Wasserstoff - die Energiequelle der Zukunft?

von Paul Rottmann, Lea Altenhöfer, Maximilian Gumpert, Alina Fröhling

Die Effizienz von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energiespeichermedien

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 es 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 begrenzte 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

Es gibt viele verschiedene Methoden, um Wasserstoff herzustellen. Insgesamt lassen sich die Prozesse in bestimmte Übergruppen einordnen: zum Beispiel in den türkisen, blauen, grauen und grünen Wasserstoff. Wobei einige von diesen klimaneutral stattfinden, andere aber auch einige Treibhausgase abgegeben.

3.1 grauer Wasserstoff

Bei den Herstellungsverfahren für grauen Wasserstoff werden viele Treibhausgase ausgestoßen. Es gibt zum Beispiel die Verfahren der Reformierung von Kohlenwasserstoffen, oder genauer die Dampfreformierung, bei der beispielsweise unter Temperaturen von bis zu 800 Grad Celsius Methan/Benzin und Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff verarbeitet werden.

C_n H_m + 2n*H₂O -> (2n + m/2) H₂ + n*CO₂

An der Reaktionsgleichung wird deutlich, dass sehr viel CO₂ entsteht. Zum Beispiel würden für die Herstellung eines Kilogramms H₂ 9 bis 14 Kilogramm CO₂ anfallen. Daran ist zu erkennen das die heute in der Industrie am meisten verbreitete Produktionsweise nicht für eine umweltfreundliche Zukunft geeignet ist.

3.2 blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird genauso gewonnen, wie grauer Wasserstoff nur mit dem Unterschied, dass CO₂ welches anfällt direkt unterirdisch gelagert wird. Hierfür wird die CCS (Carbon Capture and Storage) Technik verwendet. Somit gelangt das Treibhausgas ebenfalls nicht in die Atmosphäre.

3.3 türkiser Wasserstoff

Durch die Methanpyrolyse entsteht türkiser Wasserstoff und elementarer Kohlenstoff.

CH₄ -> C + 2H₂

Diese Methode ist, wie man aus der Reaktionsgleichung ablesen kann, klimaneutral. Das einzige Problem könnte sein, dass die benötigte Energie nicht mit erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden können. Ähnlich wie die Methanpyrolyse funktioniert, dass KVÆRNER Verfahren bei dem allgemein Kohlenwasserstoffverbindungen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff bei ca. 1600 Grad Celsius gespalten werden.

3.4 grüner Wasserstoff

Die wohl zukunftssicherste Methode zur Wasserstoffproduktion ist die des grünen Wasserstoffs. Dieser Bereich im Einzelnen ist auch noch einmal sehr vielseitig aufgestellt.

3.4.1 Biologische Herstellung von Wasserstoff

Einerseits gibt es das biologische Herstellungsverfahren bei dem Grün- und Blaualgen dazu verwendet werden, um Wasserstoff zu gewinnen, da in ihrem Stoffwechsel durch das Enzym Hydrogenase das Zwischenprodukt H₂ entsteht. Ein Enzymmolekül kann bis zu 5000 H₂ pro Sekunde bilden. Unter Labor Bedingungen können aus einem Liter Algenkultur 250 Milliliter Wasserstoff pro Tag gewonnen werden.

In ihrer Photosynthese wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt.

2H₂O -> O₂ + 4e^- + 4H⁺ <-> 2H₂ + O₂

Jedoch würden, um ein Einfamilienhaus mit Energie zu versorgen 50m³ Algen was schon deutlich mehr ist als man auf den ersten Blick denkt. Deshalb benötigt dieses Verfahren noch einige Zeit an Entwicklung, bis es für den breiten Markt geeignet ist.

3.4.2 Dissoziation – Wasserstoffherstellung durch Sonnenlicht

Ebenfalls gibt es die Dissoziation, in welcher Wasser, wenn es auf ungefähr 1000-1500 Grad Celsius erhitzt wird, in seine einzelnen Bestandteile gespalten wird. Um diese Temperaturen zu erreichen, werden hunderte Spiegel auf einen einzelnen Punkt an der Spitze eines Turms gebündelt, der dann Solarturm genannt wird. Diese Möglichkeit der Wasserstoffproduktion hat einen großen Vorteil, dass von außen bis auf das Sonnenlicht keine Energie benötigt wird. Aber diese Technologie ist noch nicht komplett ausgereift.

Schema eines alkalischen Elektrolyseurs

3.4.3 Wasserstoff Elektrolyse

Die wohl bekannteste Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse, bei der Wasser mit Hilfe von elektrischer Energie in O + H₂ aufgespalten wird. Der zentrale Baustein der Elektrolyse ist der Elektrolyseur. Dieser besteht aus Anode, Kathode, einer teildurchlässigen Trennwand und zwei Gasabscheidern.

