Technik
Was ist Wasserstoff?
Das Element Wasserstoff ist nicht nur das am einfachsten aufgebaute, sondern auch das leichteste aller Elemente. Sein Atom besteht lediglich aus einem Proton und einem Elektron.
Wasserstoff
- ist das mit Abstand häufigste Element im Weltall und es ist der Stoff aus dem das Weltall entstand.
- ist der Hauptbestandteil der Sonne und damit der Wärme- und Lichtlieferant für unsere Erde.
- kommt auf der Erde ausschließlich in chemisch gebundener Form vor, z. B. als Wasser, in organischen Verbindungen und in den Kohlenwasserstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle, Biomasse usw.).
- ist ein ungiftiges, farb-, geruch- und geschmackloses Gas.
- wird ab einer Temperatur von ca. -253°C flüssig und ab ca. -259°C fest.
- hat eine extrem hohe Energiedichte. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt etwa dreimal so viel Energie, wie in einem Kilogramm Erdöl. Das bedeutet: viel Energie bei wenig Gewicht und damit gut speicher- und transportierbar.
- kann unter Einsatz von Energie aus seiner Verbindung gelöst werden. Bislang wird er großindustriell meist durch Dampfreformierung gewonnen. Um die damit verbundenen CO2-Emissionen zu vermeiden und der Verknappung fossiler Rohstoffe entgegenzuwirken, bieten sich verschiedene Techniken zur regenerativen Wasserstoffherstellung an – zum Beispiel die Elektrolyse, bei der der Wasserstoff aus Wasser gelöst wird.
Elektrolyse
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Die sauberste Variante zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Dieses Verfahren ist schon seit über 100 Jahren bekannt. Dabei wird Wasser mit elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
2H2O (l) ----el. Energie ---> 2H2(g) + O2 (g)
Für die Elektrolyse nutzt man einen Elektrolyseur. Die heutigen PEM Elektrolyseure (Polymer-Elektrolyt-Membran) arbeiten mit destilliertem Wasser. In dem Elektrolyseur zersetzt sich durch Zugabe von elektrischer Energie das Wasser in seine Bestandteile. Die dabei entstehenden Gase werden aufgefangen.
Zu den Speichermöglichkeiten kommen wir an einer anderen Stelle.
Brennstoffzelle
Wird die Funktionsweise eines Elektrolyseurs umdreht, entsteht daraus eine Brennstoffzelle. Wird einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff (aus der Umgebungsluft) zugeführt, wandelt die Brennstoffzelle die chemische Energie der beiden Gase in elektrische Energie und Wasser um.
Speicher
Im Gegensatz zu elektrischem Strom ist Wasserstoff sehr gut speicherbar und lässt sich problemlos auch über längere Zeiträume "lagern" und transportieren. Die Speicherung von Wasserstoff ist auf unterschiedlichster Weise möglich.
Wasserstoff in Druck- und in Flüssiggasspeichern zu speichern, sind zur Zeit üblich praktizierte Speicherverfahren der Industrie.
Als Druckspeicher werden Behälter aus Stahl und/oder Verbundmaterial genutzt.
Und zwar in Dimensionen, wie sie üblich z.B. auf Fahrzeugen, bei Lkw-Transporten oder bei der stationären Speicherung an Tankstellen oder bei Industrie und Gewerbe eingesetzt werden.
Für die Verwendung in Fahrzeugen hat sich die Automobilindustrie auf Drucktanks zur Speicherung von Wasserstoff festgelegt (ähnlich wie in erdgasbetriebenen Fahrzeugen). Hier sind Tanks mit einem Druckniveau von 350 und 700 bar üblich.
