Wasserstofftechnologie – Wasserstoff als alternative Energiequelle

Wasserstofftechnologie – Wasserstoff als alternative Energiequelle

Inhaltsübersicht

Begriffe wie “Elektrolyse”, “Wasserstoff” oder “Brennstoffzelle”, werden in der heutigen Zeit immer häufiger verwendet. Fakt ist, dass die Wasserstofftechnologie alles andere als eine neue Technologie ist. Bereits vor 180 Jahren wurden Experimente mit der Brennstoffzelle durchgeführt. Nichtsdestotrotz lohnt es sich diese Thematik wieder aufzugreifen, da die Wasserstofftechnologie viele Anwendungen und Vorteile mit sich bringt.

Auch für viele Studierende könnte das Thema Wasserstoff relevant sein, vor allem in den Studiengängen der erneuerbaren Energie ist Wasserstoff ein zentraler Bestandteil des Curriculums. Bezüglich letzterem, gibt es sogar explizit Masterstudiengänge die sich mit dem Thema beschäftigen. Um das Potenzial von der Wasserstofftechnologie mit dem verbundenen Nutzen und den Risiken zu erkennen, werden wir uns im folgenden Text um alle Themen rund um das Thema “Wasserstofftechnologien” beschäftigen.

Was genau ist Wasserstoff?

Im Periodensystem befindet sich Wasserstoff in der ersten Periode und trägt das Symbol “H”. Es ist bekannt als chemisches Element, welches sich auf der Erde als farbloses und geruchloses Gas befindet. Auf der Erde liegt Wasserstoff nur molekular, also H2 und nicht der atomare Wasserstoff H. Zudem kommt es in der Natur oft als Kombination mit Sauerstoff-Atomen vor, dem sogenannten H20, auch als Wasser bekannt.

  • Wasserstoff ist ein Energieträger, keine Energiequelle
  • Wasserstoff kann demnach Energie speichern und transportieren

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Da Wasserstoff eine Sekundärenergie ist, muss für die Herstellung zunächst Primärenergie aufgewendet werden. Nur mittels regenerativer Energiequellen lässt sich Wasserstoff umweltfreundlich herstellen. Es gibt zwei Verfahren zur Wasserstoffherstellung, die sich mittlerweile stark etabliert haben:

Reformierungsverfahren

Hier wird Wasserstoff durch Reformierung von Erdgas, Benzin, Kohle, Methanol oder auch Biomasse erzeugt. Mittels der Reformierung wird den Kohlenwasserstoffketten sukzessiv der Wasserstoff entzogen, der aus den Energieträgern stammt. Bei diesem Verfahren entsteht Wasserstoff also als Nebenprodukt z.B. in der chemischen Industrie.

Wasserelektrolyse

Das bekannte Verfahren der Wasserelektrolyse basiert auf der Zerlegung von Wasser H20 zu Wasserstoff H und Sauerstoff 02 mittels des elektrischen Stroms. Dafür wird Wasser mit einer Flüssigkeit verbunden, womit im Anschluss ein Ionentransport realisiert werden kann. Beim Prozess wird elektrische in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gelagert. Bei Brennstoffzellen macht man sich den gegenteiligen Prozess zunutze, da man mit Brennstoffzellen vor allem elektrische Energie generieren möchte. Dies ist ein wichtige Grundlage für eine emissionsfreie Mobilität, da sie in der Automobilindustrie aber auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Marineindustrie eingesetzt werden kann.

Vergleicht man beide Verfahren, stellt man fest, dass das Reformierungsverfahren günstiger ist als die Elektrolyse, da weniger Energie eingesetzt werden muss und elektrische Energie oftmals kostenintensiver ist.

Wie lässt sich Wasserstoff speichern?

Ähnlich wie Erdgas lässt sich Wasserstoff zusammengepresst unter hohen Druck, eingelagert auf molekularer Ebene oder in flüssiger Form speichern. Dafür gibt es Druckspeicher in verschiedenen Größen. Von 10 Liter Gasflaschen bis hin zu großen Speichern mit 100.000 Kubikmetern.

Worin unterscheidet sich der grüne, graue, blaue, und türkise Wasserstoff?

Türkiser Wasserstoff

  • Gewinnung durch thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse).
  • Es entsteht fester Kohlenstoff.
  • Für eine CO2-neutrale Produktion ist eine Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbarer Energie und eine dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs erforderlich.