Am meisten verbreitet ist die Chlor-Alkali-Elektrolyse, die in der Chlorherstellung aus NaCl durchgeführt wird, in welcher sehr viel Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht. Es gibt aber auch einzelne Alkali – Elektrolyseure die leicht zu bauen sind, eine hohe Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad von 59% - 73% haben. Der größte dieser Elektrolyseure, welcher ungefähr drei Tonnen Wasserstoff pro Stunde herstellen kann, steht in Ägypten. Es gibt neben den Alkali- auch andere Elektrolyseure wie den PEM (Proton Exchange Membran) und den AEM (Anion Exchange Membran). Diese beiden unterscheiden sich vor allem in der teildurchlässigen Membran zwischen Anode und Kathode, die eben einmal Protonen und einmal Anionen durchlassen. Ebenfalls gibt es auch noch die Hochtemperaturelektrolyse, die bei 700-1000 Grad Celsius stattfindet. Bei dieser ist das verwendete Elektrolyt ein Feststoff. Durch die hohen Temperaturen ist es jedoch sehr schwierig, einen dynamischen Betrieb zu ermöglichen, da eine sehr lange Kaltzeit nach jedem Betrieb benötigt wird. Abschließend gibt es auch noch die Druckelektrolyse, die einen Ausgangsdruck des Wasserstoffs von 100 bar ermöglicht, wodurch man viel größere Mengen auf einem kleineren Raum lagern kann. Ein Vorteil der Elektrolyseverfahren ist, dass die ausgehende Menge von Wasserstoff genau reguliert und auch weit heruntergefahren werden kann. Wodurch ein gutes Zusammenspiel mit anderen erneuerbaren Energien ermöglicht wird, das es zu Beispiel einen größeren Bedarf an Wasserstoff gibt wenn andere Energiequelle wie Photovoltaik über den Winter weniger Energie erzeugen als in der Sommerzeit.

3.5 Fazit

Insgesamt ist anzumerken, dass alle Verfahren noch viel Entwicklung und auch weitere Forschung benötigen bis sie soweit ausgereift sind um den Wasserstoff bedarf in der Zukunft zu decken. Die wahrscheinlich am besten geeigneten Herstellungsverfahren die des grünen Wasserstoffs, da diese einen klimaneutralen Betrieb ermöglichen.

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 des Zusammenspiels zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle:

Aufbau:

Eine Stromquelle wird an den Elektrolyseur angeschlossen. Dieser wiederum ist durch Schläuche mit der Brennstoffzelle verbunden. Vorerst werden die Schläuche zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle durch Schlauchklemmen verschlossen. An die Brennstoffzelle schließt man mithilfe von Kabeln ein Verbrauchermodul oder alternativ einen Widerstand an. Außerdem wird ein Messgerät zur Messung von Spannung und Stromstärke installiert.

Durchführung:

In den Elektrolyseur wird zuerst destilliertes Wasser eingefüllt. Dieses wird im Betrieb des Elektrolyseurs zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Gase können anschließend durch das Öffnen der Schlauchklemmen, die sich an den Schläuchen zwischen Elektrolyseur und Brennstoffzelle befinden, in die Brennstoffzelle gelangen. In dieser wird der Wasserstoff in Energie, die durch das Messgerät, das ebenfalls an der Brennstoffzelle angeschlossen wird, gemessen werden kann umgewandelt. Um eine aussagekräftige Messung machen zu können ist wichtig, den Stromfluss am Elektrolyseur zu unterbrechen.

Auswertung/Ergebnis:

Um nun eine Aussage zum Wirkungsgrad treffen zu können, misst man, wie lange es dauert, bis eine bestimmte Menge an Wasserstoff hergestellt bzw. verbraucht ist. Nun berechnet man die Energie, die durch das Netzteil in die Herstellung des Wasserstoffs gesteckt wurde und die Energie, die durch die Brennstoffzelle wieder produziert wurde.

Diese Energiewerte setzt man nun in die Formel des Wirkungsgrades $\eta = \frac{E_n}{E_z}$  ein.

So konnte der Wirkungsgrad der Apparatur aus Elektrolyseur und Brennstoffzelle experimentell auf 35,1% bestimmt werden. Beachtet man die Messungenauigkeit von ca. 10 Sekunden, kann man einen Wirkungsgrad im Bereich zwischen 28,5 und 43,9% ermitteln.

Tabelle Ergebnis

Nachdem der einzelne Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs bei etwa 70% und der einer Brennstoffzelle bei etwa 50% liegt, ist ein Wirkungsgrad von 35,1% der Apparatur durchaus realistisch.

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

„Wasserstoff ist das fehlende Puzzleteil der Energiewende“, sagte Bundesforschungsministerin Bettina Stark-Watzinger. Damit unterstreicht sie die Signifikanz des Wasserstoffs für die Zukunft. Im Zuge des Ausbaus des Wasserstoffnetzes sollen in Deutschland bis 2027/28 ein Startnetz mit mehr als 1800 Kilometern an Wasserstoffleitungen gebaut werden. Dabei betont Bundesminister für Wirtschaft Robert Habeck: „Investitionen in Wasserstoff sind eine Investition in unsere Zukunft“. Außerdem stelle ein Ausbau des Wasserstoffnetzes eine verlässliche Grundlage für die Zusammenarbeit mit europäischen und internationalen Partnern dar. Somit macht auch die Bundesregierung ihre positive Haltung gegenüber dem Wasserstoff als Energieträger der Zukunft deutlich. Abschließend ist Wasserstoff also eine großartige Möglichkeit, die Energieversorgung für die Zukunft zu sichern und noch dazu internationale Partnerschaften zu festigen.

8.  Quellen