Wasserstofftechnologie

Wasserstoff gilt als eine der saubersten Energiequellen, da die einzigen Nebenprodukte Wärme und Wasser sind. Zu den Wasserstofftechnologien gehören Verfahren zur Gewinnung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff.

Was versteht man unter Wasserstofftechnologie?

Häufig wird das chemische Element Wasserstoff (Lateinisch Hydrogen) und die um es herum entstandene Wasserstofftechnologie als Energieträger der Zukunft bezeichnet. Der sogenannte "grüne Wasserstoff" birgt diesbezüglich großes Potenzial. Der Grund: Er kann (unter Einsatz von Ökostrom) mittels Elektrolyse aus Wasser hergestellt werden. Dabei wird Wasser in seine Elemente Sauerstoff und Wasserstoff gespalten und man fängt das aufsteigende Gas ein.

Ein weiterer Vorteil der Wasserstofftechnologie ist, dass Wasserstoff sich als komprimiertes Gas oder tiefgekühlte Flüssigkeit leichter transportieren lässt als Strom. Grüner Wasserstoff eignet sich daher für den direkten Einsatz als Energieträger - beispielsweise beim Betrieb von Brennstoff­zellen - oder für die Weiterverarbeitung, zum Beispiel zu E-Fuels (in Kombination mit Kohlenstoff).^[1]

Welche Wasserstofftechnologien gibt es?

Unter Wasserstofftechnologien versteht man Anwendungen chemischer oder mechanischer Natur, bei denen Wasserstoff zum Einsatz kommt. Dabei unterscheidet man zwischen den folgenden drei Arten der Wasserstofftechnologie:

• Wasserstoffgewinnung
• Wasserstoffnutzung
• Wasserstoffspeicherung^[2]

Technologien zur Wasserstoffgewinnung

Anders als andere natürliche Ressourcen ist Wasserstoff nicht in reiner Form in der Natur vorhanden. Stattdessen muss er aus Wasser oder Kohlenwasserstoffen und unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Die am häufigsten angewandte Wasserstofftechnologie für die Gewinnung ist nach wie vor die Dampfreformierung. Bei diesem Verfahren wird das als Ausgangsstoff verwendete Gas (z.B. Erdgas oder Methan) auf hohe Temperaturen gebracht und unter Zugabe von Wasserdampf aus Kohlenwasserstoffen gespalten. Da als Nebenprodukt dieser Wasserstofftechnologie Kohlenstoffverbindungen zurückbleiben, lässt sich dieses Verfahren nicht ohne Emissionen durchführen.

Eine andere und sehr viel umweltfreundlichere Methode der Wasserstoffgewinnung ist die Elektrolyse. Hierbei wird Wasser in einem chemischen Prozess und unter Einsatz von elektrischer Energie in seine Einzelteile aufgetrennt. Nebenprodukte sind Sauerstoff und Wasserstoff. Von grünem Wasserstoff spricht man dann, wenn bei der Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Anschließend kann man den Wasserstoff auf verschiedene Art und Weise speichern.

Technologien zur Wasserstoffnutzung

Die Anwendung von Wasserstoff ist bereits verbreitet, beispielsweise in der Brennstoff­zellen-Technologie. Je nach Einsatzzweck der Brennstoff­zelle, werden unterschiedliche Arten von Brennstoff­zellen - beispielsweise Wasserstoff-Brennstoff­zellen und Direktmethanol-Brennstoff­zellen - verwendet. In ihnen wird der Wasserstoff wieder rückverstromt. Die gewonnene elektrische Energie kann dann zum Beispiel für den Antrieb elektrischer Lasten genutzt werden.

Dabei kommt das Verfahren der kalten Verbrennung zum Einsatz. In der Brennstoff­zelle wird eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff herbeigeführt. Die entstehende elektrische Spannung wird anschließend von dem jeweiligen Verbraucher genutzt. Als einziges Abfallprodukt entsteht reines Wasser und Abwärme.

Technologien zur Wasserstoffspeicherung

Wasserstoff ist sehr leicht und flüchtig, weshalb sich seine Speicherung als echte Herausforderung darstellt. Das derzeit meistgenutzte Verfahren ist das Druckspeichern. Im Vergleich zu anderen Methoden wiegt diese Speichermöglichkeit nur wenig und eignet sich daher gut für den Einsatz in der Mobilität.

Eine weitere Option ist die Metallhydrid-Speicherung. Dabei wird der Wasserstoff in kalten Metallgitterstrukturen gespeichert und bei Aufwärmung freigesetzt. Der Vorteil: Bei dieser Speicherungsart lassen sich große Mengen Wasserstoff bei geringer Temperatur und Druck zwischenlagern. Der Nachteil ist, dass das Eigengewicht des Speichermediums sehr hoch ist.

Es ist außerdem möglich, Wasserstoff bei sehr niedrigen Temperaturen von -252,8 Grad Celsius als Flüssiggas zu speichern. Bei diesem Verfahren erreicht man zwar die höchste Energiedichte, die Speicher müssen aber gut wärmeisoliert werden, um eine Verflüchtigung des Wasserstoffs zu verhindern. Auch dieses Speicherverfahren ist gut für große Volumen geeignet, wie sie zum Beispiel bei Wasserstofftankstellen anfallen.^[2]

Ist die Wasserstofftechnologie zukunftsfähig? In welchen Bereichen wird die Wasserstofftechnologie bereits genutzt?

