Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
Definition, Anwendung, Herstellungsverfahren
Wasserstoff soll als Energieträger eine Schlüsselrolle in der globalen Energiewende einnehmen. Was das kraftvolle Element kann und wie er die Energiewirtschaft in Zukunft nachhaltig verändern kann, lesen Sie in diesem Ratgeber.
Elektrofahrzeuge. Digitalisierung. Industrieprozesse: Deutschland braucht viel Strom. Wir leben in einer "elektrifizierten" Gesellschaft, die ohne Strom nicht weit kommt. Das Element Wasserstoff soll unsere Energieversorgung klimafreundlicher und unabhängiger machen. Aber was ist Wasserstoff eigentlich?
Wasserstoff: Ein nachhaltiger Energieträger für die Zukunft
Das Wasserstoffatom mit dem chemischen Symbol H (für Hydrogenium) begegnet uns überall in der Natur. Es kommt aber nie allein vor, sondern immer in gebundener Form – und wie der Name vermuten lässt am häufigsten in Wasser (H20), also in Verbindung mit Sauerstoff (O2). Um Wasserstoff nutzen zu können, muss er aus seiner gebundenen Form gelöst werden. Das gängigste Verfahren, um den Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen ist die Elektrolyse.
Bei der Elektrolyse wird mit Hilfe von Strom der Wasserstoff vom Sauerstoff getrennt. Genauer wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Bei diesem Vorgang geht Energie verloren. Wasserstoff ist daher keine Energiequelle, wie es klassisch Erdgas, Erdöl, Wind, Wasser oder Sonnenlicht sind, sondern Wasserstoff ist ein Energieträger.
Wenn von Wasserstoff als Energieträger gesprochen wird, wird es meistens bunt. Wasserstoff ist zwar ein farbloses Gas, trotzdem begegnet er einem als grüner, grauer oder blauer Wasserstoff. Die Farben geben Aufschluss über das Herstellungsverfahren. Der Knackpunkt bei der Herstellung ist der Strom, der dafür eingesetzt wird.
Um Wasserstoff klimaneutral – also als grünen Wasserstoff herzustellen, muss der Strom aus erneuerbaren Energiequellen kommen. Nur dann heißt er grüner Wasserstoff. Er soll die Antwort auf die drängenden Herausforderungen zum Klimaschutz und der Unabhängigkeit von anderen Energiequellen und Ländern sein.
Rolle von Wasserstoff bei der Energiewende
Um dem Klimawandel entgegenzuwirken hat Deutschland ambitionierte Klimaziele: Wir wollen bis 2045 klimaneutral werden. Damit wir das schaffen, muss einiges passieren – besonders unsere Energieeffizienz deutlich höher werden.
Energie und Rohstoffversorgung müssen dekarbonisiert werden, in dem wir weg von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energieträger umstellen. Wasserstoff kann dabei eine Schlüsselrolle einnehmen, da er vielfältig einsetzbar ist und ein großes Synergiepotential hat.
Für die angestrebten Klimaziele soll eine von der Bundesregierung geschaffene Wasserstoffstrategie früh einen Beitrag leisten die CO2-Emissionen deutlich zu verringern:
Wasserstoff in der Praxis
Wasserstoff kann als grüner Kraftstoff im Verkehr zum Einsatz kommen. Mobilität durch Wasserstoff ist dann besonders sinnvoll, wenn Batterien zu groß oder zu schwer sind, um den Bedarf zu decken.
Es sind bereits H2-Busse, Lastwagen, Schiffe und Flugzeuge im Einsatz oder werden in Pilotprojekten getestet. Das Potential ist da, aber noch ist nicht überall die Technologie marktreif.
In der Intralogistik wird Wasserstoff bereits viele Jahre eingesetzt. Wasserstoff speichert Energie und setzt diese bei Bedarf frei. Diese Eigenschaft können Gabelstapler zum umweltfreundlichen Antrieb ihrer Elektromotoren nutzen.
Die Batterie und der Batteriewechsel entfallen. Somit sind kein aufwändiges Batterielager und Batteriewechsel mehr notwendig. Auch die Frage nach der Entsorgung der Batterien entfällt.
Es kann einfach an der Tankstelle getankt werden. Beim Einsatz von Wasserstoff fällt lediglich destilliertes Wasser als Reststoff an.
Wasserstoff kann als Energieträger in Brennstoffzellen in speziellen Kraftwerken eingesetzt werden, bei denen die Elektrolyse in umgekehrter Reihenfolge abläuft. Ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff wie Wasserstoff reagiert mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff in der Brennstoffzelle. Strom, Wärme und Wasser entstehen in der sogenannten kalten Verbrennung ohne Umweltbelastung.
