Wie funktioniert Wasserstoff-Energie?
Wegen des Klimawandels wird intensiv daran gearbeitet, Alternativen für fossile Brennstoffe zu entwickeln und attraktiv für den alltäglichen Gebrauch zu machen. Einer dieser Stoffe gilt in mehrfacher Hinsicht als vielversprechend: Wasserstoff. Denn Wasserstoff ist leicht, geruchslos und so gut wie überall auf der Welt verfügbar. Doch wie kann aus Wasserstoff Energie gewonnen werden? Erfahren Sie alles Wichtige über die Nutzung von Wasserstoff.
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Das Wichtigste auf einen Blick
- Wasserstoff ist das weitverbreitetste Element des Universums und fast überall vorhanden.
- Wasserstoff gibt es in verschiedenen „Farben“, die die Herstellungsform widerspiegeln. Grüner Wasserstoff wird mit erneuerbarem Strom hergestellt.
- Besonders in Industrie, Schwerlastverkehr und der Energiespeicherung wird Wasserstoff als wichtige Technologie der Zukunft angesehen.
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist ein chemisches Element (H), das besonders häufig in unserem Universum und auch auf der Erde vorkommt. Wasserstoff tritt selten in Reinform auf, sondern meist gebunden zum Beispiel als Gas. Wasserstoff als Gas (H2) ist leicht, brennbar, farb- und geruchslos, unsichtbar, flüchtig und in nahezu unerschöpflichen Mengen vorhanden.
Auf der Erde existiert Wasserstoff vorwiegend als eines der Hauptbestandteile von Wasser (H2O) in chemischer Verbindung mit Sauerstoff (O). Es kommt aber auch in sehr vielen anderen Stoffen vor wie zum Beispiel in Erdöl oder Erdgas.
Wie wird aus Wasserstoff Energie gewonnen?
Da Wasserstoff in den meisten Fällen nur in gebundener Form auftritt, muss es zur weiteren Nutzung zunächst aus seiner Verbindung gelöst werden. Die Elektrolyse ist eines der häufigsten Verfahren für diesen Zweck. Hierbei wird Energie in Form von Strom aufgewändet, um den Wasserstoff abzuscheiden (Power-to-Gas).
Die Wasserstoff-Farben und ihre Bedeutung
Wasserstoff kann heute auf viele Weisen hergestellt bzw. gewonnen werden. Die sogenannte „Farbe“ eines Wasserstoffs soll die jeweils genutzte Energiequelle bzw. ein gewisses Verfahren bezeichnen. Da Wasserstoff farblos ist, bezeichnet diese Wasserstoff-Farbe nicht das tatsächliche Aussehen.
Weißer Wasserstoff
Weißer Wasserstoff ist die natürliche (geogene) Form des Wasserstoffs und besonders selten. Er entsteht auf natürliche Weise im Erdinneren und ist direkt nutzbar, sodass – anders als bei den anderen Wasserstoffen – keine Primärenergie aufgewändet werden muss. Er kann mithilfe des sehr umstrittenen Frackings gefördert werden. Weißer Wasserstoff wird teilweise auch als goldener Wasserstoff bezeichnet.
Grüner Wasserstoff
Wasserstoff wird als grün bezeichnet, wenn erneuerbarer Strom für die Gewinnung genutzt wird. Das Verfahren ist dabei das oben beschriebene Wasserelektrolyseverfahren.
Blauer Wasserstoff
Für die Herstellung von blauem Wasserstoff wird Erdgas bzw. Methan (CH4) verwendet. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid (CO2) wird danach dauerhaft unterirdisch eingelagert bzw. gespeichert. Mehr dazu lesen Sie in unserem Beitrag Carbon Capture & Storage.
Türkiser Wasserstoff
Auch türkiser Wasserstoff nutzt Erdgas als Energiequelle. Der Unterschied zum blauen Wasserstoff ist, dass das Erdgas in die Bestandteile Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt wird. Der feste Kohlenstoff wird dann entweder in der Industrie weiterverarbeitet oder unterirdisch eingelagert.
Grauer Wasserstoff
Den wohl noch größten Anteil an der Wasserstoffwirtschaft hat grauer Wasserstoff. Auch hier wird Erdgas genutzt, jedoch entweicht das dabei entstehende CO2 in die Atmosphäre.
Brauner Wasserstoff
Brauner Wasserstoff wird durch die Vergasung von Braunkohle hergestellt. Dabei wird die Kohle unter hohem Druck und Sauerstoffzufuhr erhitzt, wodurch ein wasserstoffreiches Synthesegas entsteht. Als Emission entsteht Kohlenstoffdioxid.
Schwarzer Wasserstoff
Schwarzer Wasserstoff wird durch die Vergasung von Steinkohle gewonnen.
Roter Wasserstoff
Bei rotem Wasserstoff kommt für die Elektrolyse Strom aus der Atomkraft zum Einsatz. Das Ergebnis dieser Wasserstoffherstellung wird teilweise auch rosa oder violetter Wasserstoff genannt.