Im Rahmen der Klimaschutzziele tut sich Wasserstoff zunehmend als klimaneutraler Energieträger hervor und gilt als wichtiger Baustein für die Dekarbonisierung der Wirtschaft. Zahlreiche Staaten planen, ihre Wasserstoff-Infrastruktur auszubauen, mehr Geld in die Forschung um Wasserstoff zu stecken und Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen.

Gerade die EU-Länder zeigen sich ambitioniert, wenn es um den Einsatz grüner Wasserstofftechnologie in den verschiedenen Wirtschaftssektoren geht. Allen voran sollen die Industrie und der Transport vom grünen Wasserstoff profitieren und nach und nach CO₂-frei werden.

In Deutschland wird Wasserstoff bereits in der chemischen, petrochemischen und stahlerzeugenden Industrie eingesetzt. Außerdem findet die Wasserstofftechnologie in der Mobilität - beispielsweise bei LKWs, Bussen und in der Luftfahrt - Anwendung. Deutschland verfolgt das Ziel, bis 2050 Wasserstoff nur noch aus erneuerbaren Energien herzustellen. Dafür bedarf es aber einer stetig steigenden Nachfrage, einer ausgebauten Infrastruktur für den Wasserstoff-Transport und niedrigerer Herstellungskosten.^[3]

Wasserstofftechnologie in der Zukunft: Was sind die Vorteile und Nachteile von Wasserstofftechnologie?

Die Gründe dafür, dass Wasserstofftechnologien international als wichtiger Schritt zur Erreichung der Pariser Klimaziele gehandelt werden, sind klar. Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher, schadstoffarmer Brennstoff, der großes Potenzial für zahlreiche energieintensive Prozesse und Transportdienstleistungen bietet.

Wie sich die Nachfrage nach Wasserstofftechnologien in Zukunft entwickeln wird, hängt jedoch auch von seinem Preis ab. So liegt der Herstellungspreis für grünen Wasserstoff zurzeit bei 3,3 bis 7,3 US-Dollar pro Kilogramm weltweit. Laut Expertenmeinungen soll der Preis bis zum Jahr 2030 aber auf eine Spanne von zwei bis sechs US-Dollar pro Kilogramm sinken. Die Gründe hierfür sind, dass die Wasserstofftechnologien immer fortschrittlicher werden und die Kosten für grünen Strom sinken.^[3]

Vorteile der Wasserstofftechnologie:

• Wasserstoff ist eine saubere Energiequelle
• Wasserstoff ist erneuerbar
• Höhere Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz als fossile Brennstoffe
• Höherer Wirkungsgrad als andere Energiequellen
• Nahezu keine Emissionen (kleinerer CO₂-Fußabdruck)
• Vielseitige Einsatzmöglichkeiten
• Schnelle Ladezeiten
• Keine Lärmbelästigung
• Lange Nutzungszeiten
• Niedrige Wartungskosten

Nachteile der Wasserstofftechnologie:

• Wasserstoffgewinnung, da nicht natürlich (ohne Verbindungen) vorkommend
• Investitionen erforderlich
• Kosten der Rohstoffe
• Wasserstoff-Brennstoff­zellen-Technologie noch nicht ausgereift
• Wasserstoffspeicherung
• Fehlende Infrastruktur
• Leicht entflammbar^[4]

Wie umweltfreundlich ist die Wasserstofftechnologie?

Man hofft, die Dekarbonisierung der Wirtschaft zu erreichen, indem man die bisher genutzten fossilen Brennstoffe durch die CO₂-freie Wasserstofftechnologie ersetzt. Dieser wird hergestellt, indem man Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Wenn dafür als Energiequelle Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird, ist die Wasserstoffgewinnung zu 100 Prozent fossil- und damit CO₂-frei.

Diese Art der Wasserstoffherstellung und -nutzung stellt also einen bedeutenden Fortschritt gegenüber der Dampfreformierung von Erdgas dar. Mit diesem Verfahren, das große Mengen an CO₂ freisetzt, wird heute aber noch der meiste Wasserstoff hergestellt.^[5]

Fazit

Die Wasserstofftechnologie könnte eine unerlässliche Lösung für den Energiebedarf und die Energiewende weltweit sein. Das chemische Element birgt das Potenzial, zu einer der besten erneuerbaren und sauberen Energiequellen mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt zu werden. Zur Entwicklung der Technologie trägt bei, dass die EU ihre Klimaziele in den letzten Jahren deutlich verschärft hat. Immer mehr Länder und Unternehmen bemühen sich, ihre Emissionen zu senken. Experten prognostizieren, dass der globale Bedarf bis 2050 von derzeit 76 auf bis zu 600 Megatonnen pro Jahr steigen könnte.

Um die Wasserstofftechnologie wirtschaftlich zu machen und ihr Potenzial voll auszuschöpfen, gilt es allerdings noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Um die Kosten für die Wasserstoffgewinnung, -speicherung und -verteilung zu senken, bedarf es weiterer Fortschritte in der Wasserstoff Technik und damit weiterer Investitionen und politischer Maßnahmen zur Förderung der Wasserstofftechnologien. Außerdem ist die entsprechende Infrastruktur großflächig auszubauen. Noch ist außerdem nur mit sauberem Strom hergestellter grüner Wasserstoff aus Wasserstoff-Elektrolyse wirklich umweltfreundlich. Leider ist dieser aktuell noch sehr teuer.