Wasserstoff, die saubere Energie der Zukunft

 

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In letzter Zeit wurde viel über Wasserstoff gesprochen, sowohl aufgrund neuer Richtlinien der Europäischen Union als auch aufgrund der von der Regierung vorgelegten und genehmigten nationalen Strategie für Wasserstoff. Was ist das und welche Rolle kann Wasserstoff im Zusammenhang mit Energie und Dekarbonisierung spielen? Die Meinung von Nuno Bimbo, Professor für Chemieingenieurwesen an der Universität von Southampton, UK

Von Sabine Jansen 

Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem, das leichteste und kleinste und das bei weitem häufigste Element im Universum. In der Erdkruste ist es auch eines der am häufigsten vorkommenden Elemente, aber abgesehen von besonderen Umständen, wie z. B. geringen Konzentrationen in Erdgas- oder Erdölbohrungen, kommt es nicht vor, ohne mit anderen Verbindungen verbunden zu sein. Der überwiegende Teil des Wasserstoffs auf der Erde kommt hauptsächlich als Element in Wasser (H2O) oder in Kohlenwasserstoffen (Ketten aus Kohlenstoff und Wasserstoff, aus denen beispielsweise Öl, Benzin oder Diesel bestehen) vor. Aus diesem Grund und im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdgas oder Erdöl ist Wasserstoff keine primäre Energiequelle - man kann keinen Wasserstoffbrunnen oder ein Bergwerk bauen! Für die Herstellung von Wasserstoff werden immer zwei Komponenten benötigt: eine Wasserstoffquelle (z. B. Wasser oder Kohlenwasserstoffe) und eine Energiequelle (z. B. nukleare, erneuerbare oder fossile Energie).

Molekularer Wasserstoff (H2) hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seiner Vorteile als Energievektor, d. h. als Mittel zur Beförderung von Energie von dem Ort, an dem sie erzeugt wird (z. B. in einem Gaskraftwerk oder einer Windturbine), zu dem Ort, an dem sie benötigt wird (um ein Haus zu heizen oder ein Licht einzuschalten), eine gewisse Bedeutung erlangt. Energievektoren sind in einer Gesellschaft, die wie die unsere von zentraler Energieerzeugung abhängig ist, von wesentlicher Bedeutung. Der bei weitem am meisten genutzte Energievektor ist Elektrizität, aber auch dieser hat einige Probleme, wie etwa die Speicherung. Es gibt gute Gründe, Wasserstoff als Energieträger zu verwenden, denn er ist ein hochenergetischer Kraftstoff (er hat bei gleicher Masse den dreifachen Energiegehalt von Benzin oder Diesel) und kann aus einer Vielzahl unterschiedlicher und reichlich vorhandener Wasserstoff- (z. B. Wasser) und Energiequellen (erneuerbare, nukleare oder fossile Brennstoffe) hergestellt werden. Darüber hinaus lässt sie sich in manchen Fällen leichter speichern als andere Energieträger wie Elektrizität und kann zur Energieumwandlung mit verschiedenen Methoden, einschließlich Verbrennung und Brennstoffzellen, verwendet werden. Ein großer Vorteil ist, dass im Gegensatz zur Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (wie z. B. bei der Verbrennung von Benzin, das die meisten Autos antreibt) bei der Energieumwandlung keine Emissionen entstehen und das einzige Produkt Wasser ist. Dieser letzte Aspekt ist von entscheidender Bedeutung in einer Zeit, in der über die Dekarbonisierung unserer Gesellschaft diskutiert wird, die aufgrund der Auswirkungen der Treibhausgase auf die globale Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten von entscheidender Bedeutung ist.

