Wasserstoff | <<< | >>> | Feedback |
Definition: ein Gas, welches als Energieträger dienen kann
Wasserstoff (chemisch H2) ist bei Zimmertemperatur ein farb- und geruchloses sowie ungiftiges Gas. Es ist rund siebenmal leichter als Luft und kann sehr schnell durch poröse Materialien oder auch durch kleinste Undichtigkeiten diffundieren. Wasserstoff kann an der Luft verbrannt werden, und Gemische von Wasserstoff mit Luft oder besonders auch mit reinem Sauerstoff sind sehr explosiv (Knallgas). Bei der Verbrennung (Oxidation) von Wasserstoff entsteht reiner Wasserdampf (H2O); allenfalls können bei der Verbrennung mit Luft zusätzlich Stickoxide entstehen, sonst jedoch keinerlei Schadstoffe.
Der Brennwert (obere Heizwert) von Wasserstoff beträgt 143 MJ/kg oder 11,7 MJ/m3, der (untere) Heizwert 120 MJ/kg oder 9,9 MJ/m3. Die auf die Masse bezogenen Werte liegen im Vergleich mit anderen Brennstoffen außergewöhnlich hoch, während die volumenbezogenen Werte für Normaldruck wegen der geringen Dichte relativ klein sind. Somit ließe sich mit Wasserstoff ein Energiespeicher mit hoher gravimetrischer Energiedichte realisieren, falls der Speicher relativ leicht gebaut werden könnte, während die volumetrische Energiedichte grundsätzlich kleiner ausfällt als z. B. für Erdgas.
Verwendung von Wasserstoff
Wasserstoff könnte zukünftig im Prinzip eine große Rolle als sekundärer Energieträger spielen; er wäre das Schlüsselelement einer Wasserstoffwirtschaft, die die Abkehr von fossilen Energieträgern ermöglicht. Es handelt sich bei Wasserstoff zwar nicht um eine Energiequelle, da (freier, nicht chemisch gebundener) Wasserstoff in der Natur nur in Spuren vorkommt. Jedoch lässt sich Wasserstoff auf mehreren Wegen herstellen (siehe unten) und ebenfalls auf verschiedene Weisen als Energieträger einsetzen:
- Wasserstoff lässt sich wie z. B. Erdgas direkt mit Luft verbrennen, entweder um Wärme zu gewinnen oder in Wärmekraftmaschinen wie z. B. Ottomotoren. Allerdings ist diese Art der Nutzung nicht besonders energieeffizient. Das entstehende Abgas besteht hauptsächlich aus unschädlichem Wasserdampf sowie übrig bleibendem Stickstoff der Luft, aber in gewissen Mengen können auch giftige Stickoxide entstehen (abhängig von den Details des Verbrennungsprozesses).
- In Brennstoffzellen kann mit Wasserstoff (und Luft oder Sauerstoff) elektrische Energie erzeugt werden, und zwar relativ energieeffizient (teils mit Wirkungsgraden deutlich oberhalb von 50 %), leise und ohne jegliche Schadstoffemissionen (d. h. auch ohne Stickoxide). Gleichzeitig entsteht Abwärme, die manchmal auch noch genutzt werden kann.
Eine völlig andere energetische Anwendung von Wasserstoff wäre die Kernfusion, die bisher nur für Atomwaffen (und zwar für die besonders wirksamen thermonuklearen Atombomben) verwendet wird. Hier werden Atomkerne von Deuterium oder Tritium (schwereren Isotopen des Wasserstoffs) miteinander zu Helium verschmolzen. Die Energieausbeute ist um viele Größenordnungen höher als bei chemischen Reaktionen wie der Verbrennung. Allerdings ist die kontrollierte Kernfusion zu Zwecken der Energieversorgung technisch extrem schwierig durchführbar, und die technische und vor allem wirtschaftliche Nutzbarkeit zur Energiegewinnung ist nicht erwiesen.
Andere Anwendungen findet Wasserstoff beispielsweise in der chemischen Industrie sowie in flüssiger Form als Kühlmittel (Kryogen).
Herstellung von Wasserstoff
Wasserstoff lässt sich auf verschiedene Weisen herstellen:
Dampfreformierung und partielle Oxidation
Ein heute schon in industriellem Umfang genutzter Prozess ist die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen wie Methan (CH4) oder Methanol (CH3OH). Man geht in der Regel von einem fossilen Energieträger wie Erdgas aus, welches hauptsächlich aus Methan (CH4) besteht. Zur Reformierung wird dem Methan Wasserdampf (H2O) zugegeben und Wärme zugeführt, so dass ein wasserstoffhaltiges Synthesegas entsteht. Diese Hochtemperaturwärme wird z. B. durch Verbrennung eines Teils des Erdgases gewonnen, zukünftig eventuell auch durch konzentrierte Sonnenstrahlung oder mit Hochtemperatur-Kernreaktoren. Üblicherweise beschleunigt ein Katalysator die chemischen Reaktionen. Das Synthesegas enthält Wasserstoff und Kohlenmonoxid, welches weiter zu Kohlendioxid umgesetzt werden kann, wobei weiterer Wasserstoff erzeugt wird. Die Wasserstoffherstellung aus Erdgas und anderen fossilen Kohlenwasserstoffen hat als Nachteile, dass man von fossilen Energieträgern abhängig bleibt und dass klimaschädliche CO2-Emissionen auftreten (außer wenn das CO2 abgetrennt und dauerhaft unterirdisch gelagert wird).
