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Energie und Klima

Wasserstoff

Was ist Wasserstoff?
Blaues Quadrat mit großer Aufschrift

Wasserstoff ist das leichteste chemische Element und kommt in unserer Umgebung sehr häufig vor, beispielsweise in Wasser, Zucker, Kunststoffen aber auch in allen Lebewesen. Reiner Wasserstoff kommt in der Natur jedoch nur selten vor, da Wasserstoff leicht chemische Verbindungen mit anderen Elementen eingeht. Dabei wird Energie freigesetzt. Das zeigt sich zum Beispiel bei der „Knallgasprobe“, die manche aus der Schule kennen: Wasserstoff-Gas wird an der Luft angezündet und reagiert unter einem Knall mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasser kann mithilfe von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, man nennt diesen Prozess „Elektrolyse“. Industriell wird Wasserstoff aber meistens noch aus fossilem Gas oder Kohle hergestellt, dabei entsteht neben Wasserstoff auch CO2. In Deutschland fällt der industriell verwendete Wasserstoff entweder als Nebenprodukt in Chemie-Werken und Raffinerien an oder er wird mittels Dampfreformierung aus fossilem Erdgas produziert.

Wie unterscheiden sich „grüner“, „blauer“ und „grauer“ Wasserstoff?

Wasserstoff ist farblos, je nach Herstellungsweise wird ihm aber oft eine Farbe zugeordnet. So bezeichnet „grüner“ Wasserstoff Gas, das unter Einsatz von Ökostrom aus Wasser erzeugt wurde. So wird erneuerbare Energie in energiereiches Gas umgewandelt. „Grauer“ Wasserstoff hingegen wird aus fossilem Erdgas unter Ausstoß von CO2 hergestellt.

„Blauer“ und „türkiser“ Wasserstoff wird aus fossilem Gas hergestellt. Das dabei anfallende CO2 soll fixiert werden. Trotzdem haben diese Gase aufgrund von Methan- und CO2-Emissionen eine schlechte Klimabilanz. Darüber sollte man sich von den schön klingenden Farben nicht hinwegtäuschen lassen.

Was kann Wasserstoff?

Wasserstoff hat zwei wichtige Verwendungszwecke, die ihn so interessant machen:

- Energiespeicher: Wasserstoff kann unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Diese wird bei der Reaktion mit Sauerstoff dann wieder freigesetzt. So kann sehr viel Energie gespeichert werden, die dann entweder bei der Verbrennung als Wärme frei wird oder in einer Brennstoffzelle als Strom nutzbar wird. Das Potenzial von Wasserstoff als Energiespeicher ist auch darum so groß, weil Wasser als Rohstoff in größerer Menge zur Verfügung steht als andere Energiespeicher wie beispielsweise Lithium für Akkus. Außerdem lässt sich das Gas gut über einen langen Zeitraum lagern. Ein Beispiel für die große Kraft, die Wasserstoff speichern kann, ist die europäische Weltraum-Rakete „Ariane“: sie fliegt mit flüssigem Wasserstoff.

- Chemischer Rohstoff: Wasserstoff ist ein so genanntes Reduktionsmittel. Diese Eigenschaft lässt sich am besten an einem Beispiel verdeutlichen: Wenn Eisen verrostet, spricht man von einer Oxidation: Eisen reagiert dabei mit Sauerstoff zu Eisenoxid. Die Umkehrreaktion ist die Reduktion von Eisenerz zu Eisen. Die kann mit Reduktionsmitteln wie Koks oder Wasserstoff durchgeführt werden. Solche Reaktionen sind auch für die Herstellung von vielen anderen Stoffen wir Plastik, Benzin und Dünger wichtig. Durch Wasserstoff könnte Koks in Stahlhütten und fossiles Gas in Chemiewerken ersetzt werden.

Wofür wird Wasserstoff heute eingesetzt?

Wasserstoff wird heute vor allem in der chemischen Industrie eingesetzt. Wichtige Anwendungsgebiete sind die Herstellung von Kunstdünger und die Verarbeitung von Gas und Öl in Raffinerien. Der in der chemischen Industrie eingesetzte („graue“) Wasserstoff stammt aber größtenteils aus fossilem Gas und Kohle. Bei seiner Herstellung werden große Mengen CO2 frei. Ein Ersatz durch nachhaltigen Wasserstoff könnte daher einen großen Beitrag zum Klimaschutz in der Industrie leisten.

