Wasserstoff: Fakten über die Zukunftsenergie

Energiequelle, Speichermedium, Ersatz für fossile Brennstoffe: Wasserstoff (H₂) kommt in der Energiewende eine wichtige Rolle zu. Doch wie entsteht Wasserstoff? Welche Eigenschaften bringt er mit? Und wie hilft er dabei, unsere Klimaziele zu erreichen? Spannende Fakten über den Energieträger der Zukunft.

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Was ist Wasserstoff?

Schon gewusst, dass Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist? Auf der Erde kommt Wasserstoff hauptsächlich gebunden vor – in Form von Wasser (H₂O) oder als Wasserstoffgas (H₂). In molekularer Form steckt er außerdem in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl sowie in mehr als der Hälfte aller bekannten Mineralien. In Reinform ist Wasserstoff bei Normaltemperatur gasförmig. Wird er unter geringem Druck auf -253 Grad Celsius heruntergekühlt, verflüssigt er sich. Fest wird er bei -259 Grad.

Weitere Eigenschaften von Wasserstoff:

ist etwa 14-mal leichter als Luft
ist farb- und geruchlos und völlig ungiftig
ist in Reinform weder brennbar noch explosiv
ist in Verbindung mit Sauerstoff leicht entzündlich
ist energiereicher als Erdgas in Bezug auf den Energieinhalt pro Gewicht (33 kWh/kg Wasserstoff zu 10 kWh/kg Erdgas)
ist weniger energiereich als Erdgas in Bezug auf das Volumen (3 kWh/m³ Wasserstoff zu 10 kWh/m³ Erdgas)

Wasserstoffwunder Sonne

Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff. Im Inneren der Sonne sind Druck und Temperatur so hoch, dass Wasserstoffatome miteinander zu Heliumatomen verschmelzen. Dabei wird eine enorme Menge Energie frei. Im Prinzip ist die Sonne ein gigantischer Kernfusionsreaktor, der seinen Wasserstoffvorrat nach und nach verbrennt – rund 5 Milliarden Jahre dürfte sie laut Schätzungen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) noch scheinen.

Wann wurde Wasserstoff entdeckt?

Wasserstoff wurde von seinem Entdecker Cavendish als "brennbare Luft" bezeichnet. Der Forscher de Lavoisier taufte das Gas "Hydrogène", deutsch: "Wassererzeuger.

Der britische Naturwissenschaftler Henry Cavendish entdeckte Wasserstoff 1766 bei Experimenten mit Metallen und Säuren. Namensgeber des Gases ist jedoch der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, der 1783 bei einer heute als Knallgasprobe bezeichneten Untersuchung feststellte, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt. In den folgenden Jahrhunderten machte sich Wasserstoff als Traggas einen Namen, unter anderem diente er dazu, Ballone oder Zeppeline zu füllen und zum Fliegen zu bringen. Später wurde es durch das nicht brennbare Helium ersetzt. In den 1960er Jahren wurde Wasserstoff erfolgreich als Raketentreibstoff verwendet und kam in ersten Pkws mit Brennstoffzellen zum Einsatz.

Wo wird Wasserstoff genutzt?

Wasserstoff lässt sich auf unterschiedliche Weise in nutzbare Energie umwandeln. Die besonders im Hochlauf der Wasserstoff-Wirtschaft relevanten Sektoren sind:

Industrie

Laut Nationalem Wasserstoffrat liegen die wichtigsten Einsatzbereiche von Wasserstoff in der Stahl- und Chemieindustrie. In der Stahlindustrie kann Wasserstoff Kohle als Reduktionsmittel ersetzen, in der Chemieindustrie braucht es Wasserstoff, um beispielsweise Erdöl als Rohstoff abzulösen. Außerdem kann Wasserstoff in Unternehmen, die Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau brauchen, zum Einsatz kommen.

Strom- und Wärmeerzeugung

Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, wird ergänzend zu den erneuerbaren Energien regelbare Stromleistung gebraucht. In der Wärmeversorgung werden Fern- und Nahwärmenetze eine wichtige Rolle spielen. Die dafür notwendige Energie kann durch Wasserstoff-Kraftwerke zur Verfügung gestellt werden. Ein Beispiel dafür sind die Fuel Switch Kraftwerke der EnBW, die von Erdgas auf Wasserstoff umgestellt werden sollen.

