Wasserstoff - die Energiequelle der Zukunft?

Die Effizienz von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energiespeichermedien

Inhaltsverzeichnis

1.   Nachhaltigkeit

2.   Vor- und Nachteile

3.   Gewinnung von Wasserstoff

4.   Energiegewinnung mit Wasserstoff

5.   Nutzbarkeit

6.   Fazit

7.   Quellen

1.  Nachhaltigkeit

Die Energiegewinnung durch fossile Brennstoffe in Bereichen Haushalt, Industrie und Verkehr, verursacht einen enormen CO2-Ausstoß und ist damit hochgradig  klimaschädlich. Fossile Brennstoffe, wie Öl, Gas oder Kohle, sind also keine Option für eine nachhaltige Energiegewinnung in der Zukunft.

Den Schlüssel zu einer klimaneutralen Zukunft bietet der Wasserstoff, welcher neben der vielseitigen Einsetzbarkeit und der hohen Effizienz ohne jeglichen CO2-Ausstoß hergestellt werden kann. Unterschieden wird zwischen dem grünem Wasserstoff und grauem, blauem oder türkisem Wasserstoff, wobei die Farben als Ausdruck unterschiedlicher Herstellungsmethoden dienen. Während der grüne Wasserstoff ausschließlich durch regenerative Energien, wie Wind- oder Sonnenenergie, erzeugt wird und damit klimaneutral ist, werden bei andersfarbigem Wasserstoff  fossile Brennstoffe benötigt um diesen herzustellen. Voraussetzung für eine nachhaltige Wasserstoffenergie ist deshalb eine klimaneutrale Herstellung von grünem Wasserstoff.

2.  Vor- und Nachteile

In Deutschland werden bereits 55 TWh bis 60 TWh Wasserstoff produziert und auch verbraucht. Jedoch handelt sich bei dem hergestellten Wasserstoff überwiegend um grauen Wasserstoff, welcher nur mithilfe von Erdgas gewonnen werden kann und damit einen immensen CO2-Ausstoß verursacht. Nur rund 5 % des Wasserstoffs wird mit erneuerbaren Energien erzeugt und ist damit grün.

Der Grund für die limitierte Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff ist die begrenzten Produktionskapazität innerhalb Deutschlands, weshalb in Zukunft ein Import notwendig wäre. Zudem erfordert die aufwändige Herstellung in speziellen Anlagen hohe Kosten und ist risikobehaftet. Da Wasserstoff sehr leicht entflammbar ist, bedarf es besonderer Sicherheitsmaßnahmen bei Transport, Lagerung und Betrieb.

Trotz dieser Herausforderungen soll 2030 14 TWh grüne Energie erzeugt werden. Um dieses Ziel erreichen zu können ist ein hohes Ausbautempo der Infrastruktur und eine schnelle technologische Weiterentwicklung der Erzeugungskapazitäten gefordert.

Gelten diese Voraussetzungen, so ermöglicht Wasserstoff einen vielseitigen Einsatz als Brennstoff zum Erzeugen von Strom und Wärme sowie als Treibstoff für Fahrzeuge. Zudem ist Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element und bietet damit eine unerschöpfliche Energiequelle, welche im Gegensatz zu anderen Energiespeichermedien nicht nur umweltfreundlicher sondern auch effizienter ist.

3.  Gewinnung von Wasserstoff

4.  Energiegewinnung mit Wasserstoff

4.1 Brennstoffzelle

Um die Energie, die der Wasserstoff mit sich bringt, nutzbar zu machen, kommen sogenannte Brennstoffzellen zum Einsatz. Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der Wasserstoff mithilfe von Sauerstoff direkt in elektrische Energie umwandelt. So entfällt der Wandlungsschritt vom Kraftstoff in mechanische Energie, die sich bei einem herkömmlichen Motor in der Zylinderbewegung im Motor äußert, bei der auch Wärme freigesetzt wird und somit Energie verloren geht. Daher hat eine Brennstoffzelle im Vergleich einen hohen Wirkungsgrad, ohne Probleme 50% erreichen kann und damit Dieselmotoren, deren Wirkungsgrad bei etwa 25% liegt, in diesem Aspekt voraus.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, wie Akkus oder Batterien. Im Gegensatz zu diesen müssen Brennstoffzellen allerdings permanent mit Brennstoff versorgt werden.

