Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein farb-, geruchs – und geschmackloses Gas. Klingt langweilig, ist es aber nicht. Denn Wasserstoff ist das kleinste und häufigste Element und somit der wichtigste Baustein im Universum. Auf der Erde kommt es selten in Reinform vor, es geht meistens Verbindungen mit anderen Elementen ein.

Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem und wird mit H abgekürzt – das steht für das lateinische Wort Hydrogenium (Wasserbilder). Denn zwei Teile Wasserstoff (H2) und ein Teil Sauerstoff (O) ergeben H2O – also Wasser.

Wasserstoff dient aber auch als Baustein für viele organische Verbindungen wie Methan, Ammoniak oder Methanol. H2 wird deshalb auch als Ausgangs- und Hilfsstoff unter anderem in den Raffinerien oder der chemischen Industrie benötigt.

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Flüssiger Wasserstoff hat eine Dichte von 70,99 g/l. Er macht 11,2 Prozent des Gewichts von Wasser aus und hat einen Schmelzpunkt von -259,125 °C sowie einen Siedepunkt von -252,882 °C.

Was hat Wasserstoff mit der Energiewende zu tun?

Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein der Energiewende. Der Hintergrund: Klimaneutralität kann nur durch das Senken der CO2-Emissionen erreicht werden. Der Einsatz von Wasserstoff kann dabei helfen, auf fossile Energieträger (Erdöl, Erdgas und Kohle) zu verzichten. Denn Wasserstoff und seine Folgeprodukte wie beispielsweise Methan, Ammoniak oder Methanol können in der Industrie, im Verkehr und auch als Wärmequelle für Quartierslösungen eingesetzt werden.

Da Wasserstoff auf der Erde selten in Reinform vorkommt und deshalb erst aus einer Verbindung wie zum Beispiel aus Wasser (H2O) gelöst werden muss, kostet die Wasserstoff-Produktion aber wiederum Energie. Ob diese Herstellung und damit der Wasserstoff an sich klimaneutral sind, hängt von der verwendeten Energiequelle ab.

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Ein Kilogramm Wasserstoff hat die Energie von 2,8 Kilogramm Benzin oder 2,1 Kilogramm Erdgas (unterer Heizwert). Wasserstoff hat die höchste Energiedichte unter den gängigen Treibstoffen. Die volumenbezogene Energiedichte von flüssigem Wasserstoff ist viel niedriger als die von Erdgas und Benzin.

Grün, grau oder blau: Was steckt hinter der Wasserstoff-Farbenlehre?

Wasserstoff ist nicht gleich Wasserstoff, zumindest aus Sicht der Klimafreundlichkeit. Denn je nachdem, wie er hergestellt wird, verursacht er unterschiedliche Mengen an CO2-Emissionen. Deshalb wird H2, obwohl Wasserstoff ein farbloses Gas ist, gerne in verschiedene Farbkategorien eingeteilt.

Als klimaneutral gilt grüner Wasserstoff, also H2, der mittels Elektrolyse und in diesem Prozess wiederum mit Hilfe von Strom aus Erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind hergestellt wird. Auf grünen Wasserstoff setzen die Projekte unter dem Dach von H2-Wandel – Modellregion grüner Wasserstoff Baden-Württemberg e.V..

CO2-frei ist Wasserstoff aber auch, wenn Strom aus Kernkraftwerken eingesetzt wird, dann spricht man von rotem H2. Verwirrend? Es gibt noch mehr „Farben“. Die folgende Übersicht hilft weiter:

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Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff kann aus der Elektrolyse gewonnen werden, hier wird Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Der dazu benötigte Strom stammt aus erneuerbaren Energiequellen.

Des Weiteren kann grüner Wasserstoff auch mittels Biogas-Dampfreformierung erzeugt werden. Hier wird das Biogas in Wasserstoff und CO2 gespalten und das Kohlenstoffdioxid wird gespeichert und gelagert.

 

Grauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff entsteht ebenfalls durch Dampfreformierung. Hier wird jedoch fossiles Erdgas oder Kohle in Wasserstoff und CO2 gespalten. Dieses CO2 wird direkt in die Atmosphäre abgegeben und so entstehen pro gewonnener Tonne Wasserstoff auch 10 Tonnen Kohlenstoffdioxid.

Blauer Wasserstoff

Auch hier wird fossiles Erdgas mittels Dampfreformierung in Wasserstoff und CO2 gespalten. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid jedoch nicht in die Atmosphäre ausgestoßen, sondern gespeichert und industriell weiter genutzt.

Türkiser Wasserstoff

Hier wird Erdgas mittels Methanpyrolyse in Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff gespalten. Der Kohlenstoff kann dauerhaft gebunden werden, was diese Verfahren CO2 neutraler macht.

Roter/ Rosa/ Violetter Wasserstoff

Hier wird ebenfalls Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Für die Elektrolyse wird allerdings Atomstrom verwendet.

