Wasserstoff Klimaschutz

Wasserstoff – alles, was man wissen muss

Wasserstoff gilt als ein zentraler Energieträger der Zukunft. Die Energiewende ist untrennbar mit der verstärkten Nutzung von Wasserstoff verbunden. Doch was ist das eigentlich – Wasserstoff? Wo kommt er vor? Wie wird er gewonnen? Und wie zieht man Energie daraus? Wir beantworten einige grundlegende Fragen.

Inhaltsverzeichnis | Wasserstoff: Erzeugung, Transport, Speicherung, Verwendung

Das Element Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Er stellt 75 % der gesamten Masse beziehungsweise 93 % aller Atome des Sonnensystems. Auf der Erde ist Wasserstoff in seiner molekularen Form (H2) als Bestandteil des Wassers sowie in fast allen organischen Verbindungen in gebundener Form vorhanden. Allerdings macht er nur einen sehr kleinen Anteil an der Erdmasse aus (0,03 %), weil er eben nur über eine sehr geringe Masse verfügt. Auf anderen Planeten sieht das ganz anders aus: In der Sonne ist Wasserstoff das häufigste chemische Element, genauso wie in Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die mehr als 99,99 % der Masse des Sonnensystems in sich vereinen.

Wasserstoff ist also überall in erheblichen Mengen vorhanden, aber man merkt es fast nicht, weil er so gut wie nichts wiegt. Und: In reiner Form ist er auf der Erde nur sehr selten vorhanden, weil das Gas so extrem flüchtig ist. Wasserstoffmoleküle bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 2 Kilometern pro Sekunde durch den Raum! 

Wie Wasserstoff erzeugt wird

Da Wasserstoff nicht oder nur sehr selten in reiner Form vorkommt, muss er künstlich erzeugt werden. Als Rohstoff dienen alle Verbindungen, in denen Wasserstoff vorkommt, also Wasser, aber auch Erdgas, Methan oder Biomasse. 

Aktuell wird Wasserstoff noch zu großen Teilen aus Erdgas oder Methan erzeugt. Dabei wird die sogenannte Dampfreformierung angewendet. In diesem Verfahren werden die Rohstoffe stark erhitzt, auf 450 bis 500° C, und dann einem starken Druck ausgesetzt, bis zu 30 bar. Damit werden die Rohstoffe in ihre Bestandteile zerlegt und der Wasserstoff als Gas gewonnen.

Immer wichtiger wird im Zuge des Einsatzes von Wasserstoff in der Energiewende das Verfahren der Elektrolyse, mit dem Wasserstoff aus Wasser gewonnen wird. Dabei werden leitfähige Elektrolyten (Salze, Säuren, Basen) dem Wasser hinzugefügt, in das zwei Elektroden eingeführt werden. Diese Pole werden unter Strom gesetzt. An den Polen werden dann jeweils molekularer Sauerstoff und molekularer Wasserstoff freigesetzt. Das Problem ist dabei der relativ große Einsatz von Energie. Der Wirkungsgrad liegt nur zwischen 34 und 44 %. Das bedeutet: Nur etwas mehr als ein Drittel der Energie, die man für die Erzeugung benötigt, findet sich letztlich im Wasserstoff wieder. 

Wie kann Wasserstoff gespeichert werden?

Wasserstoff ist ein Gas und kann daher in zwei Aggregatzuständen gespeichert werden: entweder in gasförmiger oder in flüssiger Form. Als Gas ist Wasserstoff allerdings im Verhältnis zum Volumen relativ energiearm. Bedeutet: Man braucht viel Platz, um entsprechende Energiemengen zu speichern. Deswegen wird Wasserstoff unter hohen Druck gesetzt, um ihn zu verdichten, also die Energiemenge bei gleichem Volumen zu erhöhen. So wird bei Pkw, die mit Wasserstoff und Brennstoffzelle betrieben werden, der Wasserstoff mit einem Druck von 700 bar in das mitgeführte Tankbehältnis gefüllt. 

Wie alle Gase wird Wasserstoff bei entsprechend niedriger Temperatur flüssig. Dieser Vorgang wird Kondensation genannt und findet bei -253° C statt. Das ist gar nicht so weit entfernt vom absoluten Nullpunkt von -273° C, also die niedrigste, physikalisch mögliche Temperatur. Flüssiger Wasserstoff (LH₂) wird vor allem dann eingesetzt, wenn größere Menge über weite Strecken transportiert werden sollen, z. B. in Tanklastwagen oder per Güterverkehr auf der Schiene in entsprechenden Behältnissen.

Wie funktioniert der Transport von Wasserstoff?