Eine Variante ist die partielle Oxidation. Hier wird der Rohstoff, z. B. Methan oder ein schwerer Kohlenwasserstoff, unter Sauerstoffmangel verbrannt, wobei Wasserstoff und Kohlenmonoxid entstehen. Das Kohlenmonoxid kann weiter zu Kohlendioxid umgesetzt werden, wobei weiterer Wasserstoff erzeugt wird. Anders als bei der Reformierung stammt der Wasserstoff allein aus dem Rohstoff (und nicht aus Wasserdampf), und die nötige Wärme entsteht durch die Oxidation selbst.
Auch Stadtgas, welches aus Kohle hergestellt wird, enthält wesentliche Mengen von Wasserstoff, zusammen mit Kohlenmonoxid. Im Prinzip könnte die Kohlevergasung zur Wasserstoffherstellung in großem Stil verwendet werden, falls die Kohlevorkommen hierfür groß genug sind (was von manchen Stimmen allerdings bezweifelt wird) und die CO2-Sequestrierung zu vertretbaren Kosten möglich wird (was ebenfalls unsicher ist).
Zukünftig könnte die Reformierung auch auf Biomasse wie z. B. Holz, Ernteabfälle oder Klärschlamm angewandt werden. Hierfür müssen allerdings angepasste Prozesse entwickelt werden. Wegen der komplexeren und uneinheitlicheren chemischen Zusammensetzung von Biomasse sind solche Prozesse schwieriger zu optimieren als solche für fossile Energieträger.
Elektrolyse
Mit Hilfe elektrischer Energie kann Wasserstoff (und Sauerstoff) durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden. (Wenn Energie aus erneuerbaren Quellen verwendet wird, kann dieser Wasserstoff als EE-Gas bezeichnet werden.) Dieser Prozess ist relativ energieeffizient; er weist Energieverluste von typischerweise 10 bis 20 % auf. Solange allerdings Erdgas auch verstromt wird (etwa in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken), ist es nicht sinnvoll, gleichzeitig Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen: Es ist nämlich effizienter und kostengünstiger, Erdgas direkt zu reformieren, als es erst zu verstromen und dann Elektrolyse zu betreiben. Auch elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen lässt sich sinnvoller zum Ersatz fossiler Energieträger bei der Stromerzeugung einsetzen. Allenfalls wäre denkbar, kurzzeitig anfallende Stromüberschüsse (z. B. bei starkem Windenergie-Angebot) für die Wasserstofferzeugung zu nutzen. Dann hätten allerdings die Elektrolyseure eine niedrige Auslastung, was zu hohen Kosten führt.
Denkbare zukünftige Möglichkeiten
Im Prinzip kann Wasserstoff direkt aus Wasser durch Zufuhr von Wärme erzeugt werden (thermische Wasserspaltung). Allerdings sind dafür extrem hohe Temperaturen von über 2500 °C erforderlich, und es ist schwierig, den entstehenden Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen, bevor beide wieder miteinander zu Wasser reagieren. Deswegen wird an thermochemischen Kreisprozessen gearbeitet, bei denen die Wasserspaltung in mehrere Einzelschritte aufgeteilt wird. Beispielsweise können Metalloxide eingesetzt werden, die mit Wasserdampf weiter oxidiert werden, wobei Wasserstoff entsteht. Später können diese Oxide durch Wärmezufuhr wieder reduziert werden (unter Abspaltung von Sauerstoff). Die benötigte Wärme könnte durch Solarthermie gewonnen werden.
Ebenfalls wird an gentechnisch veränderten Algen gearbeitet, welche bei Bestrahlung mit Sonnenlicht Wasserstoff abgeben. Hierbei spielen bestimmte Enzyme (Hydrogenasen) eine Rolle, und die Energie für die Reaktion stammt aus der Photosynthese. Bisher werden allerdings Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent erreicht, also weitaus weniger, als bei Elektrolyse mit Strom aus Solarzellen möglich ist.
Speicherung von Wasserstoff
Wasserstoff kann wie andere Gase (z. B. Erdgas) in Druckgasflaschen gespeichert werden. Jedoch lassen sich wegen der geringen Dichte von Wasserstoff keine hohen Energiedichten erreichen. (Selbst bei 500 bar ist die Dichte nur 44,4 kg/m3.) Die verwendeten Druckgasflaschen müssen aus optimierten Materialien bestehen (die durch den Wasserstoff nicht verspröden) und spezielle Verschlüsse aufweisen, da sonst hohe Verluste durch Diffusion auftreten würden. Die bei der Befüllung der Flaschen nötige Kompression des Wasserstoffs kann mehr als 10 % des Energiegehalts des Wasserstoffs erfordern. Die erzielte gravimetrische (gewichtsbezogene) Energiedichte ist zwar für den Wasserstoff selbst sehr hoch. Da aber die Druckgasflaschen sehr schwer sind, ist die Energiedichte des Gesamtsystems trotzdem einige mal kleiner als für einen Benzintank. Auch der Platzbedarf der Gasflaschen ist mindestens fünfmal größer als für einen Benzintank.
