Was ist Wasserstoff ?

Wasserstoff ist das am häufigsten im Universum vorkommende chemische Element. Sterne und Gasplaneten beispielsweise bestehen größtenteils aus Wasserstoff.
Im reinen Zustand kommt Wasserstoff eher selten vor, erst recht auf der Erde. Man findet Wasserstoff vor allem in Verbindung mit anderen Atomen, z. B. mit Sauerstoff im Wasser (H2O) oder mit Kohlenstoff in Kohlenwasserstoffen (CH4, C2H6, …).
Wenn sich zwei Wasserstoffatome verbinden, ist das entstehende Wasserstoffmolekül gasförmig. Man spricht man von Wasserstoffgas. Nach Abkühlung auf -252,87 °C nimmt Wasserstoff eine flüssige Form an.

Wo findet man Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein natürliches Element, das aus Molekülen wie z. B. Wassermolekülen herausgelöst werden kann. Das kann beispielsweise durch Elektrolyse – mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen – oder mithilfe anderer Energiequellen wie Erdgas oder Erdöl durch Reformierung geschehen.
Die Wasserstoffherstellung durch Wasserelektrolyse hat aus ökologischer Hinsicht mehrere Vorteile, weil sie ohne CO2-Ausstoß und lokal erfolgen kann.
Wasserstoff ist keine Energie, sondern ein Energieträger. Das heißt Wasserstoff enthält Energie, die sofort oder später genutzt werden kann. Damit bietet sich eine Möglichkeit, das Problem der Energiespeicherung und der unregelmäßigen Produktionsleistung erneuerbarer Energiequellen zu lösen.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

 

Derzeit gibt es zwei unterschiedliche Verfahren zur Wasserstoffgewinnung.

Die Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird elektrischer Strom eingesetzt, um die Wasserstoffatome in Wassermolekülen von den Sauerstoffatomen zu trennen. Das Verfahren ist eine mögliche Lösung für die Speicherung überschüssiger Energie. Es erlaubt, die Energie aus der schwankenden Produktion erneuerbarer Energiequellen in großem Umfang zu speichern, ohne Kohlenstoff freizusetzen.

Die Reformierung

Bei diesem Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff werden Kohlenwasserstoffe auf 700 °C bis 1100 °C erhitzt. Am gebräuchlichsten ist die Dampfreformierung, bei der Methan mit Wasserdampf gespalten wird.
Das Methan (CH4) wird zunächst einer Entschwefelung unterzogen, bei der eventuell enthaltene Schwefelmoleküle beseitigt werden. Dann wird dem Methan Wasserdampf (H2O) zugeführt. Auf diese Weise erhält man molekularen Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), das darauf hin erneut mit dem Wasserdampf reagiert, um Kohlendioxid (CO2) zu bilden. Die Dampfreformierung kann wie folgt ausgedrückt werden:

CH4 + 2 H2O → CO + 3 H2 + H2O → CO2 + 4 H2

Die Vorzüfe von Wasserstoff

 

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird oft nicht zwischen Wasserstoff und Wasserstoffgas unterschieden, aber genau genommen geht es aus energietechnischer Sicht um das Wasserstoffgasmolekül H2. Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und ist ein vielversprechender Energieträger, der jetzt dank technischer und wissenschaftlicher Forschungsarbeiten genutzt werden kann.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff werden große Energiemengen generiert, die zur Erzeugung von Wärme oder Strom eingesetzt werden können.

Zur Gewinnung von Wasserstoff durch Spaltung können erneuerbare, grüne Energien wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft eingesetzt werden. Auf diese Weise lassen sich Treibhausgasemissionen reduzieren und die lokalen Kreisläufe werden begünstigt.

Wasserstoff, der mithilfe erneuerbarer Energien gewonnen wird, ist eine schonende Alternative zu fossilen Energien, die mit hohen CO2-Emissionen einhergehen, denn bei seiner Verbrennung wird kein Kohlenstoff freigesetzt.

Wasserstoff ist ein effizienter Energiespeicher und Wasserstoffflaschen lassen sich einfach lagern.

Um Wasserstoff für elle zugänglich zu machen, ist Entwicklungsarbeit nötig

Die wissenschaftlichen und technischen Fortschritte der letzten Jahre haben zur Entstehung der Wasserstoffbranche geführt, aber es besteht noch viel Spielraum für weitere Innovationen. Zahlreiche Forschungsarbeiten sind darauf ausgerichtet, Lösungen für die folgenden Probleme zu finden:

Die Herstellung von Wasserstoff und insbesondere das CO2-neutrale Elektrolyse-Verfahren verbraucht sehr viel Energie.

Die Lagerung großer Mengen ist aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff schwierig und sowohl die Kompression für die Abfüllung von Hochdruckgasflaschen als auch die Verflüssigung oder Einlagerung in Metallhydridspeichern ist energieaufwendig.

Die kohlenstofffreie Herstellung ist mit hohen Kosten verbunden und eine Nutzung durch breite Schichten der Bevölkerung setzt bedeutende Investitionen voraus.

Wasserstoff ist ein brennbares Gas. Bei Lagerung und Gebrauch müssen entsprechende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.

Bevor sich eine allgemeine Nutzung durchsetzen kann, muss die Branche technische Fortschritte machen, um eine Verbesserung der Wirkungsgrade zu erzielen. Zudem muss Wasserstoff als Ergänzung zu bestehenden Technologien positioniert werden, damit seine Vorzüge voll ausgeschöpft werden können.

Welche Rolle spielt Wasserstoff für die Energiewende?

Die Wasserstoff-Technologie stand bei der UN-Klimakonferenz in Paris im Dezember 2015 neben anderen im Mittelpunkt der Gespräche. Als Ergänzung zu erneuerbaren Energien kommt ihr eine entscheidende Rolle in der Energiewende zu.
Die Energieproduktion aus erneuerbaren Quellen ist nämlich Schwankungen unterworfen. Manchmal wird mehr produziert, als das Netz aufnehmen kann, manchmal reicht die Produktion nicht aus, um dem Bedarf gerecht zu werden.
Ein Beispiel dafür sind Fotovoltaikanlagen. Sie produzieren zwischen 10 Uhr und 16 Uhr mehr Energie als nötig, morgens und abends sind sie dagegen nicht in der Lage die Bedürfnisse der Haushalte zu decken.
Wasserstoff erlaubt u. a. die überschüssige Energie zu speichern, und regelt die mit der dezentralen Energieproduktion verbundenen Probleme. Darüber hinaus lässt sich durch den Einsatz von Wasserstoff eine beträchtliche Reduzierung von Treibhausgasemissionen erreichen.
Wasserstoff kann daher entscheidend zur Energiewende beitragen. Seine gewerbliche Nutzung setzt allerdings noch zahlreiche Investitionen voraus.

Wie lässt sich Wasserstoff nutzen?

Als Energieträger kann Wasserstoff in Strom, Wärme oder mechanische Energie umgewandelt werden.
Man kann ihn folgendermaßen einsetzen:

  • ortsgebunden zur Strom-/Wärmeerzeugung in Gebäuden (Kraft-Wärmekopplung)

  • zur stofflichen Nutzung in der Industrie 

  • als Antrieb in mobilen Anwendungen

Für die Umwandlung von Wasserstoff in Energie wird ein Energiewandler benötigt: die Wasserstoff-Brennstoffzelle.