Wer im Chemieunterricht mit Begeisterung dabei war oder auch so gerne mal ins Periodensystem schaut hat mit Sicherheit schon mal ein Auge auf den Buchstaben H ganz oben links in der Ecke geworfen. Das Kürzel steht für das Element Wasserstoff.
Dieses ist im letzten Jahrzehnt zu einem der Schlüsselelemente der Energiewende geworden und ist als grüne Technologie eine potenzielle Zukunftslösung im Kampf gegen den Klimawandel. Warum? Bspw. auf Grund seiner besonderen Eigenschaften, wenn es um Energiespeicherung geht oder auch als Mobilitätslösung. Wasserstoff könnte in naher Zukunft unsere Tanks füllen. Wie das funktioniert, wieso Wasserstoff weniger Konkurrent, als Partner der Batterie ist und wieso Expert*innen vom “Superelement Wasserstoff” reden? Das erfahrt ihr im folgenden Artikel.
Wasserstoff - Allgemeines zum Element mit dem H
Wasserstoff ist ein chemisches Element, welches mit dem Buchstaben “H” im Periodensystem zu finden ist. Von allen Elementen auf unserer Erde hat es die geringste Masse und ist damit leichter als Luft. Man findet Wasserstoff nahezu endlos auf unserem Planeten, jedoch meistens in gebundener Form und nicht als reinen Wasserstoff. So ist uns bestimmt allen H2O ein Begriff, mit welchem wir tagtäglich unsere Gläser füllen. Aber auch in Erdgas oder Biomasse ist Wasserstoff zu finden.
Es gibt jedoch ein Problem mit dem Element. Wasserstoff ist hochentzündlich. Dazu kommt, dass es geruchlos und nicht sichtbar, oder spürbar ist. Anders als Benzin oder Erdgas beispielsweise, ist der Stoff und damit die Brandgefahr für uns Menschen kaum zu erkennen. Dieser Umstand führte dazu, dass Wasserstoff, gerade als Energieträger für die menschliche Mobilität, im Jahr 1937 einen mächtigen Imageschaden erlitt. Der Absturz der Hindenburg, dem damals größten gemessenen Luftschiff, wurde über mehrere Theorien versucht zu erklären. Die Populärste war es, den Wasserstoff als Auslöser des Brands zu identifizieren, welcher sich in großen Mengen an Bord befand. Über einen Funken soll es zum Brand und zum Absturz der Hindenburg gekommen sein. Damit endeten die Versuche, Wasserstoff als zuverlässigen Treibstoff für unsere Fortbewegung zu etablieren. Heutzutage ist man sich in Expert*innenkreisen sicher: Wasserstoff war nicht die Ursache für die Katastrophe, sondern eine elektrostatische Aufladung.
Mittlerweile hat sich die Sicht auf den Wasserstoff wieder verändert. Mit den bevorstehenden Herausforderungen in der Energiewende und dem Klimawandel haben sich die Vorteile von Wasserstoff bewährt. Auf der Suche nach nachhaltigen Zukunftstechnologien ist es nahezu unmöglich, das Element zu umgehen. Sowohl in Sachen Energiespeicherung, als auch in der Umweltverträglichkeit und Zugänglichkeit ist Wasserstoff ein “Schlüsselelement” der Energiewende. In den folgenden Abschnitten erfahrt ihr hierzu alles wichtige, um nachvollziehen zu können, warum über Wasserstoff heute so viel zu lesen ist.
Die Bundesregierung hat im Jahr 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie veröffentlicht. Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt arbeiten an der Weiterentwicklung sowie neuen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstofftechnologien und auch schon erste Wasserstoff angetriebene Autos rollen auf unseren Straßen.
Man merkt: Es lohnt sich Bescheid zu wissen und Wasserstoff ein wenig Aufmerksamkeit zu schenken. Aus diesem Grund - lest gerne weiter. Wir verschaffen euch einen Überblick, bei dem sich so manche Unklarheit bezüglich Wasserstoff in Luft auflösen wird.
