Wie funktioniert Wasserstoff-Energie?

In Zeiten des Klimawandels ist der Druck nachhaltige Energiequellen zu finden, die unsere Umwelt und Atmosphäre mit so wenig Treibhausgas-Emissionen wie möglich belasten, hoch. So hat man in den letzten Jahren intensiv an Alternativen zu fossilen Brennstoffen geforscht und unter anderem eine auf den ersten Blick ideale Lösung gefunden: Wasserstoff als Energieträger der Zukunft. Doch wie genau funktioniert die Umwandlung von Wasserstoff in Energie? Und welche Möglichkeiten bietet uns dieses Verfahren für die Zukunft? Erfahren Sie mehr über die Nutzung von Wasserstoff und welche Vorteile dabei für unsere Umwelt entstehen.

1. Wie wird aus Wasserstoff Energie gewonnen?
2. Welche Vorteile bietet Wasserstoff als Energieträger?
3. Wie sieht die Zukunft der Wasserstoff-Energie aus?
4. FAQ zu Wasserstoff-Energie

Wie wird aus Wasserstoff-Energie gewonnen?

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum und begegnet uns überall, z.B. in Form von Wasser (H₂O), also in Verbindung mit Sauerstoff. Die große Verbreitung und der einfache Zugriff auf Wasserstoff machen dieses Element zu einer attraktiven Ressource, um damit nachhaltig Wasserstoff-Energie zu erzeugen, zu speichern und flexibel dort zu nutzen, wo sie benötigt wird. Doch wie funktioniert Wasserstoff-Energie schon ab der Gewinnung? Wir erklären es Ihnen in wenigen Schritten:

1. Schritt für Wasserstoff-Energie: die Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) mittels Elektrizität in seine Bestandteile Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zerteilt. Hierzu werden zwei Elektroden in das Wasser getaucht, mit jeweils einer positiv geladenen Seite (Anode) und einer negativ geladenen Seite (Kathode). Der positiv geladene Wasserstoff sammelt sich dabei an der negativ geladenen Kathode und wird somit vom Sauerstoff, der sich seinerseits an der Anode sammelt, getrennt. Dies ist der erste entscheidende Schritt zur Gewinnung von Wasserstoff-Energie.

2. Schritt für Wasserstoff-Energie: die Speicherung

Kommt der Strom für das Elektrolyseverfahren für die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, wie Sonnen- oder Windenergie, spricht man bei dem so gewonnenen Wasserstoff von „grünem“ Wasserstoff. Dieser kann nun gespeichert werden. Vorzugsweise geschieht dies in großen Wasserstoff-Kavernenspeichern im Untergrund unter hohem Druck. Der überschüssige Sauerstoff entweicht entweder klimaneutral in die Atmosphäre oder wird einer weiteren Verwendung zugeführt.

3. Schritt für Wasserstoff-Energie: die umgekehrte Elektrolyse

Wenn man nun Strom aus dem Wasserstoff gewinnen will, so kann entweder eine Rückverstromung mittels Wasserstoff-Brennstoffzelle (umgekehrte Elektrolyse) erfolgen oder der Wasserstoff wird in einem Gaskraftwerk verbrannt und verstromt. In beiden Fällen erfolgt eine exotherme Reaktion bei der als Reaktionsprodukt reines Wasser entsteht. Neben durch Wasserstoff-Energie erzeugten Strom fällt bei beiden Prozessen nutzbare Wärme an. Die Rückverstromung kann stationär in Kraftwerken oder auch mobil z.B. in elektrisch angetriebenen Bussen erfolgen. Auf diese Weise Wasserstoff-Energie zu gewinnen, eröffnet auch hinsichtlich der Energiewende vielversprechende Perspektiven.

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft bietet diverse Vorteile. Einer der größten ist jedoch, Wasserstoff-Energie in Form von grünem Wasserstoff umweltfreundlich in sehr großen Mengen über lange Zeiträume zu speichern. Das ist gerade in Zusammenhang mit erneuerbaren Energien aus Wind und Sonne von großer Bedeutung, da man bei diesen nachhaltigen Energiequellen von fluktuierender Stromerzeugung spricht. Die Menge der durch sie erzeugten Energie ist abhängig von externen Faktoren, wie dem Wetter, kann also nicht genau kalkuliert und kontrolliert werden. Dies führt oftmals zu Problemen. Besonders, wenn es in sehr stürmischen oder sonnigen Perioden zu einer Überproduktion an Wind- oder Sonnenenergie kommt. Ist zu viel Strom im Umlauf kann es zu einer Überlastung der Netze kommen. Mögliche Folgen davon Stromausfälle im großen Stil. Um dem entgegenzuwirken, werden Wind- und Solarkraftwerke vereinzelt vorübergehend abgeschaltet. Dies schützt unsere Stromnetzte zwar vor Überlastung, bedeutet aber auch, dass viel Energie verloren geht. Um dieser Verschwendung ein Ende zu bereiten, setzt man heute zunehmend auf die Produktion von grünem Wasserstoff. Mit dessen Hilfe kann überschüssige Energie flexibel zwischengespeichert und in Kraftwerken (rück-)verstromt werden.