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten transportiert werden, die vom jeweiligen Aggregatzustand abhängen. Grundsätzlich eignen sich nahezu alle Speichertechnologien, der Unterschied liegt vor allem in der Größe der Behälter. So kann Flüssigwasserstoff gut in speziellen Tanks auf Lkws transportiert werden. Außerdem lässt sich Wasserstoff gut via Pipeline transportieren. Sowohl in den Niederlanden als auch den USA und Kanada gibt es hier Beispiele. An der Küste des Golfs von Mexiko erstreckt sich zum Beispiel eine Wasserstoff-Pipeline über 300 Meilen (ca. 483 km) vom Houston Ship Channel in Texas bis zum Lake Charles in Louisiana.

Gasförmiger Wasserstoff kann im Grunde genommen wie Erdgas in Gasleitungen transportiert werden. Statt mit Erdgas ließe sich in Zukunft also jeder Haushalt mit Wasserstoff versorgen. Genauso wäre auch der Ablauf für Wasserstofftankstellen. In Höchst bei Frankfurt befindet sich bereits eine Druckwasserstoffleitung, die eine Zapfsäule bedient. Außerdem wird Wasserstoff als Gas auch in einzelnen Speicherflaschen und dann per Lkw oder Eisenbahn transportiert. 

Die sechs Farben des Wasserstoff

Da Wasserstoff aus unterschiedlichen Rohstoffen und auf verschiedene Arten erzeugt wird, hat sich eine Art Farbkonvention etabliert. Damit werden die unterschiedlichen Arten eindrücklich bezeichnet. Mit den Farben soll vor allem deutlich werden, wie klimafreundlich die jeweilige Erzeugungsart eingeschätzt wird.

Grüner Wasserstoff

Dieser Wasserstoff wird unter Einsatz von erneuerbarem Strom mithilfe der Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Der Vorteil liegt hier in der Klimaneutralität des Prozesses. Ein Problem ist der hohe Energieaufwand. Grüner Wasserstoff ist trotzdem ein wichtiger Baustein der Energiewende.

Grauer Wasserstoff

Hier wird der Wasserstoff unter Nutzung fossiler Energieträger (Kohle, Erdgas) erzeugt. Problem dabei: Es wird CO2 freigesetzt. Damit ist grauer Wasserstoff nicht klimaneutral. Allerdings könnte grauer Wasserstoff für eine Übergangszeit notwendig sein, um diese Neuorganisation des Energieverbrauchs zum Beispiel im Wärmesektor anzuschieben.

Blauer Wasserstoff

Hierbei handelt es sich eigentlich um grauen Wasserstoff. Allerdings wird bei der Erzeugung das dabei entstehende CO2 nicht in die Atmosphäre geleitet, sondern klimaneutral in unterirdischen Lagerstätten gespeichert. 

Türkiser Wasserstoff

Hier wird bei der Erzeugung ein anderes Verfahren angewendet, federführend entwickelt von BASF. Es handelt sich um die sogenannte Methanpyrolyse. Dabei wird das Gas Methan (Hauptbestandteil von Erd- bzw. Biogas) in Kohlenstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der Kohlenstoff liegt dann in fester Form vor und kann in alten Bergwerksstollen eingelagert werden. Dieses Verfahren ist dann klimaneutral, wenn der dabei benötigte Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Von Vorteil ist, dass bei der Herstellung wesentlich weniger Energie benötigt wird als bei der Erzeugung des blauen Wasserstoffs. Man kann hier von einem Faktor 5 ausgehen. Das hängt damit zusammen, dass der Rohstoff Methan an sich bereits so viel mehr Energie enthält als das Wasser, das bei der Erzeugung des blauen Wasserstoffs eingesetzt wird.

Roter Wasserstoff

Dieser Wasserstoff wird zwar klimaneutral erzeugt, aber mit Strom aus Kernkraftwerken, die ja Strom ohne CO2-Emissionen erzeugen. Dieser Ansatz wird zum Beispiel in Japan verfolgt, um den Heizungssektor mit Brennstoffzellenheizungen klimafreundlicher zu organisieren. 

Weißer Wasserstoff

Ist zwar selten, aber tatsächlich kann man in einigen Gegenden der Welt wie zum Beispiel in Afrika natürliche Vorkommen von Wasserstoff mittels Fracking-Technologien gewinnen.

In dieser Grafik werden die 4 wichtigsten Arten von Wasserstoff erläutert und was sie unterscheidet: grüner, blauer, türkiser sowie grauer Wasserstoff. Grafik: Erdgas Südwest
In dieser Grafik werden die 4 wichtigsten Arten von Wasserstoff erläutert und was sie unterscheidet: grüner, blauer, türkiser sowie grauer Wasserstoff. Grafik: Erdgas Südwest

Wie Wasserstoff verwendet wird: Wärme & Mobilität

Erneuerbare Energie aus Sonne, Wind oder Wasserkraft steht nicht durchgängig in konstanter Menge zur Verfügung. Mal gibt es zu wenig, mal zu viel. Um diese Schwankungen zu glätten, könnte Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen. Er wird erzeugt, wenn es zu viel Grünstrom im System gibt. Und er könnte verstromt werden, wenn es an Strom mangelt. 