Eine höhere Dichte (die allerdings immer noch ca. 14 mal kleiner ist als die von flüssigem Wasser) auch ohne Überdruck wird mit flüssigem Wasserstoff erreicht. Bei Normaldruck liegt der Siedepunkt bei −252,8 °C; ein Tank für Flüssigwasserstoff muss also extrem kalt sein und in der Regel eine starke Wärmedämmung haben. In dem Maße, in dem Wärme durch die Dämmung in den Tank eindringt, verdampft Wasserstoff. Da der Druck nicht beliebig ansteigen darf, muss ständig Wasserstoff entlassen werden. Dies führt zu zusätzlichen Energieverlusten, wenn nicht ständig Wasserstoff verwendet werden kann (z. B. bei tagelangem Stillstand eines Fahrzeugs). Ebenfalls erfordert die Verflüssigung rund 20 bis 30 % des Energiegehalts des Wasserstoffs.
Eine Möglichkeit, Wasserstoff mit höherer Dichte zu speichern, ohne aber einen hohen Druck aufbauen zu müssen, bieten Metallhydridspeicher. Hier wird Wasserstoff in kleinsten Lücken eines metallischen Körpers gespeichert und chemisch an das Metall gebunden. Der Wasserstoff kann durch Erwärmen wieder abgegeben werden. Bei der Optimierung von Metallhydridspeichern muss ein Kompromiss eingegangen werden zwischen einer hohen Speicherkapazität und einer akzeptablen Temperatur und Wärmemenge für die Entnahme. Bisher ist es nicht gelungen, kostengünstige Metallhydridspeicher mit hoher Kapazität zu entwickeln. Ebenfalls ist die gravimetrische Energiedichte gering, da die Masse des Metalls weitaus höher als die des gespeicherten Wasserstoffs.
Transport von Wasserstoff
Wasserstoff lässt sich transportieren, indem Speicher für Wasserstoff (siehe oben) transportiert werden. Beispielsweise können Druckgasflaschen in Wasserstoff-Autos oder Tanks für flüssigen Wasserstoff in Schiffen verwendet werden. Hierbei ist allerdings die Masse des Speichers in der Regel weitaus höher als die des darin transportierten Wasserstoffs. Außerdem entsteht ein erheblicher Energieaufwand dabei, den Wasserstoff durch Kompression oder gar Verflüssigung in die für den Transport notwendige Form zu bringen. Insofern lässt sich Wasserstoff sehr viel schlechter transportieren als flüssige Brennstoffe und Kraftstoffe wie Heizöl und Benzin.
Wasserstoff kann außerdem ähnlich wie Erdgas in Rohrleitungen (Pipelines) transportiert werden, die allerdings speziell für Wasserstoff optimiert sein müssen.
Wegen der ungünstigen Lager- und Transporteigenschaften wird auch erwogen, Wasserstoff in chemisch gebundener Form zu transportieren, beispielsweise als Methanol (ein Alkohol). Dadurch werden Lagerung und Transport stark erleichtert, jedoch werden zusätzliche chemische Prozesse vor und nach der Lagerung bzw. dem Transport notwendig, die auch zu erheblichen Energieverlusten führen.
Gefahren beim Umgang mit Wasserstoff
Wenn Wasserstoff in die Luft entweicht, entsteht eine hohe Explosionsgefahr. Ein solches Entweichen wird gefördert durch die extreme Diffusionsfähigkeit des Wasserstoffs sowie durch die häufig notwendigen hohen Drucke. Allerdings wird die Explosionsgefahr dadurch relativiert, dass sich Wasserstoff auch sehr rasch verflüchtigt. Tritt er beispielsweise aus einem Fahrzeugtank aus, steigt er schnell nach oben, was das Gefahrenpotenzial erheblich reduziert. Man vergleiche die Situation mit der, wenn Benzin ausläuft und unter dem Fahrzeug verbrennt, oder wenn Flüssiggas (schwerer als Luft!) sich am Boden ansammelt und dann explodieren kann.
Zusätzliche Gefahren entstehen durch flüssigen Wasserstoff, allein schon wegen der extrem niedrigen Temperaturen, die bei Berührung zu ernsten Verletzungen führen. In jedem Falle erfordert der Umgang mit Wasserstoff entsprechend optimierte Geräte und Vorrichtungen.
Gefahrentechnisch sehr günstig ist, dass Wasserstoff völlig ungiftig ist und dass bei seiner Verwendung meist keinerlei Schadstoffe entstehen.
Literatur
| [1] | Extra-Artikel: Wasserstoffantrieb – die Lösung für unbegrenzte Mobilität? |
Siehe auch: Wasserstoffwirtschaft, Energieträger, Erdgas, Stadtgas, Synthesegas, Elektrolyse, Brennstoffzelle, erneuerbare Energie, EE-Gas