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Bundestagswahl Sonderseite: DWV Parteien-Wasserstoff-Check

Am 26. September 2021 wählt Deutschland einen neuen Bundestag. Diese Bundestagswahl wird für die Zukunft Deutschlands von herausragender Bedeutung sein.

Ihr muss es gelingen, die beschlossenen Treibhausgasneutralität bis zum Jahr 2045 ultimativ in die Wege zu leiten – es gibt keinen Zeitaufschub mehr.

Erfahren Sie mehr auf der Sonderseite des DWV zur Bundestagswahl und folgen Sie diesem Link!

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Jules Verne Mobilitäts-Award

Wasserstoff als Energieträger von morgen – wie kann die emissionsfreie Zukunft gelingen? Wie können wir Menschen die neue Technologie erklären? Diese Fragen stehen im Zentrum des Jules Verne Mobilitäts-Awards. Der Medienpreis zeichnet Texte aus, die sich inhaltlich anspruchsvoll und auch kritisch mit dem Thema der Wasserstoff(-Technologie) auseinandersetzen. Die Jury des Jules Verne Mobilitäts-Award sucht Beiträge, […]

The Green Hydrogen Manifesto – Jetzt Erstunterzeichner werden!

Werden Sie einer der ersten Unterzeichner des „The Green Hydrogen Manifesto“ im Rahmen der The smarter E Europe Restart 2021. Das Manifest richtet sich an politische Entscheidungsträger:innen und Regierungen auf europäischer, nationaler und regionaler Ebene mit 12 Forderungen, die notwendig sind, um die Rolle des Wasserstoffs als Wegbereiter einer Kreislaufwirtschaft und einer vollständigen Dekarbonisierung zu […]

DWV auf der ees Europe Restart 2021

Endlich wieder persönlich treffen – DWV auf der ees Europe Restart 2021! Die Innovationsplattform für die neue Energiewelt, The smarter E Europe, öffnet Ihre Türen als Präsenzveranstaltung in München von Mittwoch, 6. bis Freitag, 8. Oktober 2021. Zahlreiche Aussteller aus dem In-und Ausland präsentieren Lösungen für klimafreundliche und intelligente Systeme für Wirtschaft, Verkehr und Gebäude. […]

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Der Deutsche Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. ist die Dachorganisation der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland. Er koordiniert die interessierten Personen und Firmen, informiert Fachleute, Öffentlichkeit und Entscheidungsträger der Politik und ist die „Lobby“ der Wasserstofftechnologie in Deutschland. Dabei arbeitet er eng mit Partnerorganisationen in anderen Ländern zusammen.

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DWV-Kooperationen

                                                                                                    

 

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Publikationen

Informieren Sie sich über die Ziele, Mitglieder und Forderungen der DWV-Fachkommission HySteel im neuen Fact Sheet.

21.07.2021

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Die neue und exklusive DWV-Broschüre „Wasserstoff für eine nachhaltige Energiewirtschaft“ liegt vor.

08.12.2020

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Das LBST-Thesenpapier „EINSTIEG IN EINE GRÜNE WASSERSTOFFWIRTSCHAFT“, das im Auftrag des DWV erstellt wurde und so eindringlich wie überzeugend die Notwendigkeit für einen Aufbruch in eine grünes Wasserstoffzeitalter skizziert, liegt nun vor.

08.12.2020

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Unsere Broschüre „Wasserstoff und Brennstoffzellen — Starke Partner erneuerbarer Energiesysteme“ liegt jetzt einer aktualisierten und gründlich überarbeiteten neuen Auflage vor.

11.05.2017

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Unsere beliebte Einführungsbroschüre „Wasserstoff – der neue Energieträger“ in einer gründlich überarbeiteten und neu gestalteten Auflage (PDF-Datei, 5,7 MB).

28.04.2015

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„Wasserstoff-Sicherheits-Kompendium“
Wie sicher ist Wasserstoff? Ist er gefährlicher als Kohle, Öl, Gas und Uran? Fragen und Antworten

26.11.2011

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Die Broschüre des DWV unter dem Titel „Woher kommt die Energie für die Wasserstofferzeugung — Status und Alternativen“ liegt bereits in der 3. aktualisierten Auflage vor

11.05.2011

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Unsere neue Broschüre „Energie-Infrastruktur 21 – Rolle des Wasserstoffs angesichts der Herausforderungen im neuen globalen Energiesystem“ liegt bereits in der 2. Auflage vor.

31.03.2010

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1/2021: Ausblick auf 2021 – Ein Super (Wahl-) Jahr

3/2020: Brennstoffzellen-PKW in Deutschland? Bestimmt! Aber welche?

2/2020: Neue Ära der Wasserstoffwirtschaft und -industrie beginnt mit dem Kabinettsbeschluss zur Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS)

1/2020 Der DWV stellt sich neu auf

4/2019: Wasserstoff – Chancen für Wirtschaftswachstum 

3/2019: Technologieoffenheit gewährleistet Wirtschaftswachstum und Wettbewerbsfähigkeit

2/2019:  „Der Markt ist noch nicht reif“ – sagt die deutsche Autoindustrie

1/2019: Infrastruktur Gas – Neue Powerline der Energiewnde? Power-to-Hydrogen macht es möglich!