Gelber Wasserstoff

Gelber Wasserstoff bezeichnet die Wasserstoffproduktion aus einer Mischung erneuerbarer Energien und fossiler Brennstoffe.

Weißer Wasserstoff

Als weißer Wasserstoff wird H2 aus natürlichen Vorkommen bezeichnet. H2 findet sich in der Erdkruste, meist in mehreren Tausend Metern Tiefe. Wie groß das H2-Reservoir weltweit ist, ist nicht bekannt. Die meisten Funde waren Zufallsfunde. So entdeckte beispielsweise im September 2023 ein Forscherteam, das den Methangehalt im Boden im französischen Lothringen bestimmen wollte, ein H2-Feld in bis zu 3000 Metern Tiefe. Und zwar offenbar ein sehr großes. Das Volumen wird auf 46 Millionen H2 geschätzt. Das wäre das bislang größte bekannte H2-Vorkommen

Von Elektrolyse bis Dampfreformation – wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff kann in vielen Bereichen eingesetzt werden – unter anderem in der Industrie, im Verkehr und kann auch als Wärme für Quartierslösungen dienen. Die Erzeugung von Wasserstoff ist durch mehrere technologische Verfahren möglich.

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Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.

Die H2-Erzeugung kann erfolgen über

  • eine alkalische Elektrolyse (A-EL)
  • eine Polymer-Austauschmembran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse)
  • eine Hochtemperaturelektrolyse (HT-EL)
  • eine Anionen-Austauschmembran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse).
Dampfreformation

In diesem Verfahren werden verschiedene Gase (Bio oder fossil) in Wasserstoff und CO2 gespalten.

Da in der Biomasse atmosphärisches CO2 gebunden ist, entstehen so keine zusätzlichen Emissionen. Es ist ebenfalls möglich das entstehende biogene CO2 langfristig geologisch zu speichern. Diese Methode nennt sich Carbon capture and Storage-Technik (CCS).

Pyrolyse

Bei diesem thermischen Verfahren wird Erdgas mittels Methanpyrolyse in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Die zur Spaltung des Methans verwendeten Reaktoren, beziehungsweise Hochöfen, sollten dazu auch mit Erneuerbaren Energien betrieben werden.

Wie wird Wasserstoff gespeichert?

Beim Speichern von Wasserstoff geht es darum, sein Volumen zu verringern. Eine Möglichkeit ist es, den Wasserstoff unter hohem Druck zu speichern. Dazu sind spezielle Tanks oder Gasflaschen nötig. Je höher der Druck, desto mehr Wasserstoff kann gespeichert werden, aber das erfordert auch mehr Energie.
Es gibt aber noch weitere Speichermöglichkeiten.

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→ Unterirdische Kavernen: Unterirdische Kavernen bieten eine Alternative mit weniger Druck. Salzgestein eignet sich besonders gut für langfristige Lagerung von großen Wasserstoffmengen. Insbesondere mit dem Aufbau von überregionalen Wasserstoffleitungen in Deutschland bieten sich damit Möglichkeiten große Mengen an Wasserstoff über einen längeren Zeitraum (mehrere Monate) zu speichern, ähnlich wie wir es bereits heute mit Erdgas handhaben.

→ Wasserstoff verflüssigen Eine weitere Option ist die Verflüssigung von Wasserstoff, was höhere Speicherdichten ermöglicht. Dies erfordert jedoch erheblichen Energieaufwand, da Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen verflüssigt wird, etwa -253 Grad Celsius.

→ Anbinden an flüssige organische Verbindungen (LOHC) LOHC ist die Abkürzung für liquid organic hydrogen carriers, also für flüssige organische Wasserstoffträger. Diese Art der Speicherung funktioniert so: Die organischen Verbindungen nehmen Wasserstoff durch chemische Reaktion auf. Um das gebundene H2 wieder freizusetzen, muss Wärme zugeführt werden. Die Effizienz dieser Methode hängt davon ab, ob die dabei entstehende Wärme weiter genutzt werden kann.

→ Ammoniak als Speicher Ammoniak ist leicht zu lagern und zu transportieren und kann ebenfalls als Wasserstoffspeicher dienen. Es wird aus Wasserstoff und Stickstoff unter hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt. Bei Bedarf kann es und wieder in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten werden. Das geschieht in einem sogenannten Cracker.

Was steckt hinter unseren Leuchtturmprojekten?

Innerhalb der H2-Wandel – Modellregion grüner Wasserstoff Baden-Württemberg sind fünf Leuchtturmprojekte angesiedelt. Lust auf eine kleine interaktive Reise?

⇒ Unsere Modellregion

Und hier geht’s zu einem Erklärvideo der Hochschule Reutlingen zum Leuchtturmprojekt H2-Grid und dem Zusammenspiel von Wasserstoff-Erzeugung, -Verteilung und -Nutzung:

H2-Grid einfach erklärt

Quelle: Hochschule Reutlingen/Karin Pfister/Anian Bühler