Zwei Grundelemente einer nachhaltigen Energieproduktion: Windkraft und Wasser.
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Berlin„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft“, schrieb der französische Autor Jules Verne schon 1874 in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“. Er erklärte: „Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ Was vor 145 Jahren noch Utopie war, soll jetzt in großem Stil umgesetzt werden. Die Bundesregierung hat in der vergangenen Woche auf einer Konferenz in Berlin verkündet, bis Ende des Jahres eine Nationale Wasserstoffstrategie vorzulegen. Der Wasserstoff sei ein „Schlüsselrohstoff einer langfristig erfolgreichen Energiewende“, sagte Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier. Ziel ist es, bis Mitte des Jahrhunderts Treibhausgasneutralität zu erreichen. Hier Antworten auf einige wichtige Fragen.

Inwiefern liefert Wasserstoff Energie?  

Wasserstoff selbst ist keine Energiequelle wie Kohle, Erdgas, Erdöl oder Biomasse. Aber er dient als Energieträger – und kann entscheidend dazu beitragen, die fossilen Quellen zu ersetzen. Denn mit ihm lässt sich Wind- und Solarenergie speichern und transportieren. Das ist sehr wichtig, weil die Energieversorgung aus natürlichen Quellen wie Wind und Sonne stark schwankt. Die Energiewende kann nur gelingen, wenn leistungsfähige Speicher entwickelt werden, damit der Strom aus den erneuerbaren Energien ohne Verluste genutzt werden kann. Bisher speichert man überschüssigen Strom unter anderem in Pumpspeicherkraftwerken, für die aber der Platz in Deutschland begrenzt ist, oder mittels zusammengepresster Luft in Kavernen. Auch modernste Batterien werden entwickelt. Wasserstoff ist eine weitere, effiziente Möglichkeit. Man kann ihn in großen Mengen speichern und auch transportieren.

Wie wird Wasserstoff zum Energieträger umgewandelt?  

Das passiert über die Elektrolyse. Wasser (H2O) wird unter Einsatz von Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Elektrische wird in chemische Energie umgewandelt. Dies geschieht mittels sogenannter Elektrolyseure, die zum Beispiel an stromproduzierende Windparks angeschlossen werden.
Wie wird Wasserstoff gespeichert?  Dies geschieht, indem Wasserstoff unter sehr hohem Druck von bis zu 700 bar zusammengepresst oder in flüssiger Form mit niedrigen Temperaturen (minus 252,8 Grad Celsius) gelagert wird. Eine besondere Form ist die sogenannte LOHC-Technologie. Hier wird der Wasserstoff in flüssigen organischen Materialien gebunden. Er lässt sich in Tanklastern wie Diesel transportieren, ohne schwere Drucktanks, was auch die Transportmenge erhöht. Es gibt sogar Überlegungen, Strom, der in Solarkraftwerken in sonnenreichen Regionen produziert wird, in großen Wasserstofftanks nach Deutschland zu transportieren.

Das häufigste Element des Universums

Urstoff. Wasserstoff (H) ist im Universum das häufigste Element und das mit der geringsten Atommasse. Es bildete sich schon kurz nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren. Die ersten Sterne entstanden durch Kernfusion von Wasserstoff zu Helium.

Irdisches Vorkommen.  Auf der Erde kommt Wasserstoff als farbloses und geruchloses Gas (H2) vor. 1766 wurde er zum ersten Mal untersucht. Sein Entdecker, der britische Chemiker Henry Cavendish, nannte ihn „inflammable air“ („brennbare Luft“).

Gebundene Form. Meist tritt Wasserstoff auf der Erde gebunden auf – als Bestandteil des Wassers und fast aller organischer Verbindungen, zum Beispiel von Erdöl und Erdgas wie Methan. Wasserstoff ist also nahezu unbegrenzt verfügbar.

Wo wird Wasserstoff eingesetzt?  

Wasserstoff kann als Antrieb für Fahrzeuge, Schiffe, Kleinkraftwerke, als Gaszusatz bei der Wärmeversorgung, bei der Produktion von Strom und als Basis für künstliche Kraftstoffe genutzt werden, aber auch bei der Verringerung des CO2-Ausstoßes in der Industrie. Forscher arbeiten an verschiedenen Technologien. In mehreren Bundesländern entstehen Modellprojekte. In Sachsen-Anhalt zum Beispiel wollen Forscher testen, wieviel Wasserstoff man ins Gasnetz einspeisen kann, um Erdgas beim Heizen und dem Betreiben von Gasgeräten zu ersetzen. Die Forscher hoffen, ein Gemisch mit 20 Prozent Wasserstoff herstellen zu können. In Nordfriesland entsteht eine sogenannte E-Farm. In großem Stil will man hier Strom aus Windparks in Wasserstoff speichern, der zu Wasserstoff-Tankstellen gebracht und als Treibstoff genutzt werden soll. In Hessen sollen Busse und Züge mit Brennstoffzellen fahren.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?  

