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Wasserstoff

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Definition: ein Gas, welches als Energieträger dienen kann

Summenformel: H2

Englisch: hydrogen

Kategorien: Energieträger, erneuerbare Energie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 10.10.2010; letzte Änderung: 17.08.2016

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; daher kommt die Bezeichnung 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.

Tabelle 1: Daten von Wasserstoff.
Dichte 0,090 kg/m3
bei 0 °C, 1013 mbar
Schmelzpunkt 14,01 K = −259,14 °C (bei 1013 mbar)
Siedepunkt 21,15 K = −252,0 °C (bei 1013 mbar)
Heizwert 120,0 MJ/kg = 33,3 kWh/kg,
10,8 MJ/m3 = 3,0 kWh/m3
bei 0 °C, 1013 mbar
Brennwert 141,8 MJ/kg = 39,4 kWh/kg,
12,7 MJ/m3 = 3,54 kWh/m3
bei 0 °C, 1013 mbar
(118 % des Heizwerts)
Verbrennung 2 H2 + O2 → 2 H2O
Luftbedarf (für λ = 1):
2,39 m3 pro m3 H2
Verbrennungsprodukte:
H2O: 8,94 kg pro kg H2
(268 g/kWh bzgl. Heizwert)

Der Brennwert und Heizwert von Wasserstoff (siehe die Tabelle rechts) ist auf die Masse bezogen 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.

Wasserstoff wird meist in gasförmigem Zustand gehandhabt – oft bei erhöhtem Druck und entsprechend höherer Dichte. Durch Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen lässt sich Wasserstoff aber auch verflüssigen. Bei Atmosphärendruck erfolgt die Kondensation erst bei einer Temperatur von 21,15 Kelvin = −252,0 °C. Der Energieaufwand für die Verflüssigung ist deswegen wesentlich höher als beispielsweise der für die Herstellung von Flüssigerdgas. Im übrigen muss die Technik aufwendig so gestaltet sein, dass praktisch keine Luft und keine Feuchtigkeit in das Tanksystem gelangen kann.

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:

Mit Brennstoffzellen kann Wasserstoff am effizientesten genutzt werden.

Vor der Anwendung kann Wasserstoff auch gespeichert werden (siehe unten), d. h. er kann auch als Energiespeicher dienen.

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

Heute wird Wasserstoff hauptsächlich durch Dampfreformierung hergestellt – mit erheblichen Energieverlusten.

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). Der Wirkungsgrad ist z. B. bei Verwendung von Erdgas gut 70 %, bei anderen Ausgangsstoffen eher niedriger; also gehen erhebliche Mengen von Energie verloren.

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).

Die Biomassevergasung könnte zukünftig zu einer wichtigen Quelle von Wasserstoff werden. Die eingesetzten Verfahren müssen jedoch noch verbessert werden.

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 ist die Biomassevergasung schwieriger zu optimieren als die Vergasung fossiler 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 weist Energieverluste von typischerweise 25 bis 35 % auf, ähnlich wie die Reformierung von Erdgas. Solange allerdings Erdgas auch verstromt wird (etwa in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken), ist es nicht sinnvoll, gleichzeitig Wasserstoff durch Elektrolyse herzustellen: Es ist nämlich viel 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 und wegen der dann nötigen Kostenoptimierung zu höheren Energieverlusten führt.

Bisher (Stand 2010) werden nur einige Prozent des Wasserstoffs in Deutschland durch Elektrolyse hergestellt, weil die Kosten erheblich höher sind als z. B. bei der Erdgasreformierung. Dies könnte sich in der Zukunft ändern, wenn einerseits Erdgas wesentlich teurer wird und andererseits elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen in großer Menge zur Verfügung steht.

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 Hochtemperaturwärme könnte durch Solarthermie gewonnen werden, am ehesten in einem Solarturm-Absorber, der von vielen Spiegeln angestrahlt wird.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Biowasserstoff, d. h. von Wasserstoff aus Biomasse oder mit Hilfe biologischer Organismen. Wohl am vielversprechendsten ist die Biomassevergasung, d. h. die thermochemische Umsetzung von Biomasse, die zum Teil der Kohlevergasung ähnelt. Interessant ist vor allem auch der Aspekt, dass unterschiedlichste Arten von Biomasse dafür nutzbar sind, und dass ein Großteil des Pflanzenmaterials umgesetzt werden kann, nicht z. B. nur die Früchte. Für den breiten Einsatz sind aber weitere technologische Fortschritte notwendig.