2/2018: „Power-to-Hydrogen – Industrie H.2“ 

1/2018: „Aufbauender Rückblick“

6/2015: „Power-to-Gas ein Baustein für das Gelingen der Energiewende?“

5/2015: „Positionsbestimmung“

4/2015: „Energiewende ist mehr als Klimaschutz“

2/2015: „Wasserstoff und Brennstoffzellen in der Energie- und Mobilitätswende“

1/2015: „Alles Gute für 2015!“

6/2014: „Deutschland und Europa brauchen kein EEG 3.0 – Die Energiewende gelingt nur

mit der Einführung strombasierter Kraftstoffe“

5/2014: „Ein mühevoller Weg“

4/2014: „DWV vollzieht Generationswechsel und stellt sich den neuen Herausforderungen“

3/2014: „Fracking von Öl- und Gasquellen: „Game Changer“ oder Endspiel?“

2/2014: „Gabriel und die Energiewende brauchen Wasserstoff“

1/2014: „Der steinige Weg der Industrialisierung“

6/2013: „Die Deutung des Orakels“

5/2013: „Vertrauen wecken“

4/2013: „Wie man Geschichte schreibt“

2/2013: „Hin- und hergewendet“

1/2013: „Die wichtigsten Nicht-Meldungen des kommenden Jahres“

6/2012: „Die Energiewende fängt im Kopf an“

5/2012: „Energiewende in der Flaute?“

4/2012: „Das Nicht-Ereignis“

2/2012: „Gedanken zum Verband“

6/2011: „Entwicklungen in der Energiewirtschaft – aus vorpommerscher Sicht“

5/2011: „Energiespeicherung mit Wasserstoff: ja – aber wie?“

4/2011: „Von Streichhölzern und anderen zündenden Ideen“

3/2011: „Vom Konzept zur Realität“

2/2011: „Wasserstoff und Medien – eine Beziehung auf Distanz?“

1/2011: „Nur keine Hektik!“

6/2010: „Wasserstoff und Brennstoffzelle im Dornröschenschlaf?“

5/2010: „Die Auferstehung einer nie tot gewesenen“

4/2010: „Was ist interessant an Wasserstoff und Brennstoffzellen für Kommunen?“

3/2010: „Elektromobilität – der leichte Weg zur nachhaltigen Beweglichkeit ?“

2/2010: „So war das Jahr 2010“

1/2010: „Blamage mit Ansage „

6/2009: „Energie Infrastruktur21“

5/2009: „Die Wasserstoff-Welt zu Gast bei Freunden“

BMWi: Die Nationale Wasserstoffstrategie

10.06.2020

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DVGW: Wasserstoff-Broschüre: Schlüssel für das Gelingen der Energiewende in allen Sektoren

02.12.2019

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DVGW: Kompakt – Wasserstoff

02.12.2019

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NOW: Integriertes Energiekonzept 2050

06.08.2019

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FCHJU: Hydrogen Roadmap Europe

04.06.2019

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Agora Energiewende: European Energy Transition 2030: The Big Picture

04.06.2019

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FZJülich: Comparative Analysis of Infrastructures: Hydrogen Fueling and Electric Charging of Vehicles

15.05.2019

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DENA: Leitstudie Integrierte Energiewende Impulse für die Gestaltung des Energiesystems bis 2050. Ergebnisbericht und Handlungsempfehlungen

05.04.2019

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DVGW: Klimaschutz mit grünen Gasen. Wie können erneuerbare Gase nachhaltig ins Energiesystem integriert werden?

05.04.2019

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NOW: Studie IndWEDe Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr,
Strom und Wärme

05.04.2019

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ENCON.Europe: Potentialatlas für Wasserstoff Analyse des Marktpotentials für Wasserstoff, der mit erneuerbaren Strom hergestellt wird, im Raffineriesektor
und im zukünftigen Mobilitätssektor

27.04.2018

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Energy Brainpool: Auf dem Weg in die Wettbewerbsfähigkeit: Elektrolysegase erneuerbaren Ursprungs

23.04.2018

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Schlüsselwissen zu Wasserstoff

Rolle und Nutzen von Wasserstoff

Wasserstoff ist keine neue Erfindung – er wurde schon im 18. Jahrhundert als Element identifiziert und ist seit 100 Jahren ein wichtiger Rohstoff der Chemieindustrie. Heute tritt die Rolle des Wasserstoffs als Energieträger immer mehr in den Vordergrund, besonders in einer auf erneuerbare Primärenergien gestützten Energiewirtschaft. Hier wird er benötigt, weil er die Speicherung und den Transport der Primärenergie ermöglicht.

Erneuerbare Energien sind im Prinzip reichlich vorhanden, doch stehen sie nicht immer an den Orten zur Verfügung, wo sie verbraucht werden sollen, und auch nicht immer zu den gewünschten Zeiten. Mit Hilfe des Energieträgers Wasserstoff können diese örtlichen und zeitlichen Lücken zwischen Angebot und Nachfrage überbrückt werden.

