Wasserstoff

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Wasserstoff ist das leichteste chemisches Element und tritt in der Natur meist in gebundener Form auf: Einzelne Wasserstoffatome verbinden sich zu Molekülen und reagieren dann in der Regel mit Sauerstoff zu Wasser. Wasserstoff kann gasförmig, flüssig oder in Metallen gebunden zuverlässig gespeichert werden. Dabei können die Nutzung und Gewinnung von Wasserstoff kaum als „neuartig“ bezeichnet werden. Schon seit über 100 Jahren kommt Wasserstoff in großen Mengen in verschiedenen Industriezweigen zum Einsatz. Seit vor etwa 20 Jahren erstmals ernsthafte Anstrengungen zur Entwicklung und zukünftigen Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen unternommen wurden, gewinnt Wasserstoff auch als Kraftstoff im Mobilitätsbereich an Bedeutung.

Wasserstoff kann mit einer Vielzahl von Verfahren auf Basis fossiler wie auch erneuerbarer Energien produziert werden. Bislang wird der bei Weitem größte Teil des weltweit hergestellten Wasserstoffs in industriellen Prozessen, so zum Beispiel für die Produktion von Ammoniak, erdölbasierten Treibstoffen und Methanol genutzt. Der Wasserstoff wird zu möglichst geringen Kosten auf Basis fossiler Energien und in großen, zentralen Produktionsanlagen hergestellt. Das Bild ändert sich allerdings mit der global stark wachsenden Bedeutung des Klimaschutzes und dem Ausbau der erneuerbaren Energien.

Für eine kohlenstofffreie beziehungsweise -arme Wasserstoffherstellung sind insbesondere zwei Verfahren bedeutsam:

  1. die Dampfreformierung von Erd- oder Biogas
  2. und die Wasserelektrolyse auf Basis erneuerbaren Stroms.

Die Dampfreformierung ist ein ebenso bewährtes wie kostengünstiges Verfahren der Wasserstoffproduktion. Weit überwiegend wird dabei Erdgas in großen, zentralen Anlagen umgesetzt, obgleich auch Biogas genutzt werden kann. Bei sehr hohen Temperaturen und in mehreren Schritten wird das Gas in seine Bestandteile zerlegt und schließlich reiner Wasserstoff extrahiert. Da schon das eingesetzte Erdgas wenig Kohlenstoff enthält, ist die Erdgasreformierung von allen fossilen Pfaden der Wasserstoffgewinnung derjenige mit der besten Umweltbilanz.

Die Wasserelektrolyse ist bislang von vergleichsweise geringer kommerzieller Relevanz und ihr Anteil an der weltweiten Wasserstoffproduktion ist marginal. Allerdings gilt sie als die Zukunftstechnologie nachhaltiger Wasserstoffherstellung und das strategische Interesse einschlägiger Akteure ist entsprechend groß. Die Kommerzialisierung der Wasserelektrolyse muss allerdings schon heute forciert werden, um der wachsenden Wasserstoffnachfrage entsprechen zu können.

Der Prozess der alkalischen Wasserelektrolyse ist in der folgenden Abbildung grafisch dargestellt. Dabei wird zunächst dem Elektrolyseur der Ausgangsstoff Wasser zugeleitet und eine elektrische Spannung angelegt (1). Am Minuspol, der Kathode, werden Elektronen abgegeben, aus Wasser werden dabei OH-Ionen und Wasserstoff. Die Ionen wandern durch eine nur für sie durchlässige Diaphragma und geben am Pluspol, der Anode, die überschüssigen Elektronen wieder ab. Hierbei entstehen Sauerstoff und etwas Wasser (2). Dabei wird das Wasserstoffgas an der Kathode und das Sauerstoffgas an der Anode freigesetzt. Die eingesetzte elektrische Energie wird unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades als chemische Energie im Wasserstoff gespeichert (3). Der entgegengesetzte Prozess findet in der Brennstoffzelle statt.