Die Verwendung von Wasserstoff war bis in die jüngste Vergangenheit auf einige Prozesse in der Industrie beschränkt. Er dient dabei zur Herstellung von Anilin oder Ammoniak. Eingesetzt wird Wasserstoff aber auch als Schweißgas beim autogenen Schweißen. Durch seine Eigenschaften wird Wasserstoff immer wichtiger, um als speicherbarer, theoretisch beliebig erzeugbarer Energieträger eine tragende Rolle in der Energiewende zu spielen. Neben der Energieversorgung von energieintensiven Industrien (Stahlwerke, Chemie usw.) wird vor allem eine Verwendung im Bereich Wärmeerzeugung und Mobilität/Logistik diskutiert. 

Bei der Wärmeerzeugung spielt vor allem die Brennstoffzellenheizung eine wichtige Rolle. Diese erzeugt gleichzeitig Wärme und Strom, was den Wirkungsgrad der zugeführten Energie auf nahezu 100 % anhebt. Die mit Wasserstoff betriebene, Strom erzeugende Brennstoffzelle spielt auch bei der Mobilität eine Rolle. In diesem Bereich wird aufgrund des hohen Energieverbrauchs bei der Produktion eher auf Anwendungen im Schwerlastverkehr (Lkw, Schiff, Flugverkehr) gesetzt, bei denen Batterie-elektrische Antriebe nicht sinnvoll verwendet werden können. Generell stehen diese Anwendungen noch ganz am Anfang und bedürfen noch intensiver staatlicher Förderung, um konkurrenzfähig zu werden. Über einen entscheidenden Vorteil verfügen die Anwendungen: Sie können komplett klimaneutral organisiert werden, wenn grüner Wasserstoff verwendet wird. 

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Was bezeichnet der Begriff Wasserstoffwirtschaft?

Eine Energiewirtschaft, die komplett auf Wasserstoff baut – klingt gut, ist aber bis heute in keinem Land der Welt Realität. Dabei ist die Wasserstoffwirtschaft wissenschaftlich erforscht und technisch erprobt. Von der Erzeugung, über die Speicherung, die Verteilung bis hin zur Nutzung lässt sich Wasserstoff sicher, effizient und sauber anwenden.

Bisher liegt das Problem vor allem in seiner Gewinnung, denn Wasserstoff in seiner reinen Form kommt auf der Erde kaum bzw. gar nicht vor. Er muss zum Beispiel aus Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffen oder anderen organischen Verbindungen gefiltert werden. Dieser Prozess ist noch viel zu oft nicht emissionsfrei. Deshalb: Wasserstoff ist immer nur so nachhaltig wie seine Energiequelle. Daher funktioniert eine Wasserstoffwirtschaft nur im Zusammenhang mit einer nachhaltigen Energiewirtschaft. 

Natürlich gibt es auch bei Wasserstoff ein gewisses Unfallrisiko – wie bei allen Energieträgern. Wasserstoff ist hochentzündlich. In der chemischen Industrie ist das nichts Neues, weshalb hier hinreichend Erfahrung mit dem Gas vorherrscht. Gerade wenn es um Alternativen zu Benzin und Diesel in der Fahrzeugindustrie geht, ist dieses Risiko ein Thema. Die Lösung sind Drucktanks, die einiges mehr aushalten als Benzintanks und schwere Unfälle unbeschadet überstehen. 

Nachrichten aus der Welt des Wasserstoffs

Wir haben in diesem Blog in mehreren Artikeln unterschiedliche Aspekte des Themas Wasserstoff in der Energiewende beleuchtet. Hier ein Überblick über die bisherigen Artikel.

Interview mit Dr. Stephan Kaufmann, Innovationsbeauftragter der Bundesregierung zum Thema Grüner Wasserstoff 

Die Bundesregierung hat 2020 eine nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Fast 7 Mrd. Euro sollen in den nächsten Jahren in verschiedenen Sektoren eingesetzt werden, um die Technologie zur Marktreife zu führen. Dr. Kaufmann ist MdB der CDU aus Stuttgart und als Innovationsbeauftragter quasi das Gesicht der Wasserstoffstrategie. Wir haben ihn zum Stand der Dinge befragt und welche Schwerpunkte das Programm setzt.
Grüner Wasserstoff – Mit Sonne, Wind und Wasser in die Zukunft

Dr. Stefan Kaufmann ist Innovationsbeauftragter Grüner Wasserstoff

Debatte über Wasserstoff in der Energiewende

Im Februar 2020 diskutierte ein Podium aus Politikern, Managern und Experten über die Bedeutung des Wasserstoffs in der Energiewende. Dass Wasserstoff eine zentrale Rolle bei der Energiewende einnehmen wird, darüber herrschte auf dem Podium Einigkeit. Nur welche Bereiche der Anwendungen als erste neu organisiert werden sollten, darüber gingen die Meinungen auseinander. Eines wurde allerdings bei allen Unterschieden im Detail klar: Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist ein wichtiger Zwischenschritt, um die klimapolitischen Ziele zu erreichen.