Eigenschaften des Wasserstoffs

Atomar

Wasserstoff hat das einfachste Atom, weil sein Kern aus nur einem Proton besteht. (Mit „Wasserstoff“ ist hier stets nur das stabile Nuklid 1H gemeint, gelegentlich auch „Protium“ genannt. Deuterium (2H) und Tritium (3H) können mengenmäßig vernachlässigt werden.) Wegnahme des einen Elektrons lässt den nackten Kern (Proton) übrig, mit entsprechenden Konsequenzen für die Beweglichkeit des Ions, und auch Hinzufügen von einem führt bereits zu einer abgeschlossenen Elektronenschale oder Edelgasschale (Helium). Die Einfachheit des Wasserstoffatoms hat es zum bevorzugten Untersuchungsobjekt für Forscher aller Disziplinen gemacht; das gilt auch für das Molekül.

Molekular

Freier Wasserstoff kommt so gut wie immer molekular vor. Das Wasserstoffmolekül (H2) hat wegen seines linearen Baus 5 Freiheitsgrade und ist das kleinste von allen. Daher dringt Wasserstoff leicht durch Lecks hindurch und hat auch einen hohen Diffusionskoeffizienten. Da im Wasserstoffmolekül zwei gleiche Kerne vorkommen, unterliegt es der Bose-Statistik. Wenn man flüssigen Wasserstoff an der Kristallisation hindert, findet man bei etwa 0,15 K Anzeichen für Superfluidität.

Physikalisch

Wasserstoff ist unter Normalbedingungen ein Gas, das sehr viel leichter ist als Luft und auch leichter als alle anderen Gase. Es weist weder Farbe noch Geruch noch Geschmack auf. Wasserstoffgas kommt in seinen Eigenschaften einem idealen Gas sehr nahe. Schallgeschwindigkeit und Wärmekapazität sind höher als bei anderen Gasen. Unter Normaldruck wird es bei 20,3 K flüssig (nur Helium siedet noch tiefer) und hat seinen Tripelpunkt bei 13 K.

Chemisch

Wertigkeit gewöhnlich +1, selten -1. Wasserstoff ist brennbar; allerdings strahlt die Flamme hauptsächlich im nahen UV und ist bei Tageslicht so gut wie unsichtbar. Wasserstoff bildet mit Luft oder anderen oxidierenden Gasen (auch mit Chlor) explosionsfähige Gemische. Bitte beachten: Wasserstoff selbst ist nicht explosiv, nur das Gemisch mit Luft in geeigneten Konzentrationen! Auch mit anderen Nichtmetallen, z. B. Schwefel, reagiert er exotherm. Mit Alkali- und Erdalkalimetallen bildet er Hydride. Freier Wasserstoff ist aber wegen seiner chemischen Aktivität in der Natur sehr selten, außer in den höheren Schichten der Atmosphäre. In der bodennahen Luft ist er nur in Spuren vorhanden. Fast immer tritt er in Verbindungen wie Wasser, Säuren oder organischen Stoffen sowie einigen Mineralien auf. Seine Ionisierungsenergie ist mit 13,5 eV ungewöhnlich hoch.

Geologie und Kosmologie

Wasserstoff war das erste Element im Universum und ist bis heute mit 75 % das häufigste. Auch die großen Planeten wie Jupiter und Saturn bestehen überwiegend aus Wasserstoff oder wasserstoffreichen Verbindungen (Methan). In der Erdkruste bis 16 km Tiefe ist Wasserstoff auf die Masse bezogen mit 0,9 % das neunthäufigste Element, auf die Zahl der Atome bezogen mit 15,4 % das dritthäufigste. Aus der Erdatmosphäre hat sich Wasserstoff wegen seiner geringen Dichte schon lange abgesetzt und kommt bei uns fast nur chemisch gebunden vor (Wasser, organische Stoffe).

Physiologisch

Wasserstoff ist physiologisch unbedenklich, wenn man davon absieht, dass er die Atmung nicht unterstützt. Der Kontakt mit tiefkaltem Wasserstoff oder mit durch ihn oder durch kaltes Gas abgekühlten Gegenständen (Rohrleitungen) führt zu verbrennungsartigen Reaktionen der Haut.

Wasserstoff ist nicht …

  • explosiv
  • zerfallsfähig (wie Acetylen)
  • oxidierend („brandfördernd“, wie Sauerstoff oder Chlor)
  • giftig
  • radioaktiv
  • übelriechend
  • ansteckend
  • ätzend
  • wassergefährdend
  • krebserregend
  • fruchtschädigend

Erzeugung und Herstellungsverfahren

Wasserstoff ist auf der Erde in praktisch unbegrenzten Mengen vorhanden, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffe, andere organische Verbindungen).

Der größte Teil der heutigen Wasserstoffproduktion entsteht als Neben- oder Koppelprodukt in Prozessen der chemischen Industrie und wird auch von dieser selbst in anderen Prozessen wieder verbraucht, vor allen Dingen in der Petrochemie. Wenn der Wasserstoff im industriellen Maßstab gezielt erzeugt wird, geschieht das zur Zeit hauptsächlich durch Reformierung von Erdgas. Dieses Verfahren stützt sich allerdings auf einen fossilen und nicht dauerhaft vorhandenen Rohstoff und ist mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden.