Die Verbrennung von Wasserstoff ist dabei circa 2,75-mal energieeffizienter und leistungsfähiger als die von Benzin. Zudem hat sie den großen Vorteil, dass statt klimaschädlichem CO₂, ausschließlich Wasser in die Atmosphäre entweicht. Die so gewonnene Wasserstoff-Energie ist bis auf Stickoxide, die während des Verbrennungsprozesses bei der Reaktion mit Luft entstehen können, emissionsfrei. Somit handelt es sich um eine der saubersten Energiequellen, da die einzigen Nebenerzeugnisse Wärme und Wasser sind und keine schädlichen Treibhausgase produziert werden. Für Wasserstoff gibt es darüber hinaus vielseitige Nutzungsmöglichkeiten in verschiedenen Prozessen der Industrie, beispielsweise bei der Gewinnung von Ammoniak und Methanol. Aber auch in Haushaltprodukten kann Wasserstoff-Energie zukünftig zur Anwendung kommen. Anders als bei Biokraftstoffen, wie Biogas, braucht Wasserstoff keine großen landwirtschaftlichen Flächen für die Erzeugung. Außerdem sind durch schnelle Ladezeiten von maximal fünf Minuten wasserstoffbetriebene Fahrzeuge genauso flexibel wie herkömmliche Autos. Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV´s) haben darüber hinaus die gleiche Reichweite, sind bedeutend leiser, haben geringe Wartungskosten nach der Erstinstallation und werden nicht von Außentemperaturen beeinflusst. Des Weiteren werden die Abhängigkeit einer Nation von fossilen Brennstoffen und die steigenden Kosten vermieden, die normalerweise durch Knappheit hervorgerufen werden.

1. Unterscheidung von "grauem", "blauem", "türkisem" und "grünem" Wasserstoff

Neben dem klimafreundlichen „grünen“ Wasserstoff gibt es noch konventionell erzeugten „grauen“ Wasserstoff, diese Wasserstoff-Energie wird aus Erdöl oder Erdgas (CH₄) gewonnen, indem man beispielsweise Erdgas in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid trennt. „Grauer“ Wasserstoff macht momentan noch einen prozentual großen Anteil in der Wasserstoffwirtschaft aus. „Blauer“ Wasserstoff wird auf die gleiche Weise erzeugt, nur wird hierbei das entstehende CO₂ dauerhaft unterirdisch eingespeichert. Auch „türkiser“ Wasserstoff wird aus CH₄ gewonnen. Allerdings wird das Gas hier in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Der Kohlenstoff wird dann entweder in der Industrie weiterverarbeitet oder wie das CO₂ aus der Produktion des „blauen“ Wasserstoffs eingelagert. Für eine erfolgreiche Wasserstoff Zukunft und zu Gunsten des Klimaschutzes soll die Wasserstoff-Nutzung in den kommenden Jahren signifikant gesteigert werden. Gleichzeitig soll die Erzeugung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern (z.B. Erdgas) reduziert werden. Wozu die Produktion von „grünem“ Wasserstoff nachhaltig ausgebaut werden muss. Wasserstoff-Energie ist demnach ein Schritt in eine vielversprechende Zukunft mit Perspektive.

2. Lagerung und Transport

Die Lagerung und der Transport von Wasserstoff im großen Stil stellen die Zukunft von Wasserstoff-Energie vor eine Herausforderung. Wasserstoff wird in den meisten Fällen entweder gasförmig unter sehr hohem Druck oder flüssig bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert. Wasserstoff ein sehr leichtes Gas, hat ein großes Volumen und braucht viel Platz, um gelagert zu werden. Dafür bieten sich vor allem unterirdische Lösungen an. Forscher arbeiten aber bereits an Wegen, den wertvollen Energieträger Wasserstoff möglichst energieeffizient komprimieren zu können. Komprimierter Wasserstoff hat den Vorteil, dass er neben einem geringeren Volumen auch eine höhere Energiedichte aufweist. Momentan ist die Komprimierung aber noch mit einem vergleichbar hohen Aufwand verbunden und nicht massentauglich.

3. Wasserstoff-Energie in der Verkehrswende

Wie bereits erwähnt, ist die Verbrennung von Wasserstoff bezüglich der Masse circa drei Mal so effektiv wie die von Benzin. Daher ist aus heutiger Sicht der Einsatz von Wasserstoff-Energie im Schwerlastverkehr und bei Bussen besonders interessant. Aber auch in der Automobilbranche wird Wasserstoff als Energieträger zu einem vielversprechenden Hoffnungsträger. Erste Wasserstoffautos, die komprimierten Wasserstoff tanken und statt schädlichen Abgasen klimaneutralen Wasserdampf ausstoßen, existieren bereits. Autos, die mit Wasserstoff-Energie betrieben werden, weisen zudem bereits jetzt eine knapp doppelt so hohe Reichweite wie Elektroautos vor. Damit diese Technologie die herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf den Straßen ablösen kann, fehlt es aber noch an einer zuverlässigen Infrastruktur. Bislang sind nur die wenigsten Tankstellen mit Wasserstoffzapfsäulen ausgestattet. Wird die Wasserstoff-Energie in den nächsten Jahren weiter gefördert, könnte sich das aber schon bald ändern.