Bereits im 18. Jahrhundert wurde Wasserstoff als Element entdeckt. Seit 100 Jahren ist Wasserstoff ein wichtiger Rohstoff in der Chemieindustrie, dies wird er auch in Zukunft bleiben. Doch die Bedeutung als Energieträger wird in den nächsten Jahren deutlich zunehmen. Das wachsende Umweltbewusstsein und der stetig steigende Bedarf an Energieversorgung benötigen Lösungen, die eine Speicherung und Transport von Primärenergie zulässt. Zudem rückt eine Energiewirtschaft immer mehr in den Fokus, die auf Primärenergie gestützt möglichst frei von Emissionen entsteht.
Entstehung von Wasserstoff
Primärenergie bezeichnet Energieformen oder Quellen, die ursprünglich vorkommen wie Kohle und Erdgas, aber auch Energieträger wie Sonne, Wind und Kernbrennstoffe. Rein chemisch betrachtet, ist auch Wasserstoff eine Primärenergie, muss aber mithilfe von Hydrolyse und einer Primärenergie gewonnen werden. So ist Wasserstoff immer nur so umweltfreundlich, wie die verwendete Primärenergie. Die Ökobilanz ist somit entscheidend von der Gewinnung abhängig.
Grauer Wasserstoff entsteht bei der Dampfreformierung. Unter Wärmeeinwirkung reagieren Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) und Wasserdampf und geben Wasserstoff, aber auch CO2 frei.
Blauer Wasserstoff wird zunächst wie Grauer gewonnen, doch hier wird das entstehende CO2 aufgefangen und gelagert oder weiter verarbeitet.
Bei grünem Wasserstoff erfolgt die komplette Gewinnung mithilfe erneuerbarer Energien und ist somit völlig emissionfrei.
Türkiser Wasserstoff ähnlich wie bei der Dampfreformierung des grauen Wasserstoffs, bedient sich diese Technik Methan als Primärenergie. Allerdings entsteht bei der Methanpyrolyse fester Kohlenstoff als Nebenprodukt.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Wasserstoff kann für alles eingesetzt werden, wo bisher fossile Brennstoffe eingesetzt und unsere Umwelt massiv belastet haben.Nachhaltige Energieversorgung geschieht nur durch einen mittel- bis langfristige Umbau der Energieversorgungsstrukturen.
Insbesondere für die Industrie und den Mobilitätssektor ist der steigende Einsatz von Wasserstoff ein aussichtsreicher Ansatz für klimafreundliche Produktions- und Transportlösungen. Wasserstoff eignet sich in Form von Industriegas als Kraftstoff. Aber auch für Energiespeicherung wird Wasserstoff vermehrt eingesetzt. Sowohl für Energie aus primären als auch aus erneuerbaren Quellen.
In absehbarer Zukunft wird eine dezentrale Erzeugung die Erdgas Versorgung ablösen. Mit dem Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur können kleine Brennstoffzellenanlagen den Grundbedarf eines Mehrfamilienhauses decken. Im zentralen Versorgungsnetz können Elektrolyseure eingesetzt werden, um aus der überschüssige Energie bedarfschwacher Zeiten, Wasserstoff zu erzeugen.
In privaten Energiezentralen mit Wasseraufbereitung und Elektrolyseur für die Wasserstofferzeugung speichern Energie und geben sie gezielt im Haus wieder ab.
Antrieb der Zukunft?
Die Fahrzeugindustrie arbeitet mit Hochdruck an Alternativen, um den schärferen Vorschriften der Abgas Verordnungen entgegenzuwirken. Als Primärenergie bietet Erdgas als emissionsarme Energie noch eine Zwischenlösung.
Für den Antrieb in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen sorgt eine Brennstoffzelle. Diese Energie treibt als Strom den Elektromotor an. Umgangssprachlich bezeichnet der Wasserstoffantrieb also die Antriebsart, die Wasserstoff als Treibstoff nutzt.
Außen im Unterboden eines Fahrzeuges, dass mittels Brennstoffzelle angetrieben wird, sind 3 spezielle Tanks für Wasserstoff verbaut. Über eine Leitung gelangt der Wasserstoff zur Brennstoffzelle. Gasförmiger Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff und gibt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in einem chemischen Prozess frei. Durch diese chemische Reaktion entsteht an der Membran des Verdichters die Energie für den Antrieb.
Firmen wie Toyota, Honda, Hyundai, Daimler, BMW, GM, Nissan und Audi/VW setzen zukünftig auf Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen.
Allerdings setzt der Einsatz Hersteller vor andere Herausforderungen. Wasserstoffgas enthält aufgrund seiner geringen Dichte in der Masse mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff. Dafürist die Energiedichte auf das Volumen bezogen eher gering. Wasserstoff als Treibstoff wird daher in PKW bis etwa 700bar stark komprimiert. In Bussen oder Nutzfahrzeugen wird der Wasserstoff bei -253°C verflüssigt.
Neben dem Betanken mit komprimiert gasförmigem Wasserstoff (compressed gaseous hydrogen, CHG2) sind auch kyro-komprimiert (cyrocompressed Hydrogen, CcH2) oder neue Verfahren mit flüssigem Wasserstoff (subcooled Liquid Hydrogen, sLH2) in der Entwicklung. Jedes Verfahren ist mit zusätzlichem Energieeinsatz verbunden. Dafür entstehen in der Verwendung keine weiteren Abgase oder Schadstoffe.
Und Wasserstoff weist in der Handhabung keinerlei gefährdendes Potenzial auf. Es ist weder explosiv noch radioaktiv oder giftig. Wasserstoff ist nicht ätzend oder wassergefährdend, es schädigt keine Zellen und ist somit weder krebserregend noch fruchtschädigend.
Klimaneutrale Zukunft
Erneuerbare Energien sind reichlich vorhanden, doch stehen sie nicht immer an Orten oder Zeiten zur Verfügung, wo sie verbraucht werden sollen. Mithilfe von Wasserstoff als Energiespeicher könnte diese Lücke zwischen Angebot und Nachfrage effizient und klimaneutral geschlossen werden. Auch ist der Einsatz von Wasserstoff immer nur so ökologisch, wie die zur Gewinnung genutzte Primärenergie.
Wie der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft gelingt, haben Falko Ueckerdt und zehn weitere Autoren des Kopernikus-Projekts „Ariadne“ untersucht. In ihrem Bericht „Durchstarten trotz Unsicherheiten: Eckpunkte einer anpassungsfähigen Wasserstoffstrategie“ halten die Forscher Wasserstoff auch aus fossilen Quellen als zeitlich begrenzte Brückentechnologie für denkbar. Allerdings begleitet durch Zertifizierung, Regulierung und entsprechende Bepreisung von Emissionen. Nur so sei sichergestellt, dass Treibhausgasemissionen tatsächlich gesenkt und nicht nur verlagert werden.