In Verbindung mit erneuerbaren Primärenergien bieten sich stattdessen die Elektrolyse von Wasser oder die Vergasung von Biomasse an. Zur letzteren kann man außer Resten aus der Land- und Forstwirtschaft oder Biomüll aus Haushalten im erweiterten Sinne auch organische Industrieabfälle zählen, deren Beseitigung oft erhebliche Schwierigkeiten bereitet.

Herstellungsverfahren

Elektrolyse:

Als Wasserelektrolyse wird die Spaltung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) durch elektrischen Strom bezeichnet. Die Summenformel dieses Vorgangs lautet folgendermaßen:

2 H2O -> 2 H2 + O2

Alkalische Elektrolyse (AEL):

Die alkalische Elektrolyse ist die älteste hier behandelte Elektrolyseform. 1927 wurde die erste großtechnische alkalische Elektrolyseanlage in Norwegen in Betrieb genommen. Der Wirkungsgrad dieses Verfahrens liegt bei etwa 70 %. Die derzeit größte Anlage befindet sich in Ägypten am Assuan-Staudamm mit einer Nennleistung von 156 MW. Dort werden etwa 3 Tonnen Wasserstoff pro Stunde mit klimafreundlicher Energie aus Wasserkraft hergestellt. Diese Methode zeichnet sich durch relativ geringe Investitionskosten und eine hohe Lebensdauer aus. Bei fluktuierenden Stromquellen sinkt die erreichbare Gasreinheit allerdings, was zu Problemen bei der Nutzung von Strom aus Windkraft und Photovoltaikanlagen führen kann. Außerdem benötigt der Kaltstart etwa 50 Minuten.

Bei der alkalischen Elektrolyse befindet sich zwischen Kathode und Anode ein Diaphragma, das nur für die Ladungsträger, also die Hydroxidionen (OH), durchlässig ist. Die Hydroxidionen bewegen sich von der Kathode zur Anode, wodurch auf der Kathodenseite Wasserstoff und auf der Anodenseite Sauerstoff entsteht. Als Elektrolyt wird Kalilauge verwendet, die ständig zirkuliert um die kontinuierliche Entgasung zu gewährleisten. Dieser Elektrolytkreislauf ist der Grund für das Problem der Nutzung von fluktuierendem Strom.

Protonen-Austausch-Membran Elektrolyse (PEM):

Bei der Protonen-Austausch-Membran Elektrolyse stellt die namensgebende Membran den zentralen Baustein dar. Diese Membran verhindert zum einen die Vermischung der Gase und stellt gleichzeitig den Elektrolyten dar. Flüssiges Wasser wird auf der Anodenseite zugeführt und in Sauerstoff sowie zwei Protonen (H+) gespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran in Richtung Kathode. Dort entsteht durch vorhandene Elektronen Wasserstoff. Die Reaktion verläuft demnach in entgegengesetzter Richtung zur Reaktion der alkalischen Elektrolyse. Ein zirkulierender Elektrolytkreislauf ist nicht nötig, wodurch sie besser für fluktuierende Stromquellen geeignet ist. Weitere Vorteile sind die höhere Reinheit des erzeugten Wasserstoffs (sowohl im Teillast- als auch im Überlastbetrieb) sowie die Kaltstartzeit von etwa 15 Minuten. Der Wirkungsgrad liegt momentan bei etwa 60 %. Größter Nachteil ist die Nutzung von Iridium als Elektrodenmaterial, das selten und damit teuer ist. Hier besteht aktuell noch Forschungsbedarf.

Hochtemperaturelektrolyse (HTE):

Die Hochtemperaturelektrolyse hat das höchste Effizienzpotential aller Elektrolysemethoden. Wirkungsgrade von 80 – 90 % sind hier möglich. Nachteilig ist die lange Kaltstartzeit von mehreren Stunden sowie der Preis, der aktuell etwa 2,5 Mal höher als bei der alkalischen Elektrolyse liegt. Langfristig soll es jedoch möglich sein sowohl die Kaltstartzeit, als auch die Kosten an die AEL anzugleichen.

Bei der HTE wird, statt Wasser in flüssiger Form, Wasserdampf gespalten. Dadurch sinkt die erforderliche Zellspannung und damit der Strombedarf. Als Elektrolyt wird dabei ein mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid (YSZ) verwendet. Dieser Feststoff kann bei Betriebstemperaturen von 700 – 1000 Grad Celsius Sauerstoffionen (O2-) leiten. Das dampfförmige Wasser wird an der Kathode zugeführt und dissoziiert Protonen (H+) und Sauerstoffionen (O2-). Der Wasserstoff entsteht an der Kathode durch Elektronenaufnahme der Protonen, während sich die Sauerstoffionen durch die YSZ-Schicht Richtung Anode bewegen und unter Elektronenabgabe Sauerstoff entsteht. Weiterhin ist dieses Verfahren für die Co-Elektrolyse geeignet. Statt reinem Wasserdampf kann eine Mischung aus Wasser und CO2 zu Synthesegas umgewandelt werden, welches später zu flüssigen Kohlenwasserstoff-Verbindungen umgesetzt und als synthetischer Kraftstoff genutzt werden kann.