Es müssen neue Möglichkeiten her. Was füllt in Zukunft unsere Tanks? (Bild: Gab Pili, Unsplash)
Das Supermolekül Wasserstoff - Wieso reden wir darüber?
Im LifeVERDE Podcast “Grünes Mikro” hatten wir im Juli vergangenen Jahres die Wasserstoff Experten Jürgen Pfeiffer und Sven Jösting zu Gast. Sie bezeichneten den Stoff als Supermolekül. Gründe dafür gibt es reichlich. Wasserstoff ist zum Beispiel nicht selbstentzündlich, nicht radioaktiv, nicht krebserregend, nicht wassergefährdend usw. Die Liste lässt sich lange weiterführen. Ein Argument wurde im Gespräch besonders herausgestellt:
Wasserstoff ist ein Energieträger und keine Energiequelle. Das ist für die gesamte Thematik sehr wichtig zu verstehen. Das Element ist keine Energiequelle, wie bspw. die fossilen Brennstoffe Kohle oder Öl, sondern kann erzeugte Energie zwischenspeichern und auch wieder freisetzen. Im besten Fall aus erneuerbaren Energien. Und genau hier spielt Wasserstoff eine so entscheidende Rolle.
Wasserstoff kann verhältnismäßig viel Energie speichern. Verglichen mit Benzin speichert ein Kilo Wasserstoff ungefähr dreimal so viel Energie. Dazu kommt, dass in der Umwandlung von der gespeicherten Energie keine umweltschädlichen Abgase und Abfallprodukte produziert werden und der Prozess umweltfreundlich ist. Es entsteht lediglich Wasser.
Wo ist die Speicherung sinnvoll einsetzbar?
Einiges an Veränderung kommt zukünftig auf uns zu. Der Klimawandel drängt uns dazu, neue Lösungen zu finden Energie zu produzieren und uns auf den Straßen fortzubewegen. Die Energieproduktion aus erneuerbaren Energien ist dafür die Lösung als Quelle der Energie. Doch es gibt ein Problem und hier kommt der Wasserstoff ins Spiel.
Energie, welche aus Wind-, Sonne- und Wasserkraft gewonnen wird, ist nur inkonstant vorhanden. Aufgrund der Abhängigkeit vom Wetter kommt es in der Energieerzeugung an manchen Tagen zu Überproduktionen und an manchen zu Unterproduktionen. Die Herstellung und der Verbrauch der erzeugten Energie verschieben sich zeitlich. Jedoch benötigen wir Menschen auch nachts oder bei Windstille Energie. Hier kann der Wasserstoff aushelfen. Er soll als Ausgleich eingesetzt werden, um diese Phasen zu überbrücken, indem die überschüssige Energie dann in Wasserstoff gespeichert wird. So kann in den Überbrückungsphasen auf die gespeicherte Energie aus Wasserstoffspeichern zurückgegriffen werden.
Die Energiespeicherung ist eine der großen Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff. Aber auch in der Industrie bspw. im Herstellungsprozess für Stahl oder für Mobilitätslösungen ist das Element schon in Verwendung und wird als Zukunftstechnologie hoch gehandelt. Damit man aber erstmal versteht, wie die Energiespeicherung durch Wasserstoff, bzw. der Einsatz von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, in unseren Autos funktioniert und abläuft, muss man erstmal die Herstellung des Wasserstoffs verstehen.
Herstellung von Wasserstoff - die Elektrolyse:
In der Dokumentation des MDR fasst Moderatorin Daniela Schmidt den Elektrolyseprozess bildlich treffend zusammen: “Man trennt ein Paar und bringt es wieder zusammen und dabei entsteht dann Energie.”
Bei der Elektrolyse wird Wasser oder H2O unter Verwendung von Strom in seine Bestandteile H = Wasserstoff und O = Sauerstoff aufgeteilt. Das muss man sich so vorstellen, dass in einen mit Wasser gefüllten Behälter über zwei Elektroden Strom geleitet wird. Dieser zerlegt das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Es entsteht doppelt so viel Wasserstoff (H2) wie Sauerstoff (O). Deswegen auch die “2” nach dem “H”.