Wie wird aus Wasserstoff wieder Energie?

Wasserstoff kann sowohl verbrannt werden, als auch in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Beispiele für die Verbrennung sind Gasturbinen, die als Kraftwerke Strom bei Flauten erzeugen könnten, aber auch Verbrennungsmotoren in Autos und LKW. Brennstoffzellen werden in Autos eingesetzt und könnten beispielsweise Züge auf Strecken ohne Oberleitung mit Energie versorgen.

Was kann Wasserstoff NICHT?

Was leider manchmal untergeht: Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger. Mit Wasserstoff kann also nur Energie gespeichert werden, keine neue Energie erzeugt werden. Für sauberen Wasserstoff braucht es daher sehr große Mengen an erneuerbarem Strom. Die Frage woher unsere Energie in Zukunft kommen soll, kann Wasserstoff also nicht lösen. Da nur begrenzt erneuerbarer Strom zur Verfügung steht, wird nachhaltiger Wasserstoff ein knappes Gut bleiben.

Wann ist Wasserstoff nur eine Scheinlösung?

Fast jede Anwendung fossiler Energieträger könnte durch Wasserstoff emissionsfrei werden, egal ob bei der Stahlproduktion, in Autos oder im Gaskraftwerk – wenn es denn genügend sauberen Wasserstoff gäbe. Wasserstoff wird aber knapp bleiben und (im Gegensatz zu Öl und Gas) vergleichsweise teuer. Das liegt daran, dass für seine saubere Herstellung aus Wasser große Mengen Strom benötigt werden und dabei auch immer Energie verloren geht. Wenn also Heizungshersteller, Gas- und Auto-Konzerne versprechen, alle ihre Produkte in Zukunft mit Wasserstoff zu betreiben, ist das ein leeres Versprechen, weil es so viel Wasserstoff nie geben wird. Dieses leere Versprechen kann dazu beitragen, den notwendigen Wechsel zu nachhaltigeren Techniken zu verzögern und dadurch die Klimakrise weiter antreiben.

Darum muss immer geprüft werden, ob Wasserstoff wirklich der effizienteste Energieträger für eine Anwendung ist oder ob andere Speicher umweltfreundlicher sind. Zwei Beispiele:

  • Batterie-elektrische Autos nutzen Energie deutlich effizienter als solche mit Brennstoffzelle. Mit der gleichen Menge an erneuerbarem Strom kommt ein Batterie-elektrischer PKW daher zwei- bis dreimal so weiter als ein Fahrzeug mit Wasserstoff-Antrieb.
  • Noch drastischer fällt der Vergleich beim Heizen aus. Während bei der Produktion von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom Energie verloren geht, schafft eine Wärmepumpe es, aus dem eingesetzten Strom das Vierfache an nutzbarer Heizenergie zu erzeugen.
Welche Chancen bietet Wasserstoff für den Klimaschutz?

Wasserstoff sollte vor allem dann eingesetzt werden, wenn es keine effizientere, elektrische Alternative gibt. So ein Beispiel ist die Produktion von Stahl, in der viel Koks ersetzt werden könnte. Dieses Beispiel zeigt aber zugleich, dass es auch mit Wasserstoff wichtig ist, unseren Verbrauch an Ressourcen insgesamt zu reduzieren: Der Bedarf an grünem Wasserstoff alleine durch die Stahlindustrie (ca. 80TWh) wäre höher als der in Deutschland erzeugte Solarstrom (51TWh), die Chemieindustrie benötigt nochmal ähnlich viel Wasserstoff (ca. 60TWh). Beim Stahl könnten Ressourcen durch eine höhere Recyclingquote gespart werden, in der Chemieindustrie könnte Dünger durch Bio-Landbau gespart und Benzin durch Elektro-Autos ersetzt werden.

Neben der Verwendung als Rohstoff kann Wasserstoff außerdem helfen, unsere Stromversorgung auf 100 Prozent erneuerbare Energie umzustellen. So kann an windigen und sonnenreichen Tagen Wasserstoff erzeugt werden, der dann in Gaskraftwerken verbrannt wird, wenn einmal zu wenig erneuerbarer Strom zur Verfügung steht.

April 2022