Dampfreformierung:

Wird Erdgas mit seinem Hauptbestandteil Methan (CH4) und Wasserdampf (H2O) bei hoher Temperatur zur Reaktion gebracht, entsteht Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2):

CH4 + H2O -> CO + 3 H2

Wird der entstehende Kohlenstoffmonoxid weiter zu Kohlenstoffdioxid (CO2) oxidiert, steigt die Ausbeute an Wasserstoff:

CO + H2O -> CO2 + H2

Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen bei diesem Verfahren etwa 10 Tonnen CO2. Wird das entstandene Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben so spricht man von grauem Wasserstoff. Wird das CO2 durch CCUS-Verfahren gespeichert spricht man von blauem Wasserstoff, welcher als bilanziell klimaneutral betrachtet wird.

Statt Erdgas als Ausgangsstoff ist auch die Nutzung von Biomasse bzw. Biogas möglich.

Methanpyrolyse:

Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH4) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und festen Kohlenstoff (C) umgewandelt:

CH4 -> 2 H2 + C

Das Verfahren benötigt laut FONA 87 % weniger Energie als die Wasserelektrolyse und anders als bei der Dampfreformierung entsteht kein klimaschädliches CO2. Der entstehende feste Kohlenstoff (Grafit) lässt sich später für die Produktion von Stahl, Batterien, Druckerpatronen o.ä. verwenden. Das durch das BMBF geförderte Projekt „Me2H2“, wird Anfang 2021 bei BASF in Ludwigshafen eine Testanlage in Betrieb nehmen. Bis das Verfahren großtechnisch zur Verfügung stehen wird, soll es noch einige Jahre dauern.

Die Farben des Wasserstoffs

Grüner Wasserstoff: Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO2-frei ist.

Grauer Wasserstoff: Grauer Wasserstoff basiert auf dem Einsatz von fossilen Kohlenwasserstoffen. Maßgeblich für die Produktion von grauem Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Erdgas. Seine Erzeugung ist – abhängig vom eingesetzten fossilen Ausgangsstoff – mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden.

Blauer Wasserstoff: Als blauer Wasserstoff wird Wasserstoff bezeichnet, dessen Erzeugung mit einem CO2-Abscheidungs- und -Speicherungsverfahren gekoppelt wird (engl. Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell als CO2-neutral betrachtet werden.

Türkiser Wasserstoff: Als „türkiser Wasserstoff“ wird Wasserstoff bezeichnet, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren oder CO2-neutralen Energiequellen sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Roter Wasserstoff: Roter Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, bei der der verwendete Strom durch Kernkraft erzeugt wurde.

Weißer Wasserstoff: Bei weißem Wasserstoff handelt es sich um natürlich vorkommenden und mithilfe von Frackingmethoden gewonnenen Wasserstoff. Die Potentiale dieser Methode werden allerdings zum heutigen Zeitpunkt als äußerst gering eingeschätzt.

Orangefarbener Wasserstoff: Orangefarbener Wasserstoff ist als aus Bioenergie hergestellter Wasserstoff definiert. Die kohlenstoffneutrale Bioenergie kann dabei in verschiedenen Formen wie Biomasse, Biokraftstoff, Biogas und Biomethan vorliegen. Da der Kohlenstoff, der bei der Wasserstofferzeugung entsteht, vorher von den organischen Stoffen gespeichert wurde, ist die Erzeugung als kohlenstoffneutral zu bewerten.

Schwarzer Wasserstoff: Schwarzer Wasserstoff wird unter Einsatz von Steinkohle durch Vergasung erzeugt.

Brauner Wasserstoff: Brauner Wasserstoff wird analog zu schwarzem Wasserstoff durch die Vergasung von Braunkohle erzeugt.

Verwendung von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein wichtiger Grundstoff der Chemieindustrie für unterschiedliche Prozesse. Eine große und immer noch größer werdende Rolle spielt er in der Petrochemie, zum Beispiel zur Herstellung von schadstoffverminderten Treibstoffen („reformulated fuels“). Auch in der Lebensmittelchemie wird er zur Fetthärtung verwendet (Margarine, Süßigkeiten). Energetische Anwendungen sind zur Zeit wirtschaftlich unbedeutend.

Wasserstoff wird auch in Zukunft ein wichtiger Rohstoff der chemischen Industrie bleiben. Allerdings wird seine Rolle als Energieträger mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Nach einer Studie der Deutschen Shell ist zu erwarten, dass im Jahre 2050 etwa 50 % der Weltenergieerzeugung aus erneuerbaren Quellen kommen werden (wobei der Absolutverbrauch erheblich ansteigen wird); davon wiederum werden 50 % voraussichtlich in Wasserstoff umgewandelt werden, um zum Verbraucher zu kommen.

Stationäre Anlagen:

In der Energiewirtschaft bahnt sich eine Wende zur dezentralen Erzeugung an. Bald werden kleine Brennstoffzellenanlagen vermarktet werden, die den Grundbedarf eines Mehrfamilienhauses decken können. Zur Zeit werden sie wegen der vorhandenen Infrastruktur in der Regel mit Erdgas versorgt, das intern reformiert wird. Auf lange Sicht jedoch wird der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur zu erwarten sein.

Im Rahmen des zentralen Versorgungsnetzes können Elektrolyseure für die Lastregelung eingesetzt werden. Statt Kraftwerke in bedarfsschwachen Zeiten abzuschalten, kann die überschüssige Energie zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden, der entweder als solcher vermarktet oder wieder zur Stromerzeugung benutzt wird. Entsprechende Pläne gibt es zum Beispiel bei den HEW.

