herausforderungen auf dem Weg zur klimafreundlichen Energieversorgung durch Wasserstoff.

Zum Beispiel ist Wasserstoff ein leichtes Gas und hat dadurch ein enormes Volumen. Ganze 12 Kubikmeter unverdichteter Wasserstoff entsprechen erst einem Liter Benzin. Zwar kann Wasserstoff entweder komprimiert oder unter hohem Druck verflüssigt werden, jedoch benötigt dieser Verflüssigungsprozess viel Energie. Einmal verdichtet und komprimiert, wird aus dem Nachteil aber ein Vorteil, denn 1 kg Wasserstoff enthält dann fast so viel Energie wie 3 kg Benzin.

Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Auf der Erde ist Wasserstoff praktisch nicht in freier Form vorhanden. Unter dem Begriff „Wasserstoffherstellung“ oder „-erzeugung“ wird die Bereitstellung von molekularem Wasserstoff (H2) bezeichnet. Er muss erst mit Hilfe anderer Energiequellen aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten  werden. Seine Herstellung ist dann klimaneutral, wenn es die Energiequellen zur Gewinnung auch sind. Es kommen verschiedene Ausgangsstoffe in Frage:

• Erdgas, mit seinem Hauptbestandteil Methan
• andere Kohlenwasserstoffe, z.B. Erdöl und Kohle
• Biomasse
• Wasser 
• andere wasserstoffhaltige Verbindungen

Als Energiequelle dient chemische Energie oder zugeführte elektrische, thermische oder solare Energie. 

Elektrolyseverfahren: Emissionsfreie Erzeugung von grünem Wasserstoff

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) in einem ersten Schritt z.B. mit Salz (NaCl) angereichert, um den Ionentransport zu verbessern. Unter Einsatz von Strom wird das Wasser dann in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.

Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen, ist die Herstellung emissionsfrei und es wird sogenannter grüner Wasserstoff erzeugt.

Reformierungsverfahren: Grauer bzw. blauer Wasserstoff aus Erdgas

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch Reformierung aus Erdgas erzeugt. Eine solche Gewinnung aus konventionellen Energieträgern resultiert in sogenanntem grauem Wasserstoff. In einer chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Aus diesem Gasgemisch wird ersterer durch Absorption, Adsorption oder mittels Membranen abgetrennt. Da hierbei CO2 freigesetzt wird, ist ein auf diese Art und Weise erzeugter Wasserstoff nicht klimaneutral.

Wenn das entstandene CO2 nach der Wasserstoff-Herstellung jedoch in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwendet wird (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff. Dieser ist bilanziell klimaneutral, da das CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt.

Methanpyrolyse: Türkiser Wasserstoff

Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH4) thermisch gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Letzterer kann anschließend beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie verwendet werden. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Wo wird Wasserstoff eingesetzt?

Wasserstoff wird aktuell vor allem in der chemischen Industrie, zum Beispiel zur Herstellung von Stickstoffdünger, in Erdölraffinerien zur Raffinierung von Mineralöl oder bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen verwendet. Er birgt als vielseitig einsetzbarer Energieträger gleichzeitig große Potenziale für den Weg hin zu einer klimaneutralen Energieversorgung.

Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete lassen sich in vier Bereiche aufteilen: die Stromerzeugung, der Wärmemarkt, die Industrie und der Mobilitätssektor.

Wasserstoff in der Energiewirtschaft: Flexibilität durch Speicher

Durch den Einsatz von Wasserstoff kann Energie gespeichert, transportiert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder freigegeben werden. Diese Eigenschaft prädestiniert ihn als Speichertechnologie für Erneuerbare Energien. Durch sogenannte Power-to-Gas-Verfahren kann aus regenerativ erzeugtem Strom Wasserstoff produziert werden.

Dieser grüne Wasserstoff kann dann gespeichert oder weitertransportiert werden. Bereits heute gibt es in Deutschland Gasinfrastrukturen, die zum Teil auch für Wasserstoff genutzt werden können – sowohl Speicher als auch Rohre für den Transport.

Außerdem bietet sich Wasserstoff auch für die Wärmeversorgung an. Bereits heute ist es möglich, ihn bis zu fünf Prozent in die deutschen Gasnetzte einzuspeisen, ohne dass es eine Anpassung der Gasheizungen in den Haushalten bedarf. Pilotprojekte erforschen aktuell die Beimischung von bis zu 30 % Wasserstoff in Erdgasnetze.

Wasserstoff in der Industrie: Dekarbonisierung von nicht elektrifizierbaren Prozessen

In der aktuellen öffentlichen Wasserstoff-Diskussion wird dem Einsatz in der Industrie große Potenziale zugesprochen. Hier gibt es einige Prozesse, die sich nicht oder nur schwierig elektrifizieren lassen. Hier kommt also der direkte Einsatz von erneuerbarem Strom nicht infrage. Aktuell werden für diese Prozesse meist Kohle oder Erdgas genutzt, in Zukunft könnten sie relativ unkompliziert auf zunehmend grünen Wasserstoff umgestellt werden.

Wasserstoff in der Mobilität: Schwerlastverkehr ohne CO2-Emissionen

Auch im Mobilitätssektor gibt es einige Verkehrsmittel, für die sich ein elektrischer Antrieb nur bedingt anbietet: Insbesondere beim Schwerlastverkehr wird zum Beispiel aufgrund des Gewichts der Fahrzeuge viel Energie gebraucht. Dementsprechend würde verhältnismäßig viel Strom benötigt, um die erforderlichen Reichweiten abbilden zu können.

Mit einer Brennstoffzelle lassen sich diese Probleme umgehen. Wenn dann noch vornehmlich grüner Wasserstoff getankt wird, werden auch hier Treibhausgasemissionen deutlich reduziert.

Außerdem gibt es erste Projekte, die in Wasserstoff-Züge investieren. Gerade in ländlichen Bereichen, wo es keine Oberspannungsleitungen gibt und Dieselloks fahren, können so Emissionen eingespart werden. Gleiches gilt für den Schiffsverkehr, wo der Einsatz von Schweröl noch dominiert.