Dadurch lässt sich die Energie, die zur Spaltung verwendet wird, im gewonnenen Wasserstoff speichern. Wird diese Energie jetzt wieder benötigt, wird das umgekehrte Verfahren angewandt. Dabei geht es darum, aus dem Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff wieder Wasser und ganz entscheidend, Energie zu gewinnen. In diesem Prozess entsteht als Endprodukt auch wieder genauso viel Wasser, wie vorher für die Herstellung verbraucht wurde. So funktioniert eine Wasserstoff-Brennstoffzelle (umgekehrte Elektrolyse), die jetzt schon in Autos verbaut und getestet wird.
Durch diesen Prozess lassen sich große Mengen an Energie speichern, welche durch die erneuerbaren Energien bei Überproduktion für die Spaltung in Wasserstoff benutzt werden kann. Über bspw. die Brennstoffzelle kann diese Energie freigesetzt werden und hinterlässt als Endprodukt Wasser. Exakt die gleiche Menge, die zur Herstellung verwendet wurde. Das macht Wasserstoff als Energieträger und Antrieb zirkulär, umweltschonend und vorteilhaft.
Im Zusammenspiel mit den erneuerbaren Energien schafft Wasserstoff Zukunftspotenziale (Bild: Jason Blackeye, Unsplash)
Mobilität durch Wasserstoff:
Bei der Mobilität durch Wasserstoff geht es um die Verwendung von Wasserstoff zum Antrieb von Fahrzeugen. Über eine Wasserstoff Brennstoffzelle und einen Elektromotor wird die Energie im Wasserstoff in Bewegung umgesetzt. Bei dem batteriebetriebenen Fahrzeug wird hierfür nicht die Brennstoffzelle eingesetzt, sondern eben eine geladene Batterie.
“Wir werden für verschiedene Anforderungen in der Mobilität verschiedene Lösungen brauchen” sagt uns Jürgen Pfeiffer im LifeVERDE Podcast. Damit bezieht er sich auf die Trennung, die zwischen den batteriebetriebenen und den wasserstoffbetriebenen Mobilitätslösungen so häufig gemacht wird. Debatten werden geführt, als müsste irgendwann die Entscheidung für eine der Möglichkeiten fallen. Im Gespräch macht der Experte klar, dass nicht eins von beiden die Lösung ist, sondern beide zusammen, situationsbezogen eingesetzt. Immer angepasst an die Anforderungen der jeweiligen Mobilitätssituation, wie bspw. im Vergleich des Kurzstrecken- und Langstreckenverkehr.
Batterien als Energiespeicher haben je nach Größe ein entsprechnedes Gewicht. Eine Batterie für ein schweres Großfahrzeug würde wenig Sinn machen, weil der Energieaufwand, der für die Fortbewegung betrieben wird, allein von dem Batteriegewicht erheblich an Energieeffizienz verliert. Jürgen Pfeiffer redet deshalb von einem nötigen “Split” im Einsatz von Batterie und Wasserstoff. Für die kurzen Stadtstrecken in kleinen Fahrzeugen: der Batteriebetrieb mit vielen Ladestationen im Stadtgebiet. Im Langstreckenverkehr mit hohen Lasten: der Wasserstoffantrieb mit einem entsprechenden Tankstellennetz.
Selbst die Unterscheidung zwischen “wasserstoffbetrieben” und “batteriebetrieben” ist nicht ganz richtig. Auch das Wasserstoff Auto wird durch einen Elektromotor betrieben. Jedoch wird dieser nicht durch eine Batterie mit Energie versorgt und an der Ladestation aufgeladen, sondern wird durch die Wasserstoff-Brennstoffzelle im Auto mit Strom versorgt. Beides gehört jedoch zur “Elektromobilität”.
Das Fahrzeug der Zukunft fährt mit Batterie und Wasserstoff. Wie funktioniert letzteres eigentlich? (Bild: Chuttersnap, Unsplash)
Wie fährt ein Auto mit Wasserstoff?