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, so dass sich nach dem Heizwert eine Energiedichte von nur 6,35 MJ/l ergibt - über dreimal weniger als für Erdgas beim gleichen Druck, oder 5 mal weniger als bei Benzin, das ohne Druck gespeichert werden kann.

Für die Mitführung in Druckgasflaschen von Fahrzeugen ist Wasserstoff deutlich weniger gut geeignet als Erdgas.

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 z. B. bei 700 bar Druck mehr als 10 % des Energiegehalts des Wasserstoffs in Form von elektrischer Energie 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.

Flüssigwasserstoff erlaubt höhere Fahrzeugreichweiten, bedeutet aber einen höheren technischen Aufwand und höhere Energieverluste.

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 °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.

Auch Metallhydridspeicher bieten keine optimale Lösung.

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.

Eine Pipeline gegebener Größe kann in Form von Wasserstoff weit weniger Energie transportieren als bei Erdgas.

Wasserstoff kann außerdem ähnlich wie Erdgas in Rohrleitungen (Pipelines) transportiert werden, wobei allerdings nicht alle Materialien geeignet sind, weil sie z. B. unter dem Einfluss von Wasserstoff verspröden könnten. Die niedrige Energiedichte von Wasserstoff wirkt sich hier so aus, dass die Leitungskapazität (d. h. die transportierbare Leistung) nur ein Bruchteil der von Erdgas ist und dass die Energieverluste durch den Pumpaufwand ebenfalls wesentlich größer sind.

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 günstig ist, dass Wasserstoff völlig ungiftig ist und dass bei seiner Verwendung meist keinerlei Schadstoffe entstehen.

Vergleich mit anderen Energieträgern

Ein sinnvoller Vergleich der Vor- und Nachteile von Wasserstoff gegenüber anderen Energieträgern ist nur auf eine konkrete Anwendung bezogen möglich. Von besonderem Interesse ist ein Vergleich von Wasserstoff mit Benzin und anderen Kraftstoffen für Ottomotoren, da Wasserstoff im Prinzip in einer fernen Zukunft Benzin in großen Mengen ersetzen könnte. Hierbei zeigt sich allerdings, dass diversen Vorteilen von Wasserstoff (vor allem die Herstellung allein mithilfe von erneuerbare Energie ohne Verbrauch knapper Rohstoffe sowie die weitgehende Schadstofffreiheit seiner Verwendung) eine ganze Reihe mehr oder weniger schwerwiegender Nachteile gegenüber stehen. Die wesentlich höheren Herstellungskosten lassen sich zwar dadurch relativieren, dass man die zukünftig wohl stark steigenden Kosten für Kraftstoffe aus Erdöl wie auch sinkende Kosten für die Herstellung erneuerbarer Energie berücksichtigt. Beim Transport ergeben sich allerdings erhebliche Nachteile aus der geringeren Energiedichte; insbesondere ist auch mit deutlich höheren relativen Energieverlusten für den Transport zu rechnen. Auch als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren ist Wasserstoff alles andere als ideal geeignet, selbst wenn diese eigens für Wasserstoff optimiert werden. Eine massive Effizienzsteigerung ermöglicht im Prinzip die Verwendung von Wasserstoff in Brennstoffzellen anstelle von Verbrennungsmotoren; allerdings ist selbst dann die Verwendung von aus elektrischer Energie hergestelltem Wasserstoff sehr ineffizient im Vergleich zur Verwendung von Batterien.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Wasserstoffantrieb – die Lösung für unbegrenzte Mobilität?

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wasserstoffwirtschaft, Energieträger, Biowasserstoff, Erdgas, Stadtgas, Synthesegas, Dampfreformierung, Elektrolyse, Brennstoffzelle, erneuerbare Energie, Biomassevergasung, EE-Gas
sowie andere Artikel in den Kategorien Energieträger, erneuerbare Energie

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