Bei der Brennstoffzelle läuft der Prozess der Elektrolyse rückwärts ab. Auf der Seite der Anode wird Wasserstoff eingeleitet, während bei der Kathode Umgebungsluft zugeführt wird. An der Anode wird der molekulare Wasserstoff (H2) in Wasserstoffkerne (H+) und Elektronen aufgespalten (1), woraufhin die H+ durch die Elektrolytmembran auf die Seite des Sauerstoffs wandern (2). Die Elektronen bewegen sich dann von der Anode durch einen elektrischen Leiter zur Kathode, wodurch ein Stromfluss entsteht, der den Elektromotor antreibt. Auf der Kathoden-Seite verbinden sich Sauerstoff, Elektronen und H+-Ionen zu H20, also Wasser (3).

Zu den wichtigsten Brennstoffzellenarten gehören die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEM). Sie weisen die weltweit mit Abstand größten Verkaufszahlen aller Arten von Brennstoffzellen auf und sind die bei stationären wie auch mobilen Anwendungen eindeutig dominierende Technologie. Die untenstehende Abbildung stellt die Funktionsprinzipien einer in Brennstoffzellenfahrzeugen verbauten PEM-Brennstoffzelle dar.

PEM-Brennstoffzellen weisen einige gegenüber anderen Brennstoffzellentypen entscheidende Vorteile auf: Zunächst verfügen sie über eine hohe Leistungsdichte und können damit kompakt in Fahrzeugen – und anderswo – verbaut werden. Die für PEM-Brennstoffzellen typischen Betriebstemperaturen von etwa 80 °C sind einerseits gut beherrschbar und können andererseits Wärme für die Fahrzeugbeheizung zur Verfügung stellen.

Die Brennstoffzellen haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt und sind technisch reif und zuverlässig. Wie andere Brennstoffzellenarten auch zeichnen sich PEM-Brennstoffzellen durch eine hohe Energieeffizienz aus.

Im Rahmen der Sektorenkopplung sind Wasserstoff und Brennstoffzellen vielfältig einsetzbar. Die nachfolgende Abbildung illustriert wichtige Herstellungs- und Nutzungspfade und konzentriert sich dabei auf reinen Wasserstoff. Andere Ansätze der Sektorenkopplung unter Einbeziehung des Erdgasnetzes werden jedoch ebenfalls verfolgt.

Die Abbildung zeigt, welche Anwendungsfelder es für Wasserstoff in den verschiedenen Sektoren gibt. In einem ersten Schritt wird der Strom aus erneuerbaren Energiequellen nicht wie üblich nur direkt ins Stromnetz eingespeist, sondern auch teilweise per Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. Der so gewonnene grüne Wasserstoff kann in dieser Form gespeichert und bedarfsgerecht an die verschiedenen Anwendungssektoren abgegeben werden. Nach Rückverstromung des Wasserstoffs, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle, kann der Strom der stationären Stromversorgung zugeführt werden. Dabei liegt der große Vorteil darin, dass der Wasserstoff für den Ausgleich von Fluktuationen bei der Stromerzeugung genutzt wird. Er dient als wichtiger Energiespeicher für Zeitpunkte, an denen weniger Energie aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht als nachgefragt wird. Die energetischen Verluste sind allerdings im Vergleich zur Speicherung in Batterien relativ hoch. In der Industrie ist Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen primär als Produktionsmittel relevant und kann fossilen Wasserstoff ersetzen. So kann z. B. die Klimabilanz herkömmlicher Raffinerien erheblich verbessert werden. Durch Umsetzung des Wasserstoffs, beispielsweise in KWK-Brennstoffzellenanlagen für den Hausgebrauch kann neben Strom auch Wärme bereitgestellt werden. Hier kommen sowohl die Nutzung von erneuerbaren Energien wie auch die sehr hohe Anlageneffizienz der Energiewende zugute. Schließlich kann der Wasserstoff dem Verkehr zugeführt und für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) aller Art verwendet werden. Auch hier liegen die Vorteile im Ersatz fossiler Energien durch Energie aus erneuerbare Quellen und hoher Effizienz sowie höherer Reichweiten und kürzere Betankungsvorgänge als bei Batterieelektrischen Fahrzeugen.