Blauer Wasserstoff

  • Ist im Grunde grauer Wasserstoff.
  • Unterschied zum grauen Wasserstoff: Bei blauem Wasserstoff wird das durch Dampfreformierung entstehende CO2 gelagert.
  • Das CO2 welches in der Herstellung entsteht, geht nicht in die Atmosphäre und daher ist diese Art der Wasserstoffproduktion CO2-neutral.

Grauer Wasserstoff

  • Ausgangsstoff ist ein fossiler Brennstoff.
  • Das Verfahren, welches für die Produktion von grauem Wasserstoff verantwortlich ist, ist die Dampfreformierung.
  • Erdgas wird erhitzt und wandelt sich in CO2 und Wasser um. Das CO2 was nicht genutzt wird gelangt in die Atmosphäre und ist mitverantwortlich für den Treibhauseffekt.

Grüner Wasserstoff

  • Herstellung erfolgt durch Elektrolyse von Wasser.
  • Der verwendete Strom für die Elektrolyse stammt aus erneuerbaren Energien wie z.B. Sonne, Wind oder Biogas und ist somit CO2-frei für den Prozess der Elektrolyse und der Herstellung von Wasserstoff.
  • Dies gilt auch für andere Elektrolyseverfahren.

Warum ist gerade der “grüne” Wasserstoff so besonders?

Verglichen mit den fossilen Brennstoffen wie Erdöl, Kohle, Erdgas usw., fällt bei der Herstellung von grünem Wasserstoff keine Emissionen an, die den Treibhauseffekt fördern. Dies gilt jedoch nur für die Herstellung von Wasserstoff durch das Elektrolyse Verfahren.

Der grüne Wasserstoff ist somit …

  • nachhaltiger
  • flexibel einsetzbarer
  • leicht transportierbar
  • gut speicherbar

⇒ ein Energieträger der Zukunft

Wie kostenintensiv ist die Herstellung von Wasserstoff?

Vergleicht man die Kosten für die Wasserstoffproduktion mit den Produktionskosten für die klassischen Energieträger stellt man fest, dass der Wasserstoff noch kostenaufwändiger ist.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhafter Wasserstoff in den Ländern der Erde zu produzieren, wo die Produktionsbedingungen besser sind, wie zum Beispiel in Afrika oder Australien.

Durch neue Technologien, stetige Forschung und Innovationsförderungen können die Kosten weiterhin gesenkt werden.

Durch eine Studie des Marktforschungsunternehmens Wood Mackenzie werden die Kosten für den grünen Wasserstoff bis 2040 um 64% fallen. Die Unternehmensberatung McKinsey geht davon aus, dass der Preis von Wasserstoff in den nächsten 10 Jahren bis zu 50% fallen wird. In Ländern wie Deutschland könnte dieser Fall auch schon in den nächsten 10 Jahren, also bis 2030 eintreten. Bis dato entspricht der Preis für grünen Wasserstoff ca. dem Preis der fossilen Brennstoffe.

Stand heute: Grüner Wasserstoff ist durch Erzeugungsinfrastruktur und Abgabenstruktur noch teurer als grauer Wasserstoff.

Derzeit liegt der durchschnittliche grüne Wasserstoffpreis pro kg bei 1.5€ bis 5€, abhängig von den Strompreisschwankungen, Verfahren oder der Anzahl von Betriebsstunden.

Was sind die Leistungsmerkmale von Wasserstoff?

Bei einem Kilogramm Wasserstoff enthält man ca. die dreifache Menge an Energie als bei einem Kilogramm Erdöl. Zudem wird beim Verbrauch von Wasserstoff keine umweltbelastenden Schadstoffe freigesetzt. Mittels Brennstoffzelle wandelt man chemische Energie (Wasserstoff und Sauerstoff) in elektrische Energie um (Strom, Wärme), die zum Beispiel den Elektromotor antreiben.