Das Grundprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits um 1838 entwickelt. Vereinfacht gesagt: Es ist eine galvanische Zelle, die den Prozess der Elektrolyse wieder rückgängig macht. Über eine schrittweise Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff (Redoxreaktion) entstehen elektrischer Strom, Wärme und Wasserdampf.

Power-to-Gas-Anlage in Allendorf (Hessen). Mithilfe von Wasserstoff entsteht Methan.
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Werden wir künftig mit Wasserstoffautos fahren?

Brennstoffzellenfahrzeuge sind eine Alternative zur Elektromobilität, also dem forcierten Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Fahrzeugen. Bisher fahren in Deutschland lediglich „600 Fahrzeuge mit Brennstoffzellen auf der Straße, 86 Wasserstoffbusse, 30 Züge“, wie Bundesverkehrsminister Andreas Scheuer bilanzierte. Bis Jahresende soll es in Deutschland 100 Wasserstofftankstellen geben. Dem gegenüber stehen etwa 17 000 Ladestationen für E-Fahrzeuge. Wie Studien zeigen, wären Wasserstoffautos den Batterieautos vor allem auf langen Strecken überlegen. Die Tankzeiten sind wesentlich kürzer als die Ladezeiten bei E-Autos. Konzerne wie Toyota, Hyundai und Mercedes haben Autos entwickelt, darunter ein Hybrid-Auto, das auf kurzen Strecken mit Batterie fährt, auf langen Strecken mit Wasserstoff. Brennstoffzellen seien vor allem für Großfahrzeuge wie Busse und Züge geeignet, sagen Experten. Auch Schiffe könnten mit Wasserstoff fahren statt mit umweltschädlichem Schiffsdiesel.

Was sind „grüner“ und „blauer“ Wasserstoff?  

Dass Wasserstoff für die Industrie genutzt wird, ist nicht neu. Er dient zum Beispiel als Ausgangselement bei der Ammoniaksynthese zur Produktion von Düngemitteln, bei der Raffinierung von Mineralöl, der Synthese von Methanol und bei der Stahlproduktion. Der größte Teil des Wasserstoffs wird mit dem sogenannten Reformierungsverfahren gewonnen. Dabei entzieht man fossilen Quellen, etwa Erdgas und Kohle, in einem schrittweisen Prozess den Wasserstoff. Als Nebenprodukte entstehen unter anderem CO2 und Schwefeldioxid. Man spricht hier von „blauem“ Wasserstoff. Ebenso, wenn der Wasserstoff über Strom aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. „Grüner“ Wasserstoff dagegen wird mithilfe von erneuerbaren Energien gewonnen. Dessen Produktion setzt auch keine Treibhausgase frei.

Was passiert bei der Power-to-Gas-Technologie?  

Hier wird Wasserstoff zum Beispiel dazu genutzt, künstlich Erdgas herzustellen. Entsprechende Anlagen gibt es bereits. Sie nutzen Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien, um per Elektrolyse Wasserstoff zu gewinnen. Dieser kommt dann im Untergrundspeicher mit CO2 und bestimmten Kleinstlebewesen in Berührung. Daraus entsteht Methan (CH4). Als Kleinstlebewesen dienen zum Beispiel sogenannte Archaeen. Biomethan kann überall genutzt werden, wo sonst Erdgas zum Einsatz kommt: bei der Strom- und Wärmeproduktion, als Kraftstoff und in der chemischen Industrie.  

Wo sind die Grenzen und Probleme?  

Noch ist die Speicherung von Energie in Wasserstoff und zurück recht teuer und ineffizient, denn es geht zu viel Energie dabei verloren. Was die Brennstoffzelle für den Betrieb des Autos liefert, ist – nach allen Umwandlungsschritten – nur noch ein Drittel des ursprünglich eingesetzten Stroms. Bisher sind viele Technologien auch erst im Entwicklungs- und Modellstadium. Bis zum Einsatz in der Großproduktion ist es noch ein langer Weg. Aber um wirklich Effekte zu bringen, braucht es eine Wasserstoffwirtschaft im industriellen Maßstab, zum Beispiel in Raffinerien und der Stahlindustrie.