Ein Element mit dem Potenzial zum Wundermittel
Inhaltsverzeichnis
Wasserstoff ist das erste, älteste, einfachste, leichteste und häufigste Element von allen. Das erste und älteste, weil es schon in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden ist. Das einfachste, weil das Wasserstoffatom lediglich aus einem Protonbesteht. * Deshalb die Ordnungszahl eins und der Platz links oben im Periodensystem. So ein Winzling wiegt naturgemäß nicht viel. Er ist so leicht, dass er die Schwerkraft der Erde überwinden kann – deshalb findet sich heute nur noch wenig Wasserstoffgas in der Atmosphäre. In der Erdkruste dagegen ist Wasserstoff das dritthäufigste Atom – meist in gebundener Form, sprich als Teil komplexerer Strukturen.
EINFACH ZUM GERNHABEN…
… dieser Wasserstoff, wenn er denn umweltfreundlich hergestellt wird
Universell betrachtet ist Wasserstoff überall vorhanden: 90 Prozent aller im Universum existierenden Atome sind Wasserstoff. ** In unserem eigenen Sonnensystem ist er in der Sonne konzentriert, die unermüdlich jeweils zwei Wasserstoffatome zu einem Heliumatom fusioniert. Unsere Sonne verbraucht pro Sekunde rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff, dabei wird Energie frei und abgestrahlt, umgangssprachlich Sonnenschein genannt. Ohne diese Wasserstoffheizung wäre der Ofen auf der Erde aus. Was im Umkehrschluss bedeutet, dass unsere wichtigste Wärmequelle in ungefähr 4,5 Milliarden Jahrenausgeht. Spätestens dann müssen wir eine Alternative beherrschen.
WASSERMACHER
Zu seinem Namen kam der Stoff 1783 durch Antoine Laurent de Lavoisier. Dieser französische Chemiker und Naturwissenschaftler leitete Wasserdampf über glühende Eisenspäne und kondensierte anschließend den Dampf. Im fiel auf, dass am Ende des Experimentes weniger Wasser im Behälter schwappte als zu Anfang – gleichzeitig hatte sich aber auch noch ein Gas gebildet, dessen Masse genau dem verschwundenen Wasser entsprach.
Der Versuch war umkehrbar– und das Wasser erschien wieder. Deshalb nannte Lavoisier das neue Element Hydrogène: Wassermacher. Weitere Untersuchungen führten Brisantes zutage: Das Gas ist deutlich leichter als Luft, es verbrennt ruhig unter Luftabschluss und explodiert, wenn Sauerstoff ins Spiel kommt.
01 - Eine feste Verbindung
Wasserstoffatome verbinden sich bei Kontakt: Aus H und H wird zwangsläufig H2 – normalerweise liegt Wasserstoff dann gasförmig vor. Kommt Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) in Berührung, entsteht unter bestimmten Bedingungen Wasser(H2O). Diese Verbindung ist stabil. Kaum stand genug Wasserstoff zur Verfügung, wurde er unverzichtbar für viele Anwendungen: Wasserstoff sorgte beispielsweise für den Auftrieb von Luftschiffen, für die Veredelung von Kraftstoffen und für die Fertigung hochwertiger Chemieprodukte. Aus Stickstoff und Wasserstoff wurde mithilfe des Haber-Bosch-Verfahrens Ammoniak – ein unverzichtbarer Dünger für die rasant anwachsende Landwirtschaft. Darüber hinaus dient das Element in der Metallurgie als Kühlmittel in Generatoren und in der Lebensmittelindustrie als Schutzgas und zur Fetthärtung. Nicht zu vergessen die Raketentechnologie: Schon das Apollo-11-Landemodul hob mit Wasserstoff in Richtung Erde ab.
02 - Vorsicht, Benzin!
Dass das Element aber auch Gefahren mit sich bringt, weiß die Menschheit spätestens seit dem 6. Mai 1937. An diesem Tag brannte der Zeppelin Hindenburg. Die genaue Unfallursache ist bisheute ungeklärt. Sicher ist nur eines: Explodiertist LZ 129 nicht. Wasserstoff ist nicht so brandgefährlich wie sein Ruf. Der Knallgaseffekt tritt nur unter sehr speziellen Bedingungen ein: Dazu bedarf es eines Luft-Wasserstoff-Gemisches von mindestens 18 Prozent sowie eines Funkens oder einer Umgebungstemperatur von mehr als 560 °C. Weil Wasserstoff aber extrem flüchtig ist und in einer Unfallsituation sofort nach oben entweicht, bleibt die Wasserstoffkonzentration meist im unkritischen Bereich. Benzin ist ungleichgefährlicher: Es entzündet leichter und verharrt länger an der Auslaufstelle.
03 - Farbenlehre
Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Ökostrom. Die elektrische Spannung spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Damit wird der eingesetzte Strom in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Dabei entstehen keine Treibhausgase. Das Verfahren zählt zu den Power-to-X-Technologien – zu den nachhaltigen Speicherkonzepten im Rahmen der Energiewende.
Roter Wasserstoff ist mit Atomstrom erzeugter Wasserstoff. Damit ist das Verfahren weitgehend CO2-neutral, aber aus bekannten Gründen umstritten.
Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen, das wiederum hauptsächlich aus Methan besteht (CH4). Dabei wird das Gas unter Wasserzugabe bei hohen Temperaturen und Drücken in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aufgespalten. Pro Tonne Wasserstoff entstehen circa zehn Tonnen CO2.
Blauer Wasserstoff wird das CO2 aus der Produktion von grauem Wasserstoff aufgefangen und weiterverwendet beziehungsweise final in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage), wird aus grauem Wasserstoff per definitionem blauer Wasserstoff.
Türkiser Wasserstoff wird in Hochtemperaturreaktoren durch die thermische Spaltung von Methan hergestellt. Dabei entsteht fester Kohlenstoff – und kein CO2. Voraussetzungen für die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens sind die Art der Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors und die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs, zum Beispiel durch seine Verwendung als Asphalt im Straßenbau.
Brauner Wasserstoff entsteht durch Vergasung aus Kohle. Dieses Verfahren wird allerdings allein durch ein japanisches Konsortium in Australien angewandt.
Weißer Wasserstoff bezeichnet natürliche Vorkommen in der Erdkruste und kann an wenigen Stellen durch Fracking gewonnen werden. Andere Autoren bezeichnen auch Wasserstoff, der in Chemieanlagen als Nebenprodukt anfällt, als weiß.
Hellgrün ist die Hydrogenase, bei der Bakterien mithilfe von Sonnenenergie Biomasse in Methan und Wasserstoff umwandeln. Dazu existieren aber erst Pilotprojekt.
HERSTELLUNG ENTSCHEIDET
Wird Ökostrom zur Elektrolyse eingesetzt, ist Wasserstoff maximal umweltfreundlich
04 - Zu Wasser, zu Lande und in der Luft
Die heutige weltweite Wasserstoffproduktion beträgt rund 30 Millionen Tonnen * – das sind circa 540 Milliarden Kubikmeter. 1,3 Millionen Tonnen davon werden in Deutschland verbraucht. Der weltweite Bedarf an Wasserstoff wird in den nächsten Jahren weiterhin rasant steigen. Denn einerseits verlangt die wachsende Erdbevölkerung nach viel mehr Kunstdünger, andererseits ist Wasserstoff Energie- wie auch Hoffnungsträger. Momentan wird Wasserstoff vor allem in der chemischen Industrie für Raffinerieprozesse (40 %) sowie für die Herstellung von Ammoniak (25 %) und Methanol (20 %) eingesetzt. Begrenzte Ressourcen, die Klimakrise und nicht zuletzt ein gesteigertes Umweltbewusstsein fördern derzeit rasant neue Einsatzbereiche: Aktuell wird Wasserstoff auch als nachhaltiges Speicherkonzept im Rahmen der Energiewende und als Alternative zur akkugetriebenen E-Mobilität gehandelt. Eine Studie der Deutschen Shell prognostiziert, dass im Jahr 2050 etwa die Hälfte der Weltenergieerzeugung aus erneuerbaren Quellen kommen wird – vorzugsweise aus Windkraft und Sonnenenergie. Die Experten erwarten, dass wiederum ein Viertel davon in Form von Wasserstoff zwischengespeichert und transportiert wird. An Lösungen für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff arbeiten Wissenschaftler und Industrie derzeit rund um den Globus unter Hochdruck – zunehmend auch mit staatlicher Unterstützung.
Für künftige Anwendungen kommen zwei Bereiche hinzu: in stationären Anlagen für die Energiegewinnung und als Treibstoff für Fortbewegungsmittel aller Art. Dabei handelt es sich nicht nur um straßengebundene Fahrzeuge, sondern auch um jegliche Form der Fortbewegung. Linde bietet beispielsweise bereits Flurförderfahrzeuge auf Wasserstoffbasis an, Freudenberg arbeitet an Brennstoffzellen für den Einsatz in Hochsee-Passagierschiffen. Sie werden derzeit erstmals an Bord der AIDAnova im Betrieb getestet. Spätestens 2026 soll das Propellerflugzeug „Dornier 228“ mit einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle abheben. Gerade die Luftfahrt bietet ungeteiltes Potenzial für Wasserstoff, denn Akkutechnologie ist zu schwer zum Fliegen. Deshalb spielen E-Motoren oberhalb der Wolken bisher keine Rolle. Die leichtere Brennstoffzelle soll das jetzt ändern.
05 - Schneller drin, schneller weg
So weit die möglichen Einsatzbereiche, so viel versprechend die Anwendung: Auch Transportund Tankvorteile sprechen für Wasserstoff. Im Gegensatz zur Batterieladung dauert der Füllvorgang nur Minuten. Überdies könnten Wasserstofftankstellen die geplanten Hochspannungsleitungen quer durch Deutschland überflüssig machen, die den Strom zum Aufladen der Batteriemotoren transportieren sollen. Zudem können so in Zeiten schwacher Nachfrage wie nachts oder am Wochenende bestehende Kraftwerkskapazitäten zur Wasserstoffelektrolyse genutzt werden.
06 - Windiger Wasserstoff
Energieexperten sehen Offshore-Windkraftanlagen und/oder die Nutzung von Sonnenenergie in den äquatornahen Ländern Afrikas als Königsweg für die Herstellung von grünem Wasserstoff. Eine Analyse der Boston Consulting Group rechnet vor, dass ein Kilo Wasserstoff aus Richtung Nordsee rund zwei Euro kosten wird, genauso viel wie Wasserstoff aus Afrika – vorausgesetzt, es kommt per Pipeline. Der Schiffstransport würde den Preis um ungefähr einen Euro erhöhen.
Das allerdings ist Zukunftsmusik. Derzeit kostet ein Kilogramm Wasserstoff an der öffentlichen Wasserstofftankstelle ungefähr 9,50 Euro. Damit kommt ein Brennstoffzellenauto derzeit rund 100 Kilometer weit. Die Treibstoffkosten von Benzinern und Brennstoffzellenfahrzeugen sind deshalb heute bereits ziemlich ausgeglichen .* In Zukunft könnte die Rechnung klar pro Wasserstoff ausfallen: Linde, Siemens, Vattenfall und Total planen im Verbund Windkraftwerke, die direkt vor Ort und mit dem dort erzeugten Strom grünen Wasserstoff erzeugen. Eine Anlage soll einmal 800 Autos mit Treibstoff versorgen – zu einem Drittel des heutigen Preises.
* Vorausgesetzt, man legt nicht die Herstellerangaben, sondern die durchschnittlichen Verbräuche deutscher Autofahrer zugrunde. Und die liegen statistisch gesehen bei 7,8 Litern Benzin pro 100 Kilometern
07 - Es ist nicht alles Wasserstoff, was glänzt
Wasserstoff ist auf dem Vormarsch. Aktuell verbleiben aber noch strukturelle Nachteile im Mobilitätsbereich wie Fahrzeugauswahl oder Versorgungssicherheit. So zählt der europäische Automobilverband ACEA in ganz Europa derzeit nur 150 Wasserstofftankstellen. 100 davon konzentrieren sich auf deutsche Großstädte. Mehrere deutsche Automobilhersteller arbeiten inzwischen wieder an Brennstoffzellenkonzepten – ein serienfähiges Modell ist jedoch noch nicht verfügbar. In den letzten Jahren haben sich die deutschen Hersteller wegen der politischen Vorgaben eher auf die Entwicklung und Produktion von Elektroautos konzentriert. Im Gegensatz zu europäischen Herstellern setzt Hyundai konsequent auf Wasserstoff und will bis 2030 jährlich 700.000 Brennstoffzellensysteme verkaufen: vor allem für Pkws, aber auch für Lkws, Schiffe und Drohnen. Momentan sind weltweit rund 18.000 Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle unterwegs. In Deutschland waren es Ende 2020 dagegen 507. Ähnlich sieht es bei den Gabelstaplern aus: In den USA sind schon mehr als 25.000 mit Brennstoffzellen in Lagerhallen unterwegs, in Europa ist es bislang nicht einmal ein Zehntel davon.
08 - Wohin mit dem Wasserstoff?
Wasserstoff hat viele Einsatzmöglichkeiten. Wie kommt er aber dorthin, wo er benötigt wird? Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Pipelines oder Tankfahrzeuge. Durch die schon heute bestehenden Pipelines kann Erdgas plus 20 Prozent gasförmiger Wasserstoff gepumpt werden. Für reinen Wasserstoff müssten allerdings neue Pipelines gebaut werden. Sie könnten dann zum Beispiel moderne Blockheizkraftwerke versorgen. Heizenergie verschlingt rund 40 Prozent des gesamten Energiebedarfs in Deutschland – eines der großen Zukunftspotenziale für Wasserstoff.
Der Transport in Tanks ist ungleich aufwendiger, für mobile Anwendungen aber unabdingbar. Eine Standardtankfüllung für einen Pkw besteht aus fünf Litern Wasserstoff und besitzt in gasförmigem Zustand ein Volumen von 55 Kubikmetern. Das entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von fast vier Metern. Schon aus Platzgründen muss der Wasserstoff deshalb komprimiert, sprich verflüssigt werden. Das passiert bei –252 °C, was sich negativ auf die Energieeffizienz von Wasserstoff auswirkt. Darüber hinaus muss der Tank hohe Drücke aushalten – deshalb werden hochbelastbare Verbundwerkstoffe eingesetzt. Damit wird der Tank beim heutigen Stand der Technik rund 125 Kilogramm schwer. *
* Alles ist relativ. Die Akkus in modernen E-Fahrzeugen wiegen zwischen 300 kg und 700 kg. Pi mal Daumen wiegt ein Kilometer Reichweite ein Kilogramm Batterie.
INDUSTRIE
Ist jetzt schon ein echter Fan von Wasserstoff
09 - Umgekehrte Elektrolyse: die Brennstoffzelle
10 - Beispielhaft
Ein Blick über den Tellerrand lohnt: Weltweit Vorreiter in puncto Wasserstofftechnologie sind derzeit die Asiaten. In China fahren bereits Tausende Wasserstoffbusse und -Transporter. Japan plant schon länger, bei den Olympischen Spielen 2021 die gesamte Fahrzeugflotte mit Wasserstoff fahren zu lassen – und das olympische Feuer soll dank Wasserstoff brennen *. Die weiteren Pläne sind ehrgeizig: Bis 2030 wollen die Japaner 800.000 Wasserstoffautos auf die Straße bringen.
*Die 3.000 Fackeln auf dem Weg zum Stadion verwenden allerdings noch konventionelles Erdgas.
11 - Höher, schneller, sauber
Auch die Amerikaner treiben ehrgeizige Pläne voran. Bis 2050 soll der Wasserstoffanteil am Energiemix auf ein Sechstel ansteigen. Bis dahin soll die Wasserstoffbranche jährlich 750 Milliarden Dollar umsetzen und mehr als drei Millionen Menschen beschäftigen. Damit wollen die USA neben der bereits erreichten Führungsposition bei der Erdölförderung auch zur weltweiten Nummer eins bei der Lieferung von Wasserstoff werden.
Die USA sind nicht nur die größten Ölförderer, sondern auch die größten Verbraucher. Mit anderen Worten: Alles bleibt im eigenen Land. Und was macht Europa? Unternehmer und Entscheider lösen sich vergleichsweise langsam von der Ausrichtung hin zu Akkumobilität und batteriebasierenden Speichertechnologien. Aber der Markt ist in Bewegung: Bosch hat 2019 angekündigt, in die Serienfertigung von Brennstoffzellen für Lkws und Pkws einzusteigen. Parallel arbeitet Thyssenkrupp beispielsweise an einer Anlage, in der Wasserstoff die sonst übliche Einblaskohle bei der Stahlherstellung ersetzt: Während mit Kohle im Prozess CO2 entsteht, entweicht beim Wasserstoffeinsatz nur Wasserdampf. Bis 2030 soll hier ein Viertel der Stahlproduktion von insgesamt elf Millionen Tonnen emissionsfrei werden.