Wasserstoff Fossile Energieträger

Wasserstoffverbrauch: Mercedes Benz GLC F-Cell: 0,34 kg/100km

⇒ Reichweite bei 1kg Wasserstoff= 294,11km

Benzinverbrauch: Mercedes-Benz GLC: 1.7-13l /100km mit 1l Öl = 0,75kg Öl und 1.7l Verbrauch

⇒ Reichweite bei 1kg Öl= 84.12 km
Stromverbrauch für 1kg H2= 50 kWh Stromverbrauch für 1 kg Kraftstoff = 1,6 kWh

Wirkungsgrad eines auf der Erzeugung von Wind- und Solarstrom in Wasserstoff beruhendes

Energiesystem = 80%

Wirkungsgrad Wasserelektrolyse = 70-80%

Wirkungsgrad Brennstoffzelle = 35-65% (je nach Typ) Wirkungsgrad Elektromotor = 70-90%

Wirkungsgrad Windkraftanlage basierend auf Strom = 45%

Wirkungsgrad Solarzelle = 15-19%

Wirkungsgrad Ottomotor = 40%

Wirkungsgrad Dieselmotor = 30-35%

Kosten für 1 kg H2 an der Tankstelle = 9.5€

Kosten bei der Herstellung von 1kg H2 = 1.5€- 4€

Kosten für 1 kg H2 an der Tankstelle = 9.5€

Kosten bei der Herstellung von 1kg H2 = 1.5€- 4€

Was sind die Anwendungsgebiete von Wasserstoff?

Ähnlich wie bei den fossilen Brennstoffen, lässt sich Wasserstoff vielseitig anwenden. Wasserstoff bietet folglich viele Einsatzmöglichkeiten in der zentralen und dezentralen Stromversorgung an.

Zu den Anwendungsgebieten zählen:

  • Antriebstechnik für Fahrzeuge, Raketen, Boote …
  • Dezentrale und zentrale Stromversorgung (Haus, Fahrzeuge, Wohnungen…)
  • Herstellung alternativer Kraftstoffe, Brennstoffe und Gase
  • Langzeitspeicherung als Rohstoff für industrielle und chemische Prozesse
  • Herstellung Ammoniak und Methanol

Welche Wasserstofftechnologien gibt es bereits? Welche werden noch kommen?

Es existieren bereits sehr viele und vielfältige Technologien auf dem Markt zur Gewinnung, Herstellung, Speicherung, Verteilung und Anwendung von Wasserstoff.

  • Die Brennstoffzelle als neuer Motor für diverse Fahrzeugtypen, Schiffe, U-Boote, Züge, Busse, Raketen usw.
  • Die Brennstoffzelle als Stromlieferant für Häuser und Wohnungen
  • Technologien der Wasserstoffgewinnung: Dampfreformierung, Wasserelektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse, …
  • Technologien zur Wasserstoffspeicherung: Druckspeicher, Flüssigspeicher, Metallhydridspeicher…
  • Technologien zur Wasserstoffverteilung und Infrastruktur: Ionischer Verdichter, Kolbenverdichter, Wasserstofftankfahrzeuge, Wasserstoffpipelines, Wasserstofftankstellen, Hydrogen Highway
  • Technologien der Wasserstoffnutzung: Alkalische Brennstoffzelle - Verwendung in der Raumfahrt oder als U-Boot Antrieb, Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle- Verwendung in Brennstoffzellenfahrzeugen, Phosphorsäure-Brennstoffzelle - Verwendung als Blockheizkraftwerk
  • Fahrzeugantriebe: Brennstoffzellen-PKW/ LKW/ Busse/ Zweiräder/ Schienenfahrzeuge
  • Sonstige Antriebe: Raketenantriebe, U-Boot Antrieb, Flugzeugantrieb, Antrieb für Überwasserschiffe
  • Blockheizkraftwerke, Stromaggregate: Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk, Insel Energieversorgung, Notstromversorgung, Stromversorgung für Verkehrsflugzeuge

Welche Hürden gibt es derzeit in der Wasserstofftechnologie?

Neben der guten Transportfähigkeit und der Speicherbarkeit von Wasserstoff gibt es einige Hürden, die man noch zu lösen hat.

Zum einen muss…

  • Wasserstoff flächendeckend vorhanden sein (z.B. Wasserstofftankstellen)
  • die Emissionen bei der Herstellung von Wasserstoff (bis auf grünen Wasserstoff) gesenkt werden
  • die Infrastruktur für eine ausreichende Versorgung bis hin zu den Haushalten geschafft werden
  • die Logistik ausgebreitet werden, da Wasserstoff nur in stabilen und hoch isolierten Drucktank gelagert werden kann
  • das Image geändert werden (Wasserstoff ist hoch explosiv und kann bei falscher Anwendung schnell gefährlich werden, wie z.B. damals beim Luftschiff “Hindenburg”, welches im Jahr 1937 explodierte)
  • die nötige Sicherheit und Qualität von der Erzeugung bis hin zur Speicherung gewährleistet sein
  • Um diese Ziele zu erreichen hat der Bund bisher 7 Milliarden Euro in Wasserstofftechnologien investiert und 2 Milliarden Euro für internationale Partnerschaften.

