Basiswissen Wasserstoff

Wasserstoff ist das leichteste Element im Universum und zugleich auch das Element, welches am häufigsten in Verbindungen vorkommt. Im Persiodensystem der Elemente steht Wasserstoff an erster Stelle und wird mit dem Buchstaben "H" abgekürzt. Zwei Wasserstoffatome bilden zusammen ein Wasserstoffmolekül: H2.

Unter Umgebungsbedingungen, also bei Normaldruck und Normaltemperatur, ist reiner Wasserstoff ein farbloses und geruchloses Gas. Dieses Gas ist leicht entzündlich und sehr flüchtig. Die kleinen, leichten Wasserstoffmoleküle entweichen schnell in alle Richtungen und haben sich im Freien deshalb sehr schnell verflüchtigt.

Vielseitig einsetzbar

Wasserstoff hat einen hohen Energiegehalt. Er kann als Brennstoff eine Trubine oder einen Verbrennungsmotor antereiben oder in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Der Strom kann sowohl einen Elektromotor antreiben als auch in das Stromnetz eingespeist oder anderweitig verbraucht werden. Das macht Wasserstoff zu einem Energieträger.

Energie wird speicherbar

Wasserstoff kann auf verscheidenen Wegen transportiert und gespeichert werden. Dadurch kann er flexibel eingesetzt werden, wo und wenn gerade Energie gebraucht wird. Daher wird Wasserstoff eine entscheidene Rolle bei der Energiewende einnehmen..

Emissionsreduktion

Wird Wasserstoff mit klimaneutral erzeugtem Strom hergestellt, eignet er sich darüber hinaus zur Dekarbonisierung diverser Sektoren und kann langfristig dazu beitragen, die Klimaschutzziele zu erreichen. Denn weder bei der Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, noch bei seiner Verbrennung entstehen CO2-Emissionen. 

Auf der Erde tritt Wasserstoff überwiegend in gebundener Form auf, konkret in chemischen Verbindungen, wie beispielsweise Wasser oder Säuren. Weitere wasserstoffhaltige Verbindungen sind die sogenannten Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Methan. Um reinen Wasserstoff als Energieträger zu gewinnen, muss dieser folglich erst erzeugt werden.

Reiner Wasserstoff ist unter Umgebungsbedingugen gasförmig und nimmt ein großes Volumen ein. Um Wasserstoff transportfähig und speicherbar zu machen, wird er üblicherwiese unter Druck gesetzt. So kann er beispielsweise in Gasflaschen transportiert und großen Drucktanks (Druckniveau: 200 bar bis 900 bar) gelagert werden. Wasserstoff kann aber auch stark gekühlt werden (-253°C), sodass er flüssig wird. Der Flüssigwasserstoff (liquid hydrogen, kurz LH2) hat dann sogar eine höhere Energiedichte als Durckwasserstoff. 

Wasserstoff wird bislang hauptsächlich in der Chemieindustrie verwendet. Er kann aber auch als Energiespeicher, Brennstoff oder Treibstoff eingesetzt werden.

Aktuell werden weitere mögliche Anwendungsfelder für Wasserstoff diskutiert (zum Beispiel als Reduktionsmittel in der Stahlindustrie).

Wasserstoff hat eine sehr hohe massenbezogene Energiedichte. Das heißt: 1 Kilogramm Wasserstoff enthält eine große Energiemenge, im Vergleich zur selben Menge bei anderen Energieträgern.

• Wasserstoff: 33,33 kWh/kg
• Benzin: 8,5 kWh/kg
• Diesel: 9,8 kWh/kg

Allerdings nimmt 1 Kilogramm Wasserstoff bei Normalbedingungen als Gas (20°C und 1 bar) ein sehr großes Volumen von ca. 11,24 m³ ein. Wasserstoff wird daher üblicherweise zum Transport oder zur Speicherung als Gas koprimiert oder verflüssigt. Mit diesen Methoden erhöht man die volumetrische Energiedichte pro Kubikmeter.

Im Folgenden einige Zahlenbeispiele für Wasserstoff in verschiedenen Zuständen:

Druckwasserstoff

• Dichte von Wasserstoff bei 350 bar: 24 kg/m³
  volumetrische Energiedichte bei 350 bar: 800 kWh/m³
• Dichte von Wasserstoff bei 700 bar: 40 kg/m³
  volumetrische Energiedichte bei 700 bar: 1.333 kWh/m³

Flüssigwasserstoff

• Dichte von Wasserstoff bei -253°C: 70 kg/m³
  volumetrische Energiedichte bei -253°C: 2.333 kWh/m³

Die höchste Energiedichte der üblichen Speicherformen von reinem Wasserstoff hat also der Flüssigwasserstoff.