Angetrieben durch einen Elektromotor fährt ein solches Auto mit getanktem Wasserstoff. Diesen zapft man in einen Druckbehälter, in dem der Wasserstoff wie in einem Benzintank im Auto gelagert ist und über die Brennstoffzelle den Elektromotor und somit das Auto antreibt. Der Wasserstoff muss in einem normalen Mittelklasse PKW in Druckbehältern auf 700 bar komprimiert lagern, da Wasserstoff leichter als Luft ist und dieser sonst entweichen würde. Ohne Kompression wäre der Tank tatsächlich größer als das Auto selbst.
Um Verwirrung zu vermeiden: Brennstoffzelle heißt es nicht, weil etwas in dem Prozess verbrannt wird. Man nennt es jedesmal so, wenn ein Brennstoff, wie Wasserstoff verwendet wird. Was in der Wasserstoff Brennstoffzelle stattfindet ist aber keine echte Verbrennung, sondern eine elektrochemische Reaktion.
Im Vergleich zum Batteriefahrzeug hat das Wasserstoffauto in vielen Vergleichspunkten der beiden Antriebe die Nase vorn. Sowohl in der Reichweite, der Tankzeit als auch in der Herstellung des Wasserstoffs schneidet es besser ab, als die Batterie Ladung. Jedoch gibt es ein entscheidendes Manko.
Wirkungsgrad & der Tank - wo liegt das Problem mit dem Wasserstoff in der Mobilität?
Wirkungsgrad bezeichnet, wie viel verwendete Energie bei der Fortbewegung eines Fahrzeugs in tatsächliche Bewegung umgesetzt wird. Dabei liegt die Batterie mit bis zu 72% vor den maximal 39% des Wasserstoff Autos. Im Vergleich, ein Verbrennungsmotor erzielt im Durchschnitt nur bis zu 25% wirklich umgesetzte Fortbewegung, aber im Vergleich zur Batterie ist der Unterschied groß. Durch den Umwandlungsprozess von Strom in Wasserstoff und wieder zurück, bleibt viel Energie auf der Strecke und ist deshalb nicht besonders energieeffizient. Das ist einer der großen Kontrapunkte bei Wasserstoff als Mobilitätslösung. Bereits um den Wasserstoff überhaupt transportfähig zu machen, geht ein Teil der Energie verloren. Auch an der Tankstelle, bevor der Wasserstoff dann letztendlich ins Fahrzeug gelangt, muss er noch einmal unter Energieaufwand vorkonditioniert werden, damit er unter richtigem Druck und der passenden Temperatur getankt werden kann. Und letzten Endes kommt dann noch der Verlust innerhalb der Brennstoffzelle hinzu. So kommt aktuell von der Energie, die ursprünglich eingesetzt wurde, nur ein Bruchteil auf der Straße an.
Natürlich sind auch die Tanks für unsere Autos ein Thema. Aufgrund der leichten Entzündlichkeit, des im Tank auf 700 bar komprimierten Wasserstoffs springen erst einmal alle Warnsignale an. Lange Zeit war die Entwicklung eines geeigneten Tankgehäuses die Herausforderung für die Forschung. Mittlerweile hat sich eine Lösung ergeben. Wasserstoff soll zukünftig in Karbonfaserbehältern in unseren Autos gelagert werden. Die Kompression lässt sich aufgrund der Materialbeschaffenheiten erfolgreich bewältigen und auch das Austreten kann dadurch sicher unterbunden werden.
Farbenlehre Wasserstoff
Wenn man sich ein wenig mit dem Thema Wasserstoff beschäftigt hat, wird man nicht um die verschiedenen Farbbezeichnungen für das Element herumgekommen sein. Diese Farbbezeichnungen sind immer abhängig von der zur Herstellung des Wasserstoffs verwendeten Energiequelle.