Oranger Wasserstoff
Oranger Wasserstoff wird durch thermochemische Verfahren wie Vergasung oder Pyrolyse (hohe Temperaturen unter Ausschluss von Sauerstoff) von Biomasse gewonnen.
Gelber Wasserstoff
Gelber Wasserstoff bezieht sich auf Wasserstoff, der durch einen Strommix hergestellt wurde. Es kommt also nicht allein erneuerbarer Strom wie beim grünen Wasserstoff, sondern Strom aus dem allgemeinen Stromnetz zum Einsatz.
Tipp: Wann Ökostrom wirklich Ökostrom ist und wieso meist ein Strommix aus der Steckdose kommt, erfahren Sie in unserem Beitrag Was ist Ökostrom?
Die Einsatzbereiche von Wasserstoff
Wasserstoff bietet großes Potenzial für die Nutzung in verschiedenen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Bereichen. Denn Wasserstoff ist gut verfügbar, kann als Energiequelle dienen, aber auch als Energiespeicher transportiert werden. Hier ein paar Beispiele für Einsatzbereiche von Wasserstoff als Energieträger.
1. Wasserstoff als Energiespeicher
In sonnenreichen oder windstarken Phasen wird durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen mehr Strom erzeugt als eigentlich benötigt wird. Wird diese überschüssige Energie zur Gewinnung von grünem Wasserstoff genutzt, kann dieser über Pipelines oder per Speicher an andere Orte transportiert werden. So geht die Energie nicht verloren. Zu einem späteren Zeitpunkt kann dann Strom aus diesem Wasserstoff erzeugt werden.
2. Wasserstoff in der Industrie
Die Industrie zählt zu den wichtigsten Einsatzbereichen von Wasserstoff. Besonders in energieintensiven Branchen wie der Stahl-, Chemie- oder Zementindustrie können fossile Energieträger durch Wasserstoff ergänzt werden, in Kraftwerken kommt Wasserstoff zudem häufig als Kühlmittel zum Einsatz.
In der chemischen Industrie wird Wasserstoff unter anderem zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel, Methanol oder verschiedenen Kunststoffen eingesetzt. Der Wasserstoff stammt hier zwar häufig noch aus fossilen Energieträgern, das könnte sich zukünftig aber ändern.
3. Wasserstoff in der Mobilitätsbranche
Aus Wasserstoff und CO2 lassen sich sogenannte synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) herstellen, die unter anderem Wasserstoffautos antreiben können. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine ausreichende Infrastruktur an Wasserstofftankstellen, die es zur Zeit noch nicht gibt. Davon unabhängig hat sich bei PKWs das Elektro-Auto durchgesetzt, weil die Effizienz deutlich höher ist.
Dort allerdings, wo E-Auto-Batterien zu schwer oder größere Reichweiten benötigt werden, könnten E-Fuels an Bedeutung gewinnen, wie etwa bei Schwerlasttransporten, Zügen, Schiffen oder Flugzeugen.
Tipp: Für eine größere Reichweite bei E-Autos wird seit geraumer Zeit auch an einer anderen Lösung geforscht. Mehr dazu erfahren Sie in unserem Beitrag zur Feststoffbatterie.
4. Wasserstoff in der Raumfahrt
Bereits seit Jahrzehnten wird Wasserstoff in der Raumfahrt eingesetzt, denn flüssiger Wasserstoff dient aufgrund seiner hohen Energiedichte als leistungsstarker Treibstoff für Raketenantriebe. Zusätzlich kann er rückverstromt werden, was im All Strom und Wasser verfügbar macht.
5. Wasserstoff zum Heizen
Grundsätzlich kann Wasserstoff auch zum Beheizen von Gebäuden genutzt werden. Jedoch wird Wasserstoff hier vermutlich keine Zukunft haben, da Wärmepumpen deutlich effizienter sind.
Die Vor- und Nachteile von Wasserstoff
Wasserstoff – Vorteile
- Höhere Energiedichte als herkömmliche Kraftstoffe (1 kg Wasserstoff hat so viel Energie wie 2,75 kg Benzin)
- Vielseitige Nutzbarkeit als Brennstoff, chemischer Rohstoff oder Treibstoff
- Monatelang speicherbar (in Druckbehältern oder Gaskavernen)
- Keine direkten Emissionen bei grünem Wasserstoff
- Keine großen Flächen, Minen o. Ä. für die Erzeugung nötig
Wasserstoff – Nachteile
- Hohe Kosten & hoher Energieverbrauch bei der Herstellung
- Wasserstoffspeicherung und -transport sind sehr komplex
- Keine flächendeckende Infrastruktur
- Teilweise (noch) Verwendung fossiler Brennstoffe für die Herstellung
- Wasserstoff ist – wie fossile Treibstoffe – leicht entzündlich