Üblicherweise wird reiner Wasserstoff (H2) in Drucktanks oder Gasflaschen unter hohem Druck gespeichert oder stark gekühlt in flüssiger Form. Beide Varianten eignen sich dafür, um die Energieinhalt pro Kubikmeter (volumetrische Energiedichte) zu erhöhen. Wasserstoff unter Normalbedingungen nimmt aufgrund seiner geringen Dichte ein sehr großes Volumen ein, was für die technische Anwendung und auch die Speicherung nicht praktikabel ist.

Druckwasserstoff (GH2):

• Dichte von Wasserstoff bei 350 bar: 24 kg/m³
  volumetrische Energiedichte bei 350 bar: 800 kWh/m3
• Dichte von Wasserstoff bei 700 bar:  40 kg/m³)
  volumetrische Energiedichte bei 700 bar: 1.333 kWh/m3

Flüssigwasserstoff (LH2):

• Dichte von Wasserstoff bei -253°C: 70 kg/m³
  volumetrische Energiedichte bei 253°C: 2.333 kWh/m3

Die höchste Energiedichte der üblichen Speicherformen von reinem Wasserstoff hat also der Flüssigwasserstoff.

Weitere Speichermöglichkeiten von reinem Wasserstoff sind noch im Entwicklungsstadium:

• Subcooled Liquid Hydrogen (sLH2): tiefkalter Flüssigwasserstoff
• Cryo-compressed Hydrogen (CcH2): tiefkalter Druckwasserstoff

Weitere Informationen zur Kryo-Kompressionstechnologie finden Sie hier. Die Speicherformen von Wasserstoff im Betankungsprozess für den Schwerlastverkehr hat die Studie der e-mobil BW aus dem Jahr 2023 verglichen.

Von Wasserstoffderivaten spricht man, wenn Wasserstoff in einer chemischen Verbindung mit Stickstoff oder Kohlenstoff vorliegt. Gängige Derivate von Wasserstoff sind:

• Methan CH4, auch e-Methan oder synthetisches Erdgas (SNG) genannt
• Methanol CH3OH
• Ammoniak NH3
• synthetische Kraftstoffe, auch E-Fuels oder PtL (Power-to-Liquid) genannt (z.B. Benzin, Diesel oder Kerosin, welche aus Wasserstoff und CO2 hergestellt werden.)

Einsatzgebiet: Zur Nutzung dieser chemischen H2-Verbindungen gibt es zwei Optionen.

1. Nutzung als H2-Speicher: Nach der Lagerung oder dem Transport wird das Derivat wieder in seine Bestandteile aufgespalten und der reine Wasserstoff kann genutzt werden
2. Nutzung des Derivats: Das Derivat selbst wird als Energieträger direkt verwendet (z.B. zur Wärme- udn Stromerzeugung) oder stofflich genutzt (beispielsweise in der Chemieindustrie).

Synthetische Kraftstoffe, auch PtL (Power-to-Liquid-Kraftstoffe), E-Fuels oder Syn-Fuels genannt, werden aus Wasserstoff und Kohlenstoff (CO2) hergestellt. Es ist möglich,

• synthetisches Benzin
• synthetischen Diesel
• synthetisches Kerosin

herzustellen. Diese synthetischen Kraftstoffe lassen sich wie herkömmliche Kraftstoffe in den gängigen Verbrennungsmotoren und Flugzeugturbinen einsetzen.

Grundsätzlich können synthetische Kraftstoffe, ähnlich wie Biokraftstoffe, bei der Verbrennung zu fossilen Kraftstoffen beigemischt werden oder die konventionellen Kraftstoffe gänzlich ersetzen. Die vorhandene Infrastruktur für flüssige, fossile Kraftstoffe kann für synthetische Kraftstoffe und nachhaltige Biokraftstoffe weiterverwendet werden.

Einsatzgebiet: Neben batterie- und brennstoffzellenelektrischen Antrieben können synthetische Kraftstoffe einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors leisten und eignen sich insbesondere für den Einsatz in Flugzeugen und Schiffen. Diese Sektoren können nach heutigem Kenntnisstand nicht vollumfänglich auf elektrische Antriebe umgestellt werden. Erneuerbare Kraftstoffe, die in Flugzeugen eingesetzt werden, werden als SAF (Sustainable Aviation Fuel) bezeichnet.

Allgemein gibt es zwei gängige Herstellungsverfahren für synthetische Kraftstoffe:

1. Fischer-Tropsch-Verfahren (FT-Verfahren)
2. Methanol-Synthese

In beiden Fällen muss zunächst das CO2 in Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt werden.

Im etablierten FT-Verfahren wird CO und H2 umgewandelt in flüssige Kraftstoffe wie paraffinischem Diesel, Kerosin und weiteren Produkten wie Naphta (Rohbenzin).  