Verkehrssektor

In Deutschland liegt ein weiterer Schwerpunkt der Nationalen Wasserstoffstrategie neben der Dekarbonisierung der Industrie auf dem Verkehrssektor und dem Transportwesen. Insbesondere Lastkraftwagen, Busse und die Luftfahrt, die sich nicht so einfach elektrifizieren lassen wie der motorisierte Individualverkehr, sollen mit grünem Wasserstoff ihre Emissionen verringern.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff kommt auf der Erde nur in gebundener Form vor. Um ihn in Reinform zu gewinnen, muss er aus dem Ausgangsstoff – etwa Erdgas oder Wasser – mithilfe von Energie abgespalten werden. Die am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstoffherstellung ist derzeit noch die Dampfreformierung von Erdgas – bei diesem Verfahren entsteht allerdings auch CO₂, das in die Atmosphäre entweicht. In Zukunft soll zunehmend die Elektrolyse zum Einsatz kommen, bei der Wasser mithilfe von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Wie umweltfreundlich diese Methode ist, hängt vom Ursprung der dabei genutzten Energie ab.

Wo wird nachhaltiger Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff kommt in der Energiewende eine wichtige Rolle zu.

Es gibt in Deutschland zahlreiche Pilotprojekte, die nachhaltigen Wasserstoff durch Elektrolyse herstellen, etwa der Energiepark Bad-Lauchstädt unter Beteiligung der EnBW-Tochter VNG.

Für die Produktion sind vor allem Regionen mit großen Windparks oder PV-Anlagen geeignet – hier gibt es ausreichend Strom aus erneuerbaren Energien. Durch den Kohleausstieg sowie den Ersatz von klassischem Erdgas wird künftig deutlich mehr Wasserstoff benötigt, als hierzulande hergestellt werden kann. Teil der nationalen Wasserstoffstrategie ist es daher auch, den Energieträger im großen Stil aus Ländern zu importieren, die aufgrund ihrer geografischen Lage und bestehender Infrastruktur günstig Wasserstoff produzieren können – etwa der windreiche europäische Norden oder die sonnenreichen Staaten Nordafrikas.

Wie lässt sich Wasserstoff speichern und transportieren?

Speicherung in Kavernen

Wie Erdgas lässt sich gasförmiger Wasserstoff unter geringem Druck in großen Mengen unter Tage in porösen Bodenschichten oder Hohlräumen, sogenannten Kavernen, speichern. Bestehende Erdgas-Infrastruktur lässt sich dafür nutzen – allerdings kann durch die Eigenschaften von Wasserstoff nur ein Bruchteil des Energiegehalts von Erdgas bei gleichem Speichervolumen gespeichert werden.

Transport im Gasnetz

Für den Transport bietet sich das bereits vorhandene Erdgasnetz an, das derzeit auf die Nutzung von Wasserstoff umgestellt wird. Das deutsche Wasserstoffkernnetz soll bis 2032 aufgebaut werden und mit einer Länge von rund 9.700 Kilometern das Grundgerüst für den Aufbau der Wasserstoff-Infrastruktur bilden.

Deutschland beteiligt sich am European Hydrogen Backbone, einem grenzübergreifenden Versorgungsnetz, die bis 2040 eine Länge von 53.000 km erreichen soll. Mit den EnBW-Töchtern ONTRAS und terranets bw beteiligt sich die EnBW am Aufbau der zukünftigen Wasserstoff-Infrastruktur.

Speicherung und Transport in Tanks

Wasserstoff lässt sich unter hohem Druck in speziellen Tanks, Containern oder Gasflaschen speichern und auf dem Land- oder Seeweg transportieren – beispielsweise dann, wenn keine Pipeline vorhanden ist. In flüssigem Zustand lässt sich Wasserstoff ohne Druck in isolierten Behältern lagern. Die Verflüssigung ist allerdings sehr energieintensiv: Sie erfordert rund ein Drittel der im Wasserstoff gespeicherten Energie.