Mobile Anlagen:

Die gesamte Fahrzeugindustrie arbeitet in Erwartung immer schärferer Vorschriften über die Emissionen von CO sowie über die Begrenzung lokaler Schadstoffemissionen intensiv an derzeit noch als alternativ geltenden Treibstoffen und Antrieben.

Wasserstoff kann verwendet werden, um Verbrennungsmotoren anzutreiben; diese Entwicklungslinie wurde jahrzehntelang von BMW verfolgt, aber in den frühen 2000er Jahren aufgegeben.

Die anderen Firmen (Toyota, Honda, Hyundai, Daimler, BMW, GM, Nissan, Audi/VW) setzen eher auf Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle, wenn sie nicht prioritär an Batteriefahrzeugen arbeiten (Tesla, Nissan, Renault, BYD).

Soweit es sich um Busse oder andere Nutzfahrzeuge handelt, wird der Wasserstoff komprimiert oder tiefkalt verflüssigt mitgeführt. Bei PKW hat sich weitestgehend komprimierter Wasserstoff unter 70 MPa Druck durchgesetzt. BMW arbeitet zusätzlich noch an einem Sonderweg: CcH2 (cryo-compressed hydrogen).

Prinzipiell sind auch Passagierflugzeuge möglich, die flüssigen Wasserstoff anstelle von Kerosin als Treibstoff verwenden (ehemaliges Airbus-Projekt „Cryoplane“). Kleinere Flugzeuge, wie z.B. die Antares, fliegen mit Druckwasserstoff und Elektroantrieb. Evtl. findet der Wasserstoff über die gegenwärtigen Versuche, elektrische Flugzeuge zu konfigurieren, wegen seiner überlegenen gravimetrischen Speicherdichte i.V.m. effizienten fortgeschrittenen Brennstoffzellen seinen konzeptionellen Weg zurück in die Flugzeugentwicklung – wie bereits Ende der 1980er/ Anfang der 1990er Jahre zu Zeiten des Cryoplane.

Die Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist die optimale Methode, um die in Wasserstoff gespeicherte Energie wieder nutzbar zu machen. In ihr wird die chemische Energie in einem elektrochemischen Prozess unmittelbar in elektrische Energie und Wärme umgesetzt. Durch die Vermeidung von Zwischenschritten (Dampferzeugung, Turbine, Generator) und die Umgehung der für Wärmekraftmaschinen geltenden thermodynamischen Grenzen (Carnot-Wirkungsgrad) ist sie ungewöhnlich effizient – und zwar weitgehend unabhängig von Ihrer Leistungsgröße. Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerke erreichen bei gleichzeitiger Nutzung von Elektrizität und Wärme Wirkungsgrade von über 80 %, also etwa doppelt so viel wie herkömmliche Feuerungsanlagen.

Speicherung

Druckspeicherung:

Die Druckspeicherung ist die gängigste Form der Wasserstoffspeicherung und wird z.B. in Brennstofffahrzeugen verwendet. Der Wasserstoff wird mit einem Druck von etwa 700 bar gespeichert. Die Druckspeicher bestehen zumeist aus einem dünnen Innenbehälter aus Aluminium, der außen mit Kohle- bzw. Glasfaser verstärkt ist. Diese Konstruktion punktet gegenüber Stahlflaschen vor allem durch sein geringes Gewicht.

Speicherung von Flüssigwasserstoff:

Soll Wasserstoff eine besonders hohe Energiedichte bei möglichst geringem Gewicht aufweisen, so muss er vorher bei -253 Grad Celsius verflüssigt werden. Der flüssige Wasserstoff wird dann in sogenannten Kryotanks gespeichert, die durch sehr gute Isolationseigenschaften nur geringe Abdampfverluste durch Erwärmung aufweisen. Diese Speichermethode wird z.B. in der Raumfahrt verwendet, um den Flüssigwasserstoff als Raketentreibstoff zu nutzen. Beim Transport von Flüssigwasserstoff mit dem Lkw kann bei gleichem Gewicht etwa 6 mal mehr Wasserstoff transportiert werden, als beim Transport von Druckwasserstoff. Dabei wird allerdings auch etwa 30 % der Energie des Wasserstoffs für die Bereitstellung in flüssiger Form eingesetzt. Bei komprimierten Wasserstoff sind es nur 10 %.

Speicherung in Salzkavernen:

In Deutschland lagern in künstlich angelegten, unterirdischen Salzkavernen Erdgasreserven für 42 Tage. Für die Gasspeicherung, auch von Wasserstoff,  über einen langen Zeitraum in großen Mengen sind solche geologischen Formationen durch ihr Dichtigkeit und minimale Belastung durch Bakterien oder anorganische bzw. organische Stoffe ideal geeignet. Bei einem vertretbaren Kostenrahmen für die Errichtung der Speicher ist diese Methode durchaus sinnvoll. Außerdem eignen sich für die industrielle Speicherung von Wasserstoff erschöpfte Öl- und Gasfelder, Grundwasserleiter sowie geologisch bereits vorhandene Höhlenspeicher. Solche Speicherkavernen haben typischerweise ein Fassungsvermögen von 250.000 bis 750.000 m3, bei einer Speicherdichte von 8 – 11 kg/m3. Im Jahr 2013 gab es weltweit etwa 670 dieser Speicher für Erdgas mit einer Gesamtkapazität von 377 Milliarden m3. Das entspricht etwa 10 % des weltweiten Erdgasverbrauchs des Jahres 2012. Soll grüner Wasserstoff eines Tages der führende Energieträger werden, muss es möglich sein diesen effizient und in großen Mengen speichern zu können.