Die Manager in Essen wollen noch mehr: Im nächsten technologischen Schritt soll der Prozess komplett CO2-frei werden. Das ist mit Direktreduktionsanlagen erreichbar. Bei diesem Verfahren entsteht kein flüssiges Roheisen, sondern ein fester Eisenschwamm, der in einem Elektrolichtbogenofen zu Rohstahl veredelt wird. Das Verfahren selbst ist nicht neu, wird bisher allerdings mit Erdgas befeuert. Wird an dessen Stelle grüner Wasserstoff eingesetzt, ist der Stahl quasi CO2-neutral.
12 - Die Nationale Wasserstoffstrategie
Der Hochofen in Duisburg ist Teil der Europäischen Wasserstoffstrategie – ein 470 Milliarden Euro schweres Paket, das bis 2050 den Aufbau einer Infrastruktur zur Erzeugung und Verteilung von Wasserstoff vorantreiben soll. Nach dem Willen der Großen Koalition muss Deutschland auch auf nationaler Ebene wasserstoff- und klimafreundlicher werden. Dazu verabschiedete das Bundeskabinett Mitte 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie, die Milliardenzuschüsse, rechtliche Erleichterungen und konkrete Produktionsziele vorsieht. Das Ziel: Deutschland möchte den Wasserstoffanschluss nicht verpassen und den bisher eher verhaltenen Start in die Wasserstoffwelt nun vorantreiben. Zudem sieht die Bundesregierung das große Potenzial, das von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff ausgeht. Sieben Milliarden Euro stehen für die Etablierung von Wasserstofftechnologien und den Aufbau von inländischen Produktionsanlagen bereit. Zwei Milliarden sind für internationale Partnerschaften eingeplant – vor allem um internationale Kooperationen für den Import von Wasserstoff und den Export von Wasserstofftechnologien zu erschließen.
"Was Wasserstoff betrifft, sind wir in Deutschland technologisch weit vorne. Woran es zum Teil noch fehlt, ist das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten, das Zusammenwirken von Erzeugung, Speicherung und Verbrauch in großen industriellen Systemen und Anwendungen. Hier ist die Politik gefragt. In Hamburg beispielsweise soll auf die Initiative des Wirtschaftssenators Michael Westhagemann hin ein 100-Megawatt-Elektrolyseur im Hafen gebaut werden. Das ist ein spannendes Projekt, das die Potenziale von Wasserstoff eindrucksvoll demonstrieren kann.“
13 - Grüner Wasserstoff im Fokus
14 - Normen und Standards unterstützen
DIN begleitet und gestaltet die Nationale Wasserstoffstrategie. * Mit der flächendeckenden Einführung von Wasserstoff werden sich die Zulassungsvorschriften für Produkte und die damit verbundenen Normen verändern. Das gilt beispielsweise für die notwendigen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff oder auch für die Wasserstoffqualität. Politik, Unternehmen, Forschung und Abnehmer arbeiten unter Hochdruck an den entsprechenden Lösungen. Darüber hinaus wird es diverse Innovationen rund um Wasserstoff geben. Diesen ist ebenfalls mithilfe von Normung und Standardisierung der Weg zu bereiten. Um die Ziele der Nationalen Wasserstoffstrategie zu unterstützen, begleitet DIN Stakeholder aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft auf dem Weg zu einer wasserstoffreichen Zukunft – denn auch und gerade bei einem so globalen Thema wie Wasserstoff sind Normen und Standards ein unverzichtbarer Rahmen für zukunftsorientierte Produkte und Verfahren.
* Sie sind herzlich zur Mitarbeit eingeladen.
Ihr Ansprechpartner:
Dr. Lydia Vogt, Geschäftsfeldentwicklerin für Wasserstofftechnologien bei DIN: lydia.vogt@din.de
