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Wasserstoff spielt eine große Rolle für die Energiewende, da die überschüssige Energie an sonnen- und windreichen Tagen zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden kann. Der Wasserstoff steht dann unabhängig von Sonne und Wind für den Einsatz in der Mobilität und Industrie zur Verfügung. Wasserstoff lässt sich besser speichern als Strom und bietet damit eine alternative Speichermöglichkeit für Strom aus erneuerbaren Energien. Außerdem lässt sich mit grünem Wasserstoff eine emissionsfreie Mobilität sowie eine emissionsreduzierte Industrie (z. B. Stahl) verwirklichen.

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten hergestellt werden. Zurzeit wird Wasserstoff vor allem aus fossilen Rohstoffen gewonnen, hauptsächlich durch Dampfreformierung aus Erdgas. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen. Dabei wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Durch den Einsatz von erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung kann der Wasserstoff komplett emissionsfrei hergestellt werden. Es gibt auch noch weitere Herstellungsarten, denen jeweils eine andere Farbe zugewiesen wird (siehe nächste Frage).

Wasserstoff ist ein farbloses Gas. Die verschiedenen Farben, die im Zusammenhang mit Wasserstoff erwähnt werden, beziehen sich auf die Art der Herstellung. Der Wasserstoff selbst unterscheidet sich dabei bis auf möglicherweise vorhandene Spurenverunreinigungen nicht.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff entsteht bei der Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien. Dieser Pfad ist nach heutigen Gesichtspunkten der Nachhaltigste und spielt auch eine zentrale Rolle für den Wasserstoffbereich bei Tyczka.

Türkiser Wasserstoff

Türkiser Wasserstoff entsteht durch die sogenannte Methanpyrolyse. Dabei wird Methan bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten. Auch hier wird Strom benötigt, um das Methan auf eine Temperatur von über 1000 °C zu erwärmen. Da der Kohlenstoff als Feststoff vorliegt, gilