Über Wasserstoff als Energie der nächsten Generation

Wir stellen Ihnen Wasserstoff vor, die nächste Generation klimaneutraler Energie. Wasserstoff wird in drei Typen unterteilt: grünen, blauen und grauen Wasserstoff. Jeder Typ wird auf unterschiedliche Weise hergestellt. Wir erläutern die jeweiligen Herstellungsverfahren, die physikalischen Eigenschaften, die Speicher- und Transportmethoden sowie die Anwendungsgebiete. Außerdem erkläre ich, warum Wasserstoff die dominierende Energiequelle der nächsten Generation ist.

Wasserelektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Bei der Verwendung von Wasserstoff ist es wichtig, diesen zunächst zu erzeugen. Am einfachsten geht das durch Elektrolyse von Wasser. Vielleicht kennen Sie das aus dem Physikunterricht der Grundschule. Füllen Sie ein Becherglas mit Wasser und legen Sie Elektroden hinein. Sobald eine Batterie an die Elektroden angeschlossen und mit Strom versorgt wird, finden im Wasser und an den Elektroden folgende Reaktionen statt.
An der Kathode reagieren H+-Ionen und Elektronen zu Wasserstoffgas, während an der Anode Sauerstoff entsteht. Dieses Verfahren eignet sich zwar für Schulversuche, doch für die industrielle Wasserstoffproduktion müssen effiziente Mechanismen für den Großmaßstab entwickelt werden. Hier kommt die „Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse)“ ins Spiel.
Bei diesem Verfahren wird eine semipermeable Polymermembran, die Wasserstoffionen durchlässt, zwischen Anode und Kathode angeordnet. Wird Wasser in die Anode des Geräts gegeben, wandern die durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffionen durch die semipermeable Membran zur Kathode, wo sie zu molekularem Wasserstoff reagieren. Sauerstoffionen hingegen können die semipermeable Membran nicht passieren und werden an der Anode zu Sauerstoffmolekülen.
Auch bei der alkalischen Wasserelektrolyse werden Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, indem Anode und Kathode mithilfe eines Separators getrennt werden, der nur Hydroxidionen passieren lässt. Darüber hinaus gibt es industrielle Verfahren wie die Hochtemperatur-Dampfelektrolyse.
Durch die großtechnische Durchführung dieser Prozesse lassen sich große Mengen Wasserstoff gewinnen. Dabei entsteht auch eine signifikante Menge Sauerstoff (etwa die Hälfte des erzeugten Wasserstoffvolumens), sodass dessen Freisetzung in die Atmosphäre keine negativen Umweltauswirkungen hätte. Da die Elektrolyse jedoch viel Strom benötigt, kann kohlenstofffreier Wasserstoff nur dann hergestellt werden, wenn dieser mit Strom aus erneuerbaren Energien wie Windkraft und Solarenergie erzeugt wird.
„Grüner Wasserstoff“ lässt sich durch Elektrolyse von Wasser mithilfe sauberer Energie gewinnen.

Zudem gibt es einen Wasserstoffgenerator zur großtechnischen Herstellung dieses grünen Wasserstoffs. Durch den Einsatz von PEM im Elektrolyseurbereich kann Wasserstoff kontinuierlich produziert werden.

Blauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen

Welche anderen Möglichkeiten gibt es also, Wasserstoff herzustellen? Wasserstoff kommt in fossilen Brennstoffen wie Erdgas und Kohle in anderen Verbindungen als Wasser vor. Nehmen wir zum Beispiel Methan (CH₄), den Hauptbestandteil von Erdgas. Es enthält vier Wasserstoffatome. Man kann Wasserstoff gewinnen, indem man diese vier Atome entfernt.
Eines dieser Verfahren ist die sogenannte „Dampfreformierung von Methan“, bei der Wasserdampf verwendet wird. Die chemische Formel dieses Verfahrens lautet wie folgt.
Wie Sie sehen können, lassen sich Kohlenmonoxid und Wasserstoff aus einem einzigen Methanmolekül gewinnen.
Auf diese Weise lässt sich Wasserstoff durch Verfahren wie die Dampfreformierung und die Pyrolyse von Erdgas und Kohle gewinnen. Als „blauer Wasserstoff“ bezeichnet man so erzeugten Wasserstoff.
In diesem Fall entstehen jedoch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid als Nebenprodukte. Diese müssen daher recycelt werden, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Das Nebenprodukt Kohlendioxid wird, falls es nicht zurückgewonnen wird, zu Wasserstoffgas, dem sogenannten „grauen Wasserstoff“.

Um welches Element handelt es sich bei Wasserstoff?

Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1 und ist das erste Element im Periodensystem.
Wasserstoffatome stellen die größte Anzahl im Universum dar und machen etwa 90 % aller Elemente im Universum aus. Das kleinste Atom, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, ist das Wasserstoffatom.
Wasserstoff besitzt zwei Isotope mit an den Atomkern gebundenen Neutronen: ein neutronengebundenes Deuterium und zwei neutronengebundenes Tritium. Diese Isotope eignen sich auch zur Erzeugung von Fusionsenergie.
Im Inneren eines Sterns wie der Sonne findet die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium statt. Diese Kernfusion ist die Energiequelle, die den Stern zum Leuchten bringt.
Wasserstoff kommt auf der Erde jedoch selten gasförmig vor. Er bildet Verbindungen mit anderen Elementen wie Wasser, Methan, Ammoniak und Ethanol. Da Wasserstoff ein leichtes Element ist, erhöht sich mit steigender Temperatur seine Bewegungsgeschwindigkeit, wodurch er der Erdanziehungskraft entweicht und ins Weltall entweicht.

Wie nutzt man Wasserstoff? Nutzung durch Verbrennung

Wie wird also Wasserstoff, der als Energiequelle der nächsten Generation weltweit Aufmerksamkeit erregt hat, genutzt? Er wird hauptsächlich auf zwei Arten verwendet: durch Verbrennung und in Brennstoffzellen. Beginnen wir mit der Verbrennung.
Es werden hauptsächlich zwei Arten der Verbrennung verwendet.
Die erste Möglichkeit ist die Verwendung als Raketentreibstoff. Die japanische H-IIA-Rakete nutzt Wasserstoffgas („flüssiger Wasserstoff“) und „flüssigen Sauerstoff“ in kryogenem Zustand als Treibstoff. Diese beiden Gase werden vermischt, und die dabei entstehende Wärmeenergie beschleunigt den Ausstoß der entstehenden Wassermoleküle in den Weltraum. Da es sich jedoch um ein technisch anspruchsvolles Triebwerk handelt, ist es außer Japan nur den USA, Europa, Russland, China und Indien gelungen, diesen Treibstoff erfolgreich zu kombinieren.
Die zweite Möglichkeit ist die Stromerzeugung. Auch Gasturbinenkraftwerke nutzen die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff zur Energiegewinnung. Anders ausgedrückt: Sie nutzen die thermische Energie, die durch Wasserstoff erzeugt wird. In Wärmekraftwerken erzeugt die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas Dampf, der Turbinen antreibt. Wird Wasserstoff als Wärmequelle eingesetzt, ist das Kraftwerk klimaneutral.

Wie nutzt man Wasserstoff? Verwendung in einer Brennstoffzelle

Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu nutzen, ist die Brennstoffzelle, die Wasserstoff direkt in Strom umwandelt. Insbesondere Toyota hat in Japan Aufmerksamkeit erregt, indem das Unternehmen wasserstoffbetriebene Fahrzeuge anstelle von Elektrofahrzeugen als Alternative zu Benzinern im Rahmen seiner Maßnahmen gegen die globale Erwärmung bewirbt.
Konkret gehen wir beim Herstellen des Herstellungsverfahrens für „grünen Wasserstoff“ genau umgekehrt vor. Die chemische Formel lautet wie folgt.
Wasserstoff kann bei der Stromerzeugung Wasser (Heißwasser oder Dampf) erzeugen und ist umweltfreundlich. Allerdings weist dieses Verfahren einen relativ geringen Wirkungsgrad von 30–40 % auf und benötigt Platin als Katalysator, was zu höheren Kosten führt.
Aktuell werden Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) eingesetzt. Insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen PEFC, daher ist mit einer zukünftigen Verbreitung dieser Technologie zu rechnen.

Sind Wasserstoffspeicherung und -transport sicher?

Wir gehen davon aus, dass Sie nun wissen, wie Wasserstoffgas hergestellt und verwendet wird. Doch wie speichert man diesen Wasserstoff? Wie transportiert man ihn dorthin, wo er benötigt wird? Und wie steht es um die Sicherheit dabei? Wir erklären es Ihnen.
Tatsächlich ist Wasserstoff auch ein sehr gefährliches Element. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts nutzten wir Wasserstoff als Gas, um Ballons und Luftschiffe in den Himmel steigen zu lassen, da er sehr leicht war. Am 6. Mai 1937 ereignete sich jedoch in New Jersey, USA, die Explosion des Luftschiffs Hindenburg.
Seit dem Unfall ist allgemein bekannt, dass Wasserstoffgas gefährlich ist. Insbesondere wenn es sich entzündet, kann es in Verbindung mit Sauerstoff heftig explodieren. Daher ist es unerlässlich, „von Sauerstoff fernzuhalten“ und „von Hitze fernzuhalten“.
Nachdem wir diese Maßnahmen ergriffen hatten, entwickelten wir eine Versandmethode.
Wasserstoff ist bei Raumtemperatur gasförmig und daher trotz seines gasförmigen Zustands sehr voluminös. Bei der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken wird er daher unter hohem Druck wie ein Zylinder komprimiert. Dazu benötigt man einen speziellen Hochdruckbehälter, in dem der Wasserstoff unter hohem Druck, beispielsweise 45 MPa, gelagert wird.
Toyota, das Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV) entwickelt, entwickelt einen Hochdruck-Wasserstofftank aus Harz, der einem Druck von 70 MPa standhält.
Eine weitere Methode besteht darin, Wasserstoff auf -253 °C abzukühlen, um ihn zu verflüssigen und in speziellen, wärmeisolierten Tanks zu lagern und zu transportieren. Ähnlich wie LNG (Flüssigerdgas) beim Import von Erdgas wird Wasserstoff während des Transports verflüssigt, wodurch sich sein Volumen auf 1/800 seines gasförmigen Zustands reduziert. Im Jahr 2020 stellten wir den weltweit ersten Flüssigwasserstofftanker fertig. Dieses Verfahren ist jedoch für Brennstoffzellenfahrzeuge ungeeignet, da die Kühlung sehr energieintensiv ist.
Es gibt zwar eine Methode zur Lagerung und zum Transport in solchen Tanks, aber wir entwickeln auch andere Methoden der Wasserstoffspeicherung.
Die Speichermethode besteht in der Verwendung von Wasserstoffspeicherlegierungen. Wasserstoff besitzt die Eigenschaft, Metalle zu durchdringen und sie zu zersetzen. Diese Entwicklungsmethode wurde in den 1960er Jahren in den USA entwickelt. J. J. Reilly et al. zeigten in Experimenten, dass Wasserstoff mithilfe einer Magnesium-Vanadium-Legierung gespeichert und freigesetzt werden kann.
Anschließend entwickelte er erfolgreich einen Stoff wie Palladium, der das 935-fache seines eigenen Volumens an Wasserstoff absorbieren kann.
Der Vorteil dieser Legierung liegt darin, dass sie Wasserstoffleckagen (hauptsächlich Explosionen) verhindern kann. Daher lässt sie sich sicher lagern und transportieren. Wird sie jedoch unvorsichtig behandelt und in einer ungeeigneten Umgebung gelagert, kann sie mit der Zeit Wasserstoffgas freisetzen. Schon ein kleiner Funke kann eine Explosion auslösen, seien Sie also vorsichtig.
Es hat jedoch den Nachteil, dass wiederholte Wasserstoffaufnahme und -desorption zu Versprödung führen und die Wasserstoffaufnahmerate verringern.
Die andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Rohrleitungen. Dabei muss die Gaszufuhr kompressionsfrei und unter niedrigem Druck erfolgen, um eine Versprödung der Rohre zu verhindern. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass bestehende Gasleitungen genutzt werden können. Tokyo Gas realisierte den Bau des Harumi FLAG-Projekts, bei dem städtische Gasleitungen zur Wasserstoffversorgung von Brennstoffzellen genutzt werden.

Eine zukünftige Gesellschaft, geschaffen durch Wasserstoffenergie

Zum Schluss wollen wir die Rolle betrachten, die Wasserstoff in der Gesellschaft spielen kann.
Noch wichtiger ist uns jedoch die Förderung einer kohlenstofffreien Gesellschaft; wir nutzen Wasserstoff zur Stromerzeugung anstatt als Wärmeenergie.
Anstelle großer Wärmekraftwerke nutzen einige Haushalte Systeme wie ENE-FARM, die mit Wasserstoff aus der Reformierung von Erdgas den benötigten Strom erzeugen. Die Frage nach der Verwertung der Nebenprodukte dieses Reformierungsprozesses bleibt jedoch offen.

Wenn in Zukunft der Wasserstoffkreislauf zunimmt, beispielsweise durch den Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes, wird es möglich sein, Strom ohne CO₂-Emissionen zu erzeugen. Strom erzeugt grünen Wasserstoff, indem er aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen wird. Die für die Elektrolyse benötigte Energie dient dazu, überschüssigen Strom aus der Verbrennungsmotorenerzeugung zu kompensieren oder den Akku aufzuladen. Der Wasserstoff selbst fungiert dabei als Energiespeicher. Dadurch kann die thermische Stromerzeugung langfristig reduziert werden. Der Tag, an dem der Verbrennungsmotor aus den Autos verschwindet, rückt immer näher.

Wasserstoff lässt sich auch auf einem anderen Weg gewinnen. Er ist beispielsweise ein Nebenprodukt der Natronlaugeherstellung und unter anderem auch ein Nebenprodukt der Koksherstellung in der Eisenverhüttung. Durch die Einbindung dieses Wasserstoffs in das Versorgungsnetz ergeben sich mehrere Bezugsquellen. So gewonnenes Wasserstoffgas wird auch an Wasserstofftankstellen angeboten.

Werfen wir einen Blick in die Zukunft. Auch bei der herkömmlichen Stromübertragung über Leitungen ist der Energieverlust ein Problem. Daher werden wir in Zukunft Wasserstoff per Pipeline transportieren, ähnlich wie Kohlensäure in Getränketanks, und uns für jeden Haushalt einen Wasserstofftank zur Stromerzeugung anschaffen. Mobile Geräte mit Wasserstoffbatterien werden immer verbreiteter. Es wird spannend sein, diese Zukunft zu erleben.