Prinzipiell ist auch die Speicherung in Gasometern möglich und die chemische Industrie speichert seit Jahrzehnten große Mengen Wasserstoff in Salzkavernen. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung in sogenannten Metallhydriden. Hierbei wird der Wasserstoff in den Lücken eines (kalten) Metallgitters eingelagert und bei Erwärmung des Speichers wieder abgegeben. Ein Kubikmeter Metallhydrid enthält mehr Wasserstoffatome als ein Kubikmeter verflüssigter Wasserstoff. In einem Metallhydridspeicher kann fünfmal mehr elektrische Energie gespeichert werden als in einem Bleiakkumulator gleichen Gewichts. Aktuell sind Metallhydridspeicher noch sehr teuer und schwer.
Bei den zuvor beschriebenen Speichermöglichkeiten geht es um Verfahren, mit denen man langjährige, teils jahrzehntelange Erfahrung hat. Weitere mögliche Speicherverfahren befinden sich noch in der Grundlagenforschung und Entwicklung.
Mythen, Fakten und Sicherheit
„Es muss erst eine komplette Wasserstoffindustrie entwickelt werden.“
Bereits heute werden jährlich in Deutschland ca. 20 Mrd. m³ Wasserstoff erzeugt, weltweit sind es über 500 Mrd. m³. Ohne Wasserstoff gäbe es ganze Industriezweige nicht – z. B. die Raffinerien zur Entschwefelung von Diesel, die Methanolherstellung und die Raumfahrt um nur wenige zu nennen.
Der Industriezweig der technischen Gase hat jahrzehntelang Erfahrungen im Betrieb aller wichtigen Komponenten der Wasserstofferzeugung gesammelt: von der Reformierung von Erdgas, Elektrolyse, Kompression und Verflüssigung über Transport (gasförmig und verflüssigt), Speicherung (ober- und unterirdisch) bis schließlich hin zur Nutzung in der Elektronik- und Chemieindustrie, Lebensmittelwirtschaft sowie der Medizin.
Aber den Weg in die Energiewirtschaft hat Wasserstoff bisher noch nicht geschafft, wenn auch seit ca. 200 Jahren an der Entkarbonisierung von Energie geforscht und entwickelt wird und der Weg auf Wasserstoff hinweist. Auch in der Energiewirtschaft führt letztlich kein Weg an Wasserstoff vorbei.
„Wasserstoff ist zu gefährlich, explosiv und zu flüchtig für den allgemeinen Gebrauch.“
Jede Energie hat ihre spezifischen Sicherheitsrisiken, so auch Wasserstoff. Von alleine kann Wasserstoff nicht explodieren (wie z. B. Sprengstoff). Zu einer Explosion unter der Beteiligung von Wasserstoff kann es nur kommen, wenn weitere Zutaten hinzugefügt werden: Sauerstoff oder Chlor und eine Zündquelle. Zusätzlich müssen in der Atmosphäre unter atmosphärischen Bedingungen etwa 4 % Wasserstoff eingemischt sein, damit es mit einer Zündquelle angezündet werden kann. Ab ca. 75 % ist eine Zündung des Gemischs wegen Sauerstoffmangels nicht mehr möglich.
„Die Produktion von Wasserstoff verbraucht mehr Energie als er liefert, folglich ist er verhindernd ineffizient.“
Wasserstoff ist wie elektrischer Strom Sekundärenergie . Beide benötigen Primärenergie für die Herstellung und wie elektrischer Strom kann Wasserstoff aus jeder beliebigen Primärenergie gewonnen werden. Bei der Nutzung von erneuerbaren Energien sind beide Sekundärenergien operativ Umwelt- und Klima-ökologisch sauber. Beide sind elektrochemisch ineinander umwandelbar: Strom in Wasserstoff in der Elektrolyse und Wasserstoff in Strom in der Brennstoffzelle. Die jeweiligen Ketten der Energieumwandlungen – von Strom oder Wasserstoff – sind natürlich verlustbehaftet. Jeder Übergang verursacht Verluste. Im Gegensatz zu elektrischem Strom ist Wasserstoff aber sehr gut speicherbar, lässt sich problemlos auch über längere Zeiträume "lagern", transportieren und ist vielfältig einsetzbar.