Bei der Methanol-Synthese hingegen wird aus CO und H2 zunächst Methanol (CH3OH) hergestellt. Methanol kann selbst als Kraftstoff verwendet werden oder dient als Ausgangsstoff für andere synthetische Kraftstoffe.

Je nach Herstellungspfad werden die synthetischen Kraftstoffe gern z.B. als FT-Benzin, FT-Kerosin oder als Methanol-to-Jet (Kerosin aus Methanol) bezeichnet. Beide Verfahrensarten stellen Produkte bereit, die in den bestehenden Raffinerieprozess eingespeist werden können.

Da die synthetischen Kraftstoffe aus Wasserstoff und CO2 hergestellt werden, können sie auch klimaneutral produziert werden. Für eine klimaneutrale Produktion muss klimafreundlicher oder grüner Wasserstoff aus Elektrolyse verwendet werden. Das anfallende CO2 wird parallel in einem Kreislauf gehalten.

Dies ist beispielsweise möglich, indem man CO2 aus der Atmosphäre abscheidet (Direct-Air-Capture Verfahren) und es für die Produktion von synthetischen Kraftstoffen verwendet. Auf diesem Weg wird bei der Verbrennung des synthetischen Kraftstoffs die gleiche Menge CO2 ausgestoßen, welche vorher aus der Atmosphäre entnommen wurde. Es wird also kein zusätzliches klimaschädliches CO2 produziert.

Im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen sind synthetische Kraftstoffe erneuerbar, da sie nicht auf dem endlichen Rohstoff Erdöl basieren.

E-Fuels oder synthetische Kraftstoffe sind nicht zu verwechseln mit Biokraftstoffen, die sich von synthetischen Kraftstoffen abgrenzen.

Wie E-Fuels können Biokraftstoffe erneuerbar und klimaneutral sein, werden jedoch nicht aus Wasserstoff hergestellt. In Baden-Württemberg hat sich der Begriff „reFuels“ als Überbegriff für E-Fuels und nachhaltige Biokraftstoffe etabliert.

Die Farbenlehre von Wasserstoff klassifiziert den Energieträger basierend auf seiner Herstellungsform. Zur Herstellung von Wasserstoff existieren verschiedene Verfahren, die teilweise emissionsarm sind. Oftmals fallen in der Herstellung jedoch CO2-Emissionen an oder andere kritische Stoffe werden genutzt. Daher wird je nach Ausgangsstoff und/oder Verfahren der Erzeugung von Wasserstoff eine andere Farbe genutzt, die eine Unterscheidung der Wasserstoffquellen deutlich macht.

Grüner Wasserstoff wird häufig auch klimafreundlicher Wasserstoff genannt, da bei seiner Herstellung kein CO2 in die Umwelt abgegeben wird. Als Herstellungsverfahren wird die Elektrolyse genutzt, wobei Wasser durch die Zuführung von Strom in die Produkte Wasserstoff und Wärme aufgespalten wird. Wasserstoff aus Elektrolyse nutzt als Ausgangsstoff also Wasser und benötigt elektrischen Strom. Um als grüner Wasserstoff zu gelten, muss der hierfür genutzte Strom aus Erneuerbaren Energien (EE) stammen. 

Der Ausgangsstoff zur Erzeugung von blauem und türkisem Wasserstoff ist jedweils Erdgas. Dabei werden zwei Herstellungsverfahren unterschieden.

Blauer Wasserstoff

Wasserstoff aus Dampfreformierung von Erdgas mit anschließendem Carbon Capture and Storage(CCS): CO2 wird eingelagert. Das Verfahren der Dampfreformierung ist insbesondere in industriellen Prozessen weit verbreitet und gilt als eine der wirtschaftslichsten Formen zur Herstellung von Wasserstoff.

Türkiser Wasserstoff

Wasserstoff aus der Pyrolyse von Erdgas und anschließendem Einspeichern des Kohlenstoffs (C): Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Sofern der Kohlenstoff anschließend dauerhaft eingespeichert bleibt und nicht beispeilsweise bei der Weiterverarbeitung verbrannt wird, ist auch dieses Verfahren emissionsarm. Die zur Spaltung des Methans verwendeten Reaktoren beziehungsweise Hochöfen sollten zur Emissionsreduktion mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Da bei der Förderung des Ausgangsmaterials Erdgas jedoch häufig Emissionen entstehen, ist türkiser Wasserstoff im Hinblick auf den gesamten Entstehungsprozess meistens nicht komplett klimaneutral.

Bisher existiert kein allgemeingültiges festes Verzeichnis darüber, welche Wasserstoff-Farbe auf ein bestimmtes Verfahren hindeutet. Gängige Farbbezeichnungen sind neben Grün, Türkis und Blau die Folgenden: Gelb, Pink, Grau, Braun und Schwarz.