Wasserstoff
In unserem Sonnensystem ist der Wasserstoff mit einem Massenanteil von 75 % und einem Anteil von 93 % aller Atome das häufigste chemische Element. Seine besonderen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten machen Wasserstoff zu einem zentralen Baustein Richtung Klimaneutralität. Besonders „grüner“ Wasserstoff wird als unverzichtbar für die Energiewende angesehen.
Eigenschaften von Wasserstoff als Energieträger
Wasserstoff (H2) ist das leichteste aller chemischen Elemente (14 x leichter als Luft). Es ist ein farbloses, ungiftiges und geruchloses Gas, welches sich im Freien schnell nach oben verflüchtigt. Obwohl Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, kommt es irdisch praktisch nur chemisch gebunden vor und muss aus Verbindungen (z.B. Wasser) gewonnen werden. Speziell als Energieträger spielt Wasserstoff zunehmend eine Rolle, da mit dessen Hilfe man Energie sowohl speichern als auch transportieren kann. Die Energiedichte spielt dabei eine wichtige Rolle, denn bezogen auf das Gewicht hat Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte (gravimetrische Energiedichte von 33 kWh/kg im Vergleich zu volumetrischer Energiedichte von 3 kWh/Nm3). In Verbindung mit Sauerstoff ist Wasserstoff brennbar. Er kann in Verbrennungsmaschinen (heiß) oder in Brennstoffzellen (kalt) emissionsfrei verbrannt werden.
Gewinnung
Da Wasserstoff in der Regel nur in gebundener Form vorkommt, muss er für die chemische oder energetische Nutzung gezielt hergestellt werden. Derzeit erfolgt der überwiegende Teil (~ 95%) der globalen Wasserstoffgewinnung aus fossilen Energieträgern. Ausgangsstoffe für die Produktion sind vorwiegend Erdgas (zu 68%), Erdöl (zu 16%) sowie Kohle (zu 11%), wobei ein Teil des Wasserstoffs durch die Gewinnung dieser Ausgangsstoffe als Nebenprodukt anfällt. Der Großteil der Wasserstoffmenge muss jedoch zuerst durch verschiedenste Konversionsverfahren umgewandelt werden. Nur rund 5% des Wasserstoffs werden aktuell aus Strom durch Elektrolyse erzeugt.
Wasserstoff trägt je seinem Ursprung nach, unterschiedliche Namen. Obwohl Wasserstoff stets ein farbloses Gas ist, geben Farben in der Bezeichnung Auskunft über die Art der Gewinnung. Die folgende Tabelle stellt einen Überblick über die wichtigsten, derzeit gebräuchlichen Bezeichnungen für Wasserstoff dar:
| Grüner Wasserstoff | … wird rein aus erneuerbaren Energien gewonnen. Dazu zählt die Elektrolyse von Wasser, wobei der Strom für die Elektrolyse ausschließlich aus erneuerbaren Quellen stammen muss. Auch die Produktion von Wasserstoff aus fester Biomasse (Vergasung) und Biogas zählt zu den Herstellungsverfahren von grünem Wasserstoff. |
| Grauer Wasserstoff | … wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO2 umgewandelt. |
| Blauer Wasserstoff | … ist grauer Wasserstoff, dessen CO2 bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird (Carbon Capture and Storage). |
| Türkiser Wasserstoff | … ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. |
Die Gewinnung von Wasserstoff kann, wie bereits erwähnt, durch verschiedenste Umwandlungsprozesse aus unterschiedlichen Primärenergieträgern erfolgen. Die folgende Abbildung bietet einen Überblick über die verschiedenen Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff (Quelle: Thomas Schmidt; „Wasserstofftechnik: Grundlagen, Systeme, Anwendung, Wirtschaft“).
Etwa die Hälfte der weltweit vorrätigen Wasserstoffmengen werden jährlich alleine mit Hilfe der von Carl Bosch vor etwa 100 Jahren als Haber-Bosch-Synthese entwickelten Dampfreformierung von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, produziert. Hinsichtlich Erreichung der geplanten Klimaneutralität, werden zukünftig jene Produktionsrouten von Wasserstoff benötigt, die einen reduzierten CO2-Fußabdruck vorweisen (grüner Wasserstoff durch Umwandlungstechnologien aus Windkraft, Sonnenenergie oder Biomasse). Dazu benötigt es neben den derzeit ausgebauten Technologien eine erhöhte Forschungstätigkeit und die Weiterentwicklung der dafür benötigten Technologien. Eine Übersicht dazu liefert die folgende Tabelle (nach www.fen-systems.com bzw. www.green-energy-center.com):
| Kategorie | Prozess | Ausgangsstoff | Produktion | Reifegrad | |
| Derzeit eingesetzte Technologien | Reformierung | Dampfreformierung | Erdgas | 95% | Industrieller Einsatz |
| Partielle Oxidation | Kohle, Öl | ||||
| Autotherme Reformierung | Erdgas, Kohle, Öl | ||||
| Elektrolyse | Alkalische Elektrolyse | Wasser | 5% | ||
| PEM-Elektrolyse | Wasser | ||||
| Aufkommende Technologien | Elektrolyse | Festoxid-Elektrolyse | Wasserdampf | - | Grundlagenforschung, Versuchsanlagen |
| Thermochemisch | Vergasung | Biomasse, Kohle | |||
| Pyrolyse | Erdgas, Biogas, Glyzerin | ||||
| Solare Hochtemperatur (direkte Spaltung) | Wasser | ||||
| Biochemisch | Fermentation | Biomasse | |||
| Dampfreformation | Biogas | ||||
| Photolyse | Wasser | ||||
| Photobiologisch | Bakterien/Algen | Wasser |
Anwendungsmöglichkeiten
Die Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff sind vielfältig. So kann er für die Speicherung von Überschussstrom und Sektorenkopplung, in der Mobilität, als Wärmeträger zur Bereitstellung von (Hochtemperatur-)Wärme für Industrie, Gewerbe und Haushalte und als Reaktant und Rohstoff in chemischen (über Synthesegas) und metallurgischen Prozessen (Direktreduktion von Eisenerz) eingesetzt werden. Speziell das Power-to-Gas-Konzept, welches es ermöglicht, durch die Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Elektrolyse, überschüssige Energie aus den Sommermonaten in den Winter zu transferieren, spielt eine wichtige Rolle für das Gelingen der Energiewende. Wasserstoff ermöglicht die Kopplung der Sektoren Strom, Gas, Wärme und Mobilität und wird daher als ein Schlüsselelement im Rahmen der Energiewende betrachtet. Eine mögliche Ausgestaltung der Sektorenkopplung durch Wasserstoff wird in nachfolgender Abbildung dargestellt (Quelle: International Energy Agency).