Distribution

Globaler Transport per Tankschiff:

Da die deutsche Wasserstoffnachfrage in Zukunft nur durch Importe gedeckt werden kann, ist die Frage nach der Transportform wesentlich. Flüssigwasserstoff wird Stand 2020 auf der Strecke von Saudi-Arabien nach Japan für 15 $ pro Kilogramm verschifft. In absehbarer Zeit werden Investitionen in die Wasserstoffproduktion und -distribution die Kosten deutlich senken. Für 2030 rechnet man bei gleicher Strecke mit etwa 1,7 $ pro Kilogramm. Der Vorteil gegenüber anderen Wasserstoffträgern, wie Ammoniak (NH3) oder flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC), liegt in der Einsparung von Umwandlungsprozessen. Soll der Wasserstoff in reiner Form zum Empfänger geliefert werden, ist diese Methode zukünftig die günstigste.

Lokaler Transport per Lkw:

Prinzipiell hängt die Wahl der Transportform von der Entfernung, den standortspezifischen Bedingungen, dem Bedarf und wirtschaftlichen Kriterien ab.

Für die Verteilung auf lokaler bzw. regionaler Ebene durch Lkw kommen zwei Optionen in Frage. Der Transport von komprimiertem Wasserstoff ist immer dann die günstigere Methode, wenn geringe Mengen über kurze Entfernungen transportiert werden müssen. Sind Entfernungen von über 300 km zu überbrücken und ist der Bedarf größer, stellt sich der Transport in flüssiger Form als wirtschaftlicher dar.

Lokaler Transport durch Pipelines:

Bei einer zentralen Erzeugung von Wasserstoff in einem Industriekomplex, z.B. bei der Ammoniakproduktion oder in Raffinerien, ist die Verteilung über Pipelines am sinnvollsten. Der Aufbau eines Pipelinenetzwerks ist mit langjährigen, hohen Investitionen verbunden und lohnt sich nur dann, wenn garantiert wird, dass später ausreichend große Mengen transportiert werden. Die Beimischung von Wasserstoff in bereits vorhandene Erdgasnetze ist heute bereits umsetzbar. Es können bereits bis zu 20 % Wasserstoff eingespeist werden, ohne größere Veränderungen am bestehenden Netz durchführen zu müssen. Für die Übergangsphase zur reinen Wasserstoffversorgung ist dies eine gute Methode bereits jetzt Emissionen einzusparen.

Vor-Ort-Produktion:

Sollen Transportkosten gänzlich vermieden werden, oder liegt das Bedarfsgebiet in dünn besiedelten ländlichen Gebieten (bspw. Wüsten), bietet sich die Vor-Ort-Produktion an. In modularen Systemen können Elektrolyseure perfekt auf die Anforderungen der Kunden zugeschnitten werden. Diese Systeme können vor allem für Tankstellen, die sich weit von der nächsten Produktionsstätte entfernt befinden, interessant sein. Genauso sind großindustrielle Lösungen durch die Modularität denkbar.

Sicherheit

Der sichere Umgang mit Wasserstoff ist in industriellen Anwendungen seit langer Zeit Stand der Technik. Auch der Transport auf Straße, Schiene und Wasser oder durch Pipelines wirft keine grundsätzlichen Probleme auf. Für den Aufbau einer Infrastruktur kommt es darauf an, alltagstaugliche Geräte, Anlagen und Systeme zu entwickeln, in denen das vorhandene Wissen verwendet wird und der Endnutzer an diese sichere Nutzung schrittweise herangeführt wird.

Generell ist reiner Wasserstoff nicht explosionsfähig und kann nur ab einem Mischungsverhältnis von 4 % in der Luft gezündet werden. Unter freiem Himmel ist eine Detonation praktisch nahezu auszuschließen, allerdings sollten in beengten Räumen Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden.

Wasserstoff kann in allen Speicherformen sicher und ohne Verluste gespeichert bzw. transportiert werden. Auch der Betrieb von Wasserstofffahrzeugen ist als sehr sicher einzuschätzen, da die Zulassungsverfahren sehr streng sind.

Allgemein ist die Nutzung und der Umgang mit Wasserstoff in der Industrie als nicht gefährlicher einzuschätzen, als der Umgang mit anderen brennbaren Gasen.

Weitere Informationen hat der DWV im Wasserstoff-Kompendium bereitgestellt.