Podium Veranstaltung Wasserstoff

Die Rolle von Wasserstoff in der Energiewende

Erneuerbare Energie aus Sonne, Wind oder Wasserkraft ist nicht durchgängig im gleichen Umfang vorhanden. Mal gibt es zu wenig, mal zu viel. Um diese Schwankungen zu glätten, könnte Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen. Er wird erzeugt, wenn es zu viel Grünstrom im System gibt. Und er könnte verstromt werden, wenn es an Strom mangelt. Die Wasserstoffwirtschaft ist wissenschaftlich erforscht und technisch erprobt. Von der Erzeugung, über die Speicherung, die Verteilung bis hin zur Nutzung lässt sich Wasserstoff sicher, effizient und sauber anwenden.
Warum Wasserstoff eine wichtige Rolle in der Energiewende spielt

Wasserstofftankstelle

Wasserstoff & Mobilität

Der klimaneutrale Umbau des Mobilitätssektors wird aktuell stark diskutiert. Insbesondere das Ende des Verbrennungsmotors und dessen Ersatz bringt etliche Herausforderungen. Die Frage ist dabei, inwiefern Batterie-elektrische Lösungen den gewünschten Komfort (z. B. bei der Reichweite oder dem Laden) bieten oder ob nicht doch mit Wasserstoff versorgte Fahrzeuge die bessere Lösung sind. In diesem Artikel stellen wir dar, warum Wasserstoff im Pkw-Bereich keine sinnvolle Idee ist, aber im Schwerlastverkehr sehr wichtig werden könnte.
Wasserstoff und Brennstoffzelle für klimaneutralen Schwerlastverkehr

Produktion einer Brennstoffzelle bei Bosch

Wasserstoff in der Wärmeversorgung: Die Brennstoffzellenheizung

Brennstoffzellenheizungen werden mit Wasserstoff betrieben, das aus Erdgas erzeugt wird. Sie produzieren Wärme und Strom, und zwar mit höchster Effizienz. Deshalb zählen sie zu den modernsten Heizungssystemen unserer Zeit. In diesem Artikel erläutern wir, wie diese Geräte funktionieren und warum es sich dabei um eine äußerst effiziente Nutzung der eingesetzten Energie handelt.
Wie funktioniert eine Brennstoffzellenheizung?

Haus mit Brennstoffzellenheizung und PV

Wirtschaftliche Bilanz einer Brennstoffzellenheizung

Die Brennstoffzellenheizung ist eine relativ neue Technologie. Zwar ist diese bereits ausgereift, jedoch übersteigen die Kosten für Anschaffung und Installation die anderer Heizungssysteme. Allerdings stellt sich die wirtschaftliche Bilanz angesichts der staatlichen Förderung sowie der hohen Effizienz bei der Energienutzung differenzierter dar. 
Was kostet eigentlich eine Brennstoffzellenheizung?

Bedienung Brennstoffzellenheizung

Brennstoffzellenheizung in der Praxis

Die Zahnärzte Weinreuter in Leingarten bei Heilbronn versorgen ihre Praxis seit zwei Jahren mit einer Brennstoffzellenheizung. In diesem Artikel geben sie Auskunft über ihre Erfahrungen mit der Wasserstofftechnologie und ziehen eine erste Bilanz: „Geringere Energiekosten, höherer Komfort: Für uns war die Brennstoffzellenheizung die richtige Wahl!“
Brennstoffzellenheizung in der Praxis: Was bringt der Heizungstausch?

Porträtfoto Dr Weinreuther Interview Brennstoffzellenheizung

6 Jahre Brennstoffzellenheizung

Seit sechs Jahren betreibt der Physikingenieur Herwig Marschelke bereits eine Brennstoffzellenheizung in seinem Haus – als einer der ersten privaten Anwender in Deutschland überhaupt. Wir haben ein Interview mit ihm geführt, um aus erster Hand zu erfahren, wie es sich mit einer Heizung lebt, die mit Wasserstoff betrieben wird.
Interview: Erfahrungen aus 6 Jahren Brennstoffzellenheizung

Funktionsweise einer Brennstoffzellenheizung

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