Vorteile und Nachteile der Brennstoffzelle

Eine Schlüsseltechnologie, die mit dem Wasserstoff stark zusammenhängt, ist die sogenannte Brennstoffzelle. Mit der Brennstoffzelle ist es möglich chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Dies wird mit einer elektrochemischen Oxidation eines oxidierbaren Stoffes wie Wasserstoff, Hydrazin oder Methanol realisiert. Als Oxidationsmittel wählt man Sauerstoff und Luft. Somit ist die Brennstoffzelle, welche korrekterweise eigentlich “Wasserstoff-Sauerstoff-Brennzelle” heißt, eine Stromquelle, jedoch kein Energie- oder Stromspeicher!

Vorteile Nachteile
Kann chemische Energie in elektrische Energie umwandeln, ohne eine Umwandlung in Wärme und Kraft. D.h., dass elektrische Energie ohne mechanische Arbeit und thermische Energie erzeugt werden kann. Für den Betrieb einer Brennstoffzelle muss Wasserstoff zunächst produziert werden, da Wasserstoff unser neues “Kraftstoff” ist. Produktion von Wasserstoff ist derzeit noch energieintensiv.
Besitzt großes Potential in der Verwendung in mobilen Endgeräten sowie Brennstoffzellenfahrzeug. Kann auch in Elektroautos eingesetzt werden, z.B. für eine zusätzliche Reichweite. Im Bereich der Mobilität ist die Infrastruktur mangelhaft. Ohne eine grundlegende Änderung, wird sich die Brennstoffzelle am Markt nicht durchsetzen können. Die Anschaffungskosten der H2-Autos sind hoch, da die Brennstoffzelle eine Platinbeschichtung benötigt. Daher ist eine Serienproduktion, zumindest in Deutschland, nicht garantiert.
Sie hat einen höheren Wirkungsgrad die Otto- oder Dieselmotoren. Hat einen niedrigeren Wirkungsgrad als moderne Gasturbinen, die auch in höheren Temperaturniveau funktionsfähig sind.
Wasserstoff ist theoretisch unbegrenzt verfügbar und die Brennstoffzelle verursacht keine anderen Emissionen bis auf Wasserdampf. Zwar fällt für die Nutzung der Brennstoffzelle keine Emissionen an, aber für die Herstellung des Wasserstoffes ist hoher Energieeinsatz erforderlich, welches die Energiebilanz der Brennstoffzelle in das Negative rutschen lässt. Für die Elektrolyse ist nämlich Strom notwendig! ⇒ Für einen Erfolg ist die Technik noch zu kostenintensiv, die Infrastruktur noch nicht entwickelt und die Versorgung mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen überhaupt nicht ausreichend.

Brennstoffzelle vs. Batterie

Streng genommen sind Brennstoffzellenautos oder Wasserstoffautos auch Elektroautos, da sie einen elektrischen Motor besitzen, der aus der Brennstoffzelle seine Energie, also den Strom bezieht! Der einzige Unterschied ist, das hier Wasserstoff anstelle von Strom getankt wird. Die Brennstoffzelle entsteht durch die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom, der den Motor antreibt.

Direkter Vergleich zu Elektroautos:

  • Höhere Reichweite (~ 600km) als reine E-Autos
  • Geringere Ladezeit - 3 Minuten
  • Wenn der Wasserstoff ausschließlich aus erneuerbaren Energien gewonnen wird (in ferner Zukunft), dann sind die Brennstoffzellenautos ökologisch wertvoll und sinnvoll.
  • E-Autos sind trotz besseren Wirkungsgrades nicht umweltfreundlicher als Benziner. Auch wenn der Strom ausschließlich aus regenerativen Energien stammt, benötigt man für die Batterieherstellung schwer abbaubare Rohstoffe wie Lithium oder Kobalt. Zudem erzeugt die Herstellung sehr viel CO2.
  • Kaufpreis Wasserstoff ist deutlich teurer als Strom
  • Verbautes Platin treibt die Kosten nach oben
  • Da noch keine Serienproduktion existiert, sind die Preise für H2 Autos noch sehr hoch
  • Geringerer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle in Autos (20-30%) ←→ Wirkungsgrad batteriebetriebener Autos liegt bei 70%

⇒ Entscheidend für die Ökobilanz der Wasserstoffautos hängt also enorm davon ab wie der Strom erzeugt wurde.