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Wasserstoff besitzt trotz seiner niedrigeren volumetrischen Energiedichte ein immenses Potenzial: Anders als Strom in Batterien lässt sich Wasserstoff beispielsweise in Form von komprimiertem Gas dauerhaft und in großen Mengen speichern sowie über weite Strecken transportieren. Somit kann Wasserstoff als dringend benötigter Baustein für die sogenannte Sektorenkopplung, die Verbindung der Energiesektoren Strom, Wärme und Verkehr, dienen. Außerdem gibt es Anwendungen wie beispielsweise Prozesse in der Industrie, die sehr hohe Temperaturen benötigen, die Strom als Energieträger so nicht liefern kann. Zur Orientierung: Der Endenergiebedarf in Deutschland wird derzeit zu rund 20 Prozent durch Strom gedeckt und zu rund 80 Prozent durch molekül-basierte Energieträger, insbesondere Erdgas und Mineralöl. Weitere Elektrifizierung und Maßnahmen zur Energieeffizienz werden eine zentrale Rolle beim Erreichen von Klimaneutralität spielen müssen, werden aber nicht ausreichen. Und genau hier wird Wasserstoff eine wesentliche Rolle spielen.

Wie umweltfreundlich ist Wasserstoff?

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Wasserstoff bietet großes Potenzial für eine umweltfreundliche Energiezukunft, wenn er fossile Energieträger ersetzt und bei seiner Produktion, seinem Transport und seiner Nutzung möglichst wenig CO₂ entsteht. Ein gutes Beispiel dafür sind unsere neuen Gaskraftwerke, die zunächst mit Erdgas und später mit Wasserstoff betrieben werden sollen. Der sogenannte Fuel Switch sorgt im ersten Schritt für etwa 60 Prozent weniger Emissionen. Nach der Umstellung auf Wasserstoff läuft die Erzeugung von Strom und Wärme dann klimaneutral.

Die Umweltauswirkungen von Wasserstoff hängen stark von der Art seiner Herstellung ab. Durch die Elektrolyse von Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne entsteht erneuerbarer Wasserstoff. Seine Klimafreundlichkeit wird durch die Einhaltung regulatorisch vorgegebener Kriterien gewährleistet. Um vor allem im Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft eine ausreichende Verfügbarkeit von Wasserstoff zu erreichen, ist zunächst auch der Einsatz von CO₂-armem Wasserstoff sinnvoll. Dieser wird zwar aus fossilen Energieträgern erzeugt, beim Herstellungsprozess entstehende CO₂-Emmissionen werden jedoch aufgefangen und gespeichert.

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Wasserstoff: Die Vor- und Nachteile auf einen Blick

Die Vorteile

Wasserstoff lässt sich aus erneuerbaren Energien sowie CO₂-arm herstellen.
Wasserstoff kann in vielen Sektoren zur Reduzierung der CO₂-Emissionen beitragen.
Durch Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, entsteht ein hoher Nutzen für die Sektorenkopplung.
Bei Speicherung und Transport kann zum großen Teil auf Bestand aufgebaut werden – etwa durch das Umrüsten von Erdgasleitungen und Kavernenspeichern.
Bei weitem Transport entstehen weniger Verluste als bei Stromübertragungsleitungen.
Wasserstoff ermöglicht die Dekarbonisierung von Sektoren, die nicht elektrifiziert werden können.

Die Nachteile

Wasserstoff ist in der Herstellung energieintensiv, 30 Prozent des bei der Elektrolyse eingesetzten Stroms gehen verloren.
Die Transformation der gesamten Gas-Wertschöpfungskette muss Hand-in-Hand laufen.
Die Kosten für Produktion und Transport sind derzeit noch schwer einschätzbar.

Trotz dieser Herausforderungen ist nachhaltig erzeugter Wasserstoff ein Schlüsselelement für eine umweltschonende Energieversorgung. Effektive Lösungen können durch Forschung und Entwicklung, wirtschaftliche Zusammenarbeit sowie staatliche Förderinitiativen erreicht werden.

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