Weltweit basiert die Wasserstoffproduktion immer noch größtenteils auf fossilen Brennstoffen - Methan (der Hauptbestandteil von Erdgas) kann mit Dampf bei hohen Temperaturen reformiert werden, wobei Wasserstoff und Kohlendioxid entstehen. Bei direkter Verwendung gilt Wasserstoff aufgrund der Bildung von Kohlendioxid als grau. Wenn das erzeugte Kohlendioxid nicht in die Atmosphäre gelangt, sondern aufgefangen, gespeichert oder verwendet wird, gilt Wasserstoff als blau. Wird Wasserstoff durch eine Energiequelle erzeugt, die keine Emissionen verursacht (z. B. ein Solarpanel oder eine Windturbine), und zwar durch eine Technologie wie die Wasserelektrolyse (bei der Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird), wird Wasserstoff als grün bezeichnet, da er keine schädlichen Emissionen verursacht.

Auch bei der Energieumwandlung ist Wasserstoff sehr vielseitig. Er kann als Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor (wie Benzin oder Diesel) oder in einer Gasturbine verwendet werden, doch wird Wasserstoff meist mit Brennstoffzellen in Verbindung gebracht. Brennstoffzellen sind elektrochemische Technologien, bei denen ein Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff) reagieren und Strom erzeugen. Brennstoffzellen gibt es seit über 180 Jahren (sie wurden 1838 von dem Waliser William Grove entdeckt) und sind effiziente und zuverlässige Technologien. Sie werden von der NASA seit dem Gemini-Programm verwendet und waren eine der Hauptstromquellen in dem Modul, das die Astronauten im Rahmen des Apollo-Programms zum Mond brachte. Trotz der enormen Fortschritte bei der Effizienz von Verbrennungsmotoren sind mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen von Natur aus effizienter als Verbrennungsmotoren.

Welche Rolle spielt dann der Wasserstoff? Im Zusammenhang mit der Verringerung der Emissionen ist es wichtig, die verschiedenen Sektoren unserer Gesellschaft zu dekarbonisieren. Um dies zu erreichen, muss der Anteil der erneuerbaren Energien erhöht werden, die jedoch auf intermittierenden Quellen beruhen (die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht immer), was einen Bedarf an Speichermöglichkeiten schafft, um eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten. Trotz einiger Entwicklungen bei Technologien zur Energiespeicherung in dieser Größenordnung, wie z. B. Natrium- oder Durchflussbatterien, ist die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff eine relativ ausgereifte Technologie, die in großem Maßstab angewendet werden kann. Ein weiterer wichtiger Sektor für die Senkung der Emissionen ist der Verkehrssektor, der fast vollständig von fossilen Brennstoffen wie Diesel oder Benzin abhängig ist. Elektrische Batterien sind eine Technologie, die als mögliche Lösung zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors auf der Tagesordnung steht. Wie jedoch jeder Nutzer eines Elektroautos feststellen kann, sind die Autonomie der Batterien und die Ladezeit zwei Probleme, die nur schwer zu lösen sind. Auch wenn in den letzten Jahren Fortschritte erzielt wurden, sind einer Technologie wie den Lithiumbatterien (der wichtigsten Technologie für Elektroautos) Grenzen gesetzt, denn Elektrobatterien für Fahrzeuge mit großer Reichweite sind sperrig und schwer. Obwohl sie manchmal als miteinander konkurrierende Technologien angesehen werden, ist es vielleicht richtiger, elektrische Batterien und Wasserstoff-Brennstoffzellen als komplementäre Technologien zu betrachten. Technische Studien deuten darauf hin, dass die beste Alternative für eine groß angelegte Dekarbonisierung des Verkehrssektors Hybridfahrzeuge sind, die auf kurzen Strecken und im Stadtverkehr mit Elektrobatterien und auf längeren Strecken mit Wasserstoff-Brennstoffzellen fahren.

Auch wenn es in diesen Fragen schwierig ist, die Zukunft vorherzusagen, und auch wenn es einige technische Probleme gibt, deuten die einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoff darauf hin, dass er in einem zukünftigen Energiemix eine sehr wichtige Rolle spielen wird.