Emissionen

Der Verbrauch von Wasserstoff ist mit geringen oder gar keinen Emissionen verbunden. Er verbrennt zu Wasser, aus dem er im Prinzip wieder gewonnen werden kann; somit geht er nicht verloren und ist ein dauerhaft verfügbarer Energieträger. In Verbrennungskraftmaschinen entstehen im Luftbetrieb geringe Mengen an Stickoxiden. Durch die breiten Möglichkeiten der Wahl der Arbeitsbedingungen beim Wasserstoffmotor kann die Bildungsrate allerdings weit niedriger gehalten werden als bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen. Bei der Brennstoffzelle mit ihrer niedrigeren Betriebstemperatur entfällt auch dieses Problem. Emissionen entstehen hier allenfalls durch periphere Prozesse (Brennstoffaufbereitung bei der Versorgung mit Erdgas). Brennstoffzellen als Endanwendungstechnologie und erneuerbare Energien als Quelle für die H2-Erzeugung erlauben langfristig prinzipiell den Aufbau eines Nullemissionsenergie und –transportsystems mit ausreichendem Nutzwert.

Normung und Regelung

Wasserstoff fällt als komprimiertes oder tiefkalt verflüssigtes brennbares Gas unter die entsprechenden einschlägigen Regelwerke. Besondere Gefahren gehen nicht von ihm aus, so dass es in Deutschland oder der EU gar kein wasserstoffspezifisches Regelwerk gibt. Die bestehenden Regelwerke (z.B. ADR für Gefahrguttransport, ATEX für Explosionsschutz, (T)PED für (bewegliche) Druckgeräte auf europäischer Ebene sowie deren national Implementierung und in Deutschland die BetrSichV für Personenschutz und das BImSchG für Umweltschutz) sowie deren kontinuierliche Aktualisierung und Weiterentwicklung erscheinen hier ausreichend.
Normungsbedarf entsteht in absehbarer Zeit vor allem durch seine Einführung als Kraftstoff in den Verkehr (Zulassungsvorschriften). Außerdem werden allgemein verstärkt Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff oder anderen neuen Werkstoffen eingesetzt werden. Hier treten andere Sicherheitsfragen auf als bei der herkömmlichen Gasflasche aus Stahl oder Aluminium.
Die Europäische Kommission hat im Oktober 2014 die Alternative Fuels Infrastructure Directive (2014/94/EU) veröffentlicht. Diese verweist auf einige ISO-Normen, die künftig in aktualisierter Version aus dieser Richtlinie abgeleitet werden, und somit Rechtskraft erlangen sollen. Diese Normen betreffen die Auslegung von Wasserstofftankstellen, das Wasserstoffbetankungsprotokoll, die Geomotrie der Wasserstoffbefüllkupplung sowie die Wasserstoffqualität. Es wird erwartet, dass die Anforderungen aus dieser Richtlinie spätestens bis zum Jahr 2020 in den relevanten Mitgliedsstaaten rechtlich verbindlich sein werden.

Historisch

Anfang des 16. Jahrhunderts soll Paracelsus bei Versuchen mit Metallen und Säuren ein brennbares Gas gewonnen haben, das nach Lage der Dinge eigentlich nur Wasserstoff gewesen sein kann. Auch Robert Boyle berichtete im 17. Jahrhundert darüber. Als Element wurde er 1769 durch Cavendish erkannt. Der in vielen Sprachen so oder ähnlich übliche Name „Hydrogenium“ (griechisch, wörtlich: „Wassermacher“) stammt von Lavoisier.

Wegen seiner geringen Dichte wurde das Gas bald als Auftriebsmittel benutzt. Am 1. Dezember 1783, nur 10 Tage nach dem Heißluftballon der Brüder Montgolfier, startete in Paris der erste bemannte Wasserstoffballon mit Jacques Alexander Charles. 1785 überquerte Jean-Pierre-François Blanchard mit einem solchen Gefährt erstmals den Ärmelkanal und führte dabei auch die erste Luftpost der Geschichte mit. Spätestens 1793 hatte das französische Revolutionsheer Balloneinheiten zu Aufklärungszwecken; sie sollen entscheidend zu seinem Sieg bei Fleurus in jenem Jahr beigetragen haben. Auch im amerikanischen Bürgerkrieg wurden solche Ballons eingesetzt. Dort wurde der Graf Zeppelin auf diese Technik aufmerksam; die übrige Geschichte dürfte bekannt sein. Die auf ihn zurückgehenden Luftschiffe sind bis heute die größten Objekte, die der Mensch je in die Luft gebracht hat. (Bis jetzt – demnächst sollen noch größere Luftschiffe gebaut werden. Sie werden unter anderem deshalb so groß sein, weil sie mit Helium fliegen, das einen geringeren Auftrieb hat.) Heute ist die Zahl der Gasballons gegenüber der der Heißluftballons vernachlässigbar.

Die erste Verflüssigung von Wasserstoff gelang 1898 James Dewar in London. Danach war Wasserstoff etwa ein halbes Jahrhundert lang das Arbeitspferd für die Erzeugung tiefer Temperaturen für Forschungszwecke.

Bis etwa 1980 verwendeten ihn Kern- und Elementarteilchenforscher als Füllung für Blasenkammern (Detektoren). Geladene Teilchen hinterließen beim Durchgang eine Spur, die man fotografieren und auswerten konnte.

Und schließlich wäre die Raumfahrt ohne Wasserstoff nicht möglich.

Unser Evergreen-Video erklärt in 223 Sekunden: Ohne Wasserstoff wird es nicht gehen...