Das Funktioniert auf folgende Art und Weise:

Zwei Elektroden sind durch eine wasserstoffdurchlässige Membran getrennt. Die Anode wird vom Brennstoff Wasserstoff umspült, die Kathode mit dem Oxidationsmittel, das fast ausschließlich Sauerstoff ist, in Kontakt gebracht. Die Membran ist elektrisch isolierend, daher werden die Elektronen gezwungen, über einen äußeren elektrischen Kreis zu wandern. So entsteht ein Energiefluss. Als Abgas entsteht reiner Wasserdampf. Brennstoffzellen emittieren im Vergleich zu aktuellen Verbrennungsmotoren kein umweltschädliches CO₂.

Brennstoffzellen funktionieren nicht nur mit Wasserstoff. Auch andere Gase wie Erdgas oder Methanol in Kombination mit Luftsauerstoff können genutzt werden, um eine Brennstoffzelle zu betreiben.

Je wärmer die Brennstoffzelle ist, desto schneller laufen elektrochemische Prozesse ab. Werden die Temperaturen aber zu hoch, wird die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle eingeschränkt.

4.2 Wasserstoffverbrennungsmotor

Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff als Energiequelle zu nutzen, ist der Wasserstoffverbrennungsmotor. Dieser beruht auf der Technologie eines herkömmlichen Verbrennungsmotors.

Wasserstoff Verbrennungsmotor im BMW Hydrogen 7

Grundlage des Funktionsprinzips ist die Knallgasreaktion. Der Wirkungsgrad eines Wasserstoffverbrennungsmotors liegt etwa zwischen dem eines Benzinmotors und dem eines Dieselmotors.

Im Gegensatz zu diesen herkömmlichen Verbrennungsmotoren stößt ein Wasserstoffverbrennungsmotor selbst kein CO₂ aus. Allerdings entstehen durch das Öl, das durch die Motorschmierung verantwortlich ist, kohlenstoffhaltige Abgase. Je nach Last des Motors stößt er außerdem Stickoxide (NO_x), die ebenfalls umweltschädlich sind, aus.

Ein Beispiel für ein Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennungsmotor ist der BMW Hydrogen 7, von den 2007 100 Exemplare hergestellt wurden.

5.  Experiment zum Wirkungsgrad

6.  Nutzbarkeit

Wasserstoff ist ein Energieträger, der sich auf vielfältige Weise nutzen lässt. Er ist in allen Bereichen unserer Gesellschaft flexibel einsetzbar – in Industrie und Verkehr, aber auch in der Energiewirtschaft und im Gebäudesektor. Zukünftig soll Wasserstoff in drei verschiedenen Sektoren genutzt werden.

Im sogenannten Stromsektor wird durch Wasserstoff genau die Lücke gefüllt, welche heute zwischen der fluktuierenden Energieerzeugung aus Windenergie und Photovoltaik besteht. Hierbei wird Wasserstoff aus einer leitungsgebundenen Speicherform mit einer Brennstoffzelle in das elektrische Netz eingespeist. Zudem wird Wasserstoff nicht nur zur Stromerzeugung genutzt sondern auch in der chemischen Industrie oder der Stahlproduktion eingesetzt.

Im Verkehrssektor wird Wasserstoff genutzt um schädliche Emissionen in der Luft zu verhindern, weshalb bereits erste Wasserstoff-Flugzeuge konzipiert werden. Denn je größer die Reichweite und je höher die Nutzlast, desto besser ist Wasserstoff gegenüber der Batterie. Bisher konnte man nur auf alternative Kraftstoffe zurückgreifen, doch zukünftig soll das Fliegen ausschließlich nur noch mit Brennstoffzellen erfolgen.

Jedoch muss im Hinblick auf den Wärmesektor erst abgewartet werden, auf welche Weise sich der regenerativ erzeugte Wasserstoff bereitstellen lässt. Um hohe Kosten vorzubeugen sollen zukünftig alle drei Sektoren miteinander verknüpft werden. Diese sogenannte Sektorenkopplung verbindet zusätzlich auch die Verbrauchssektoren im industriellen-, privaten- und Verkehrsbereich. Somit schafft die Sektorenkopplung ein neues System und sorgt dafür, dass unsere Energieversorgung sicher vorhersagbar und vor allem auch bezahlbar bleiben kann.

7.  Fazit

8.  Quellen