Welche Wasserstoffanwendungen könnte zukünftig an Bedeutung gewinnen?

Wasserstoffspeicherung: Durch das große Speicherpotential kann Wasserstoff über mehrere Wochen, Monate und Jahre gespeichert werden und anschließend für andere Zwecke, wie für den Antrieb von Brennstoffzellen, für die Stromversorgung oder zur Produktion von elektrischer Energie durch reversible Brennstoffzellen verwendet werden.

  • Die Brennstoffzelle als neuer Motor für diverse Fahrzeugtypen, Schiffe, U-Boote, Züge, Busse, Raketen usw.
  • Die Brennstoffzelle als Stromlieferant für Häuser und Wohnungen

Wasserstoffheizung: Anders als bei Gas oder Öl wird die chemische Energie im Wasserstoff nicht durch eine Verbrennung, sondern durch eine chemische Reaktion gewonnen. Dabei entsteht Strom und durch die Reaktion Wärme. Mit einer Wasserstoff Heizung wäre man in der Lage Gebäude zu beheizen oder warmes Wasser aufzubereiten. Der gesamte Prozess ist klimaneutral, da keine Abgase entstehen. Das Heizen könnte man durch die Brennstoffzelle und einen Wasserstofftank realisieren.

Wie kann Wasserstoff zur erfolgreichen Energiewende beitragen?

Die Brennstoffzelle kann eine wichtige Zukunftstechnologie sein, wenn in Zukunft überschüssiger Strom aus Windkraftanlagen oder Solaranlagen in Form von Wasserstoff gespeichert werden muss.

Der gespeicherte Wasserstoff, der durch Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff entsteht ist vielseitig einsetzbar. Er könnte für die Mobilität, Hausheizungen oder für weitere Grundstoffe, Chemikalien verwendet werden. In der Industrie spricht man auch von “Power to X”.

Aktuell werden Windkraftanlagen abgeschaltet, wenn zu viel Strom im Umlauf ist. Der verlorene Strom könnte somit für die Wasserstofftechnologien genutzt werden.

Wasserstoff als Treibstoff für den Mobilitätsbereich. Wenn wir annehmen, dass der hergestellte Wasserstoff ausschließlich aus erneuerbaren Energien käme, dann wären alle Verkehrsmittel, die sich die Brennstoffzellentechnologie zunutze machen mit Abstand umweltfreundlicher als jeder Verbrennungs- und Elektromotor.

Gerade für LKWs macht eine Brennstoffzelle Sinn, da LKWs längere Strecken fahren und laut Statistikauswertungen größter Verursacher der Verkehrsemissionen sind. Hier ist die Brennstoffzelle sogar dem Elektromotor vorzuziehen, da der LKW sich somit die tonnenschwere Batterie spart und sich binnen fünf Minuten auftanken lässt.

Beispiel: Trucks von Nikola versprechen eine Reichweite von bis zu 1100 Kilometer, die sich durch Brennstoffzellen realisieren lassen. Währenddessen würden Lithium- Ionen-Batterie LKWs nur eine Reichweite von 500 Kilometer schaffen.

Züge und Busse profitieren auch von der Brennstoffzelle, da sie in der Regel weite Strecken zurücklegen und/oder schwere Lasten transportieren.

Wasserstoff könnte zukünftig zur Dekarbonisierung, also zur Schaffung einer kohlenstofffreieren Wirtschaft wesentlich beitragen. Das langfristige Ziel ist es mit erneuerbaren Energien wie Windkraftwerke oder Sonnenkraftwerke genügend Strom zu erzeugen, die dann für die Produktion von Wasserstoff dienen soll. Das Gas wird anschließend als Energie gespeichert, transportiert und den Verbrauchern flächendeckend zur Verfügung gestellt.

Du willst deine Noten an der Uni verbessern und suchst die perfekten Lernunterlagen für deinen Studiengang? Dann schau doch mal auf Studydrive vorbei.

Hier findest du viele, viele kostenlose Lernunterlagen, Übungsblätter, Altklausur-Lösungen und kannst dich mit anderen Studis austauschen.

Zeig mir Studydrive