Der graue Wasserstoff ist die Basis, und zwar gewonnen aus Erdgas, wie er heute schon bspw. in der Chemieindustrie in großen Mengen im Einsatz ist. Der “grüne Wasserstoff”, als Ziel der Wasserstofflösung, bezeichnet die Herstellung aus erneuerbaren Energien und damit den komplett CO2-neutralen, “sauberen” Weg der Energieherstellung und -speicherung. Um nicht die komplette Farbpalette aus 10 Farben aufzuzählen, nennen wir noch den gelben Wasserstoff aus Biogas, welchen Experte Sven Jösting im Podcast fast mit dem “grünen Wasserstoff” gleich stellt. Aktuell interessant im Hinblick auf die wiederauflebende Kernkraft Thematik in der EU, ist der aus Atomenergie hergestellte “rote Wasserstoff”.
Fazit: Wasserstoff - das Superelement in den Startlöchern
Die Bundesregierung hat 2020 mit der "Nationalen Wasserstoff Strategie" Wasserstoff als Zukunftstechnologie festgeschrieben. Und das macht sich bemerkbar. In Deutschland sind von weltweit ca. 500 Wasserstoff Tankstellen 100 zu finden und es bleibt abzuwarten, wann die ersten Wasserstoffautos von deutschen Herstellern auf die Straßen kommen.
Die Eigenschaften von Wasserstoff in Sachen Energiespeicherung und als Energieträger schaffen ganz neue Potenziale, um die Herausforderung durch den Klimawandel und den wachsenden Energiebedarf zu bestehen. Neue Lösungen, welche besonders emissionsfrei und leicht zugänglich sind, müssen her. Wasserstoff erfüllt diese Eigenschaften und wird im Zusammenspiel mit weiteren grünen Technologien ein wichtiger Faktor für die Zukunft sein. Im Moment befinden wir uns noch in den Anfängen des Verständnisses und des Einsatzes dieses Energieträgers. An vielen Stellen ist noch Ausbaubedarf, um das Potenzial des Wasserstoffs ausschöpfen zu können. Aktuelle Elektrolysesysteme sind noch zu kosten- und energieintensiv. Das führt dazu, dass die wenigen, rein durch Wasserstoff betrieben Fahrzeuge, die es aktuell auf dem Markt gibt, für die Allgemeinheit kaum finanzierbar sind. So kostet beispielsweise der Toyota Mirai fast 70.000€ und in der Herstellung noch weitaus mehr, was sich laut Autoherstellern nach derzeitigem Stand auch nicht reduzieren lässt. Dadurch haben schon viele Unternehmen ihre Pläne, reine Wasserstoff-Fahrzeuge auf den Markt zu bringen, eingestellt oder erst einmal auf Eis gelegt, solange die Produktion noch so kostenintensiv ist. Stattdessen fokussieren sich einige Autohersteller momentan eher auf die Entwicklung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen, ohne Brennstoffzelle. Zudem dürfen Faktoren, wie höhere Betriebskosten und häufige Generalchecks, nicht außer Acht gelassen werden. Diese erhöhen zusätzlich das Kostenproblem rund um den Wasserstoff.
Dennoch, es lohnt sich bei dem Thema genauer hinzuhören. Missverständnisse, wie das klare Bekenntnis zu entweder Batterie oder Wasserstoff oder die überspitzte Angst vor Explosionen durch Wasserstoff gehören aus der Welt geschafft, um keine Möglichkeiten einer grünen Zukunft zu verpassen.
Ein hoch interessantes Thema, welches die Schlagzeilen der nächsten Jahre füllen wird und uns in eine nachhaltig grüne Zukunft führen kann. Wir sind gespannt, bleiben am Ball und hoffen: Ihr ab jetzt auch.
Danke fürs Lesen!
_________________________________
Auch interessant: Nachhaltig leben dank Smarthome Alexa & Co unter der Lupe
Die Bundesregierung macht Ernst beim Thema Wasserstoff
Dezentrale Energieversorgung als Schlüssel zur weltweiten Energiewende
Folge uns auf Instagram, um keine nachhaltige Alternative mehr zu verpassen: LifeVERDE
Kommentar erstellen