Vorteile von Wasserstoff
Wasserstoff, ein vielseitiges Element, bietet zahlreiche positive Eigenschaften, die es zu einer vielversprechenden Energiequelle machen. Doch es punktet noch mit anderen Eigenschaften, denn es …
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Derzeitige Herausforderungen
Deutschland ist bei seiner Wasserstoffstrategie und dem Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur aber noch nicht am gesetzten Ziel. Es werden in Deutschland aktuell nur geringe Mengen an Wasserstoff mittels Elektrolyse extra erzeugt. Der Großteil fällt als Nebenprodukt in der Industrie an. Dieser wird aus Erdgas getrennt und ist daher kein grüner, sondern grauer Wasserstoff.
Eigenbedarf und Abhängigkeiten
Deutschland kann seinen Eigenbedarf an Wasserstoff für Verkehr, Industrie, Wärme- und Stromproduktion nicht allein decken. Um das zu leisten, braucht es eine durchdachte Verteilstruktur im In- und Ausland.
Das Ziel ist immer: grüner Wasserstoff. Dafür braucht es nun mal auch grünen Strom, der mit Hilfe internationaler Lösungen zu uns kommen soll. Dafür müssen die Bemühungen und Infrastruktur für grünen Strom erweitert werden.
Eine etablierte Wasserstoffproduktion in sonnenreichen Ländern könnte dieser Herausforderung begegnen. Bedacht werden muss, dass durch diese Lösung neue Abhängigkeiten entstehen können, die wir gerade versuchen zu lösen.
Zuverlässiger Transport und Speicherung
Ein weiterer wichtiger Faktor für eine reibungslose Wasserstoffwirtschaft ist der Transport und die Speicherung des Energieträgers. Gerade erst getrennt, muss Wasserstoff für den Transport oder die Speicherung komprimiert bzw. gebunden werden.
Dafür kommen Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid in Frage. Unter hohem Druck wird das Gas zusammengepresst und in Druckbehältern aufbewahrt. Wird Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid, also CO2 gebunden, geht das in flüssiger Form. Wasserstoff kann durch seine neue Form transportiert und gespeichert werden.
Eine Möglichkeit den Transport zu vereinfachen, ist der Umbau des Erdgasnetzes in ein Wasserstoffnetz. Das heutige Erdgasnetz bedarf dafür einiger Anpassung, ist aber teilweise bereits wasserstofftauglich.
Wasserstoff lässt sich in seiner gebundenen Form optimal speichern. Saisonale Spitzenlasten lassen sich z. B. über Untergrundspeicher decken. Dafür müssen Regionen nach ihrem Standortpotential bewertet werden.
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Häufig gestellte Fragen
Wasserstoff ist ein chemisches Element, das in der Natur nur in gebundener Form wie Wasser vorkommt. Reiner Wasserstoff ist ein geruchsloses, unsichtbares und ungiftiges Gas. Um es in seiner reinen Form zu nutzen, muss es erst aus z. B. Wasser getrennt werden. Dafür wird Strom benötigt, dessen Energie im Wasserstoff gespeichert wird. Wasserstoff ist daher keine erneuerbare Energie, sondern ein Träger von Energie, also ein Energieträger.
Ein Nachteil von Wasserstoff ist, dass bei jedem Umwandlungsprozess die Energieeffizienz sinkt. Um Wasserstoff in seiner reinen Form zu gewinnen, wird viel Strom benötigt. Damit sind die Verfahren teuer. Die hohen Investitionen in die Extraktion und den Transport, bei dem der Wasserstoff wieder gebunden werden muss, schrecken Unternehmen noch ab. Wasserstoff in seiner Reinform ist zudem hoch entzündlich. Aktuell wird hauptsächlich grauer Wasserstoff erzeugt, bei dem fossile Brennstoffe zum Einsatz kommen. Auch muss derzeit noch viel für den Wasserstoffmarkt und die dafür benötigte Infrastruktur getan werden, um Verkehr, Schwerindustrie und Wärmemarkt mit grünem Wasserstoff zu versorgen. Wichtig ist zudem die Etablierung von Wasserstoffspeichern, um Heizperioden und Spitzenlasten abzufangen.
Wasserstoff ist ein chemisches Element, das aus einem Proton und einem Elektron besteht. Es ist das häufigste Element im Universum. Es kommt in der Natur nicht in Reinform vor, sondern in gebundener Form – größtenteils ist es auf der Erde im Wasser gebunden.
1 kg Wasserstoff hat 33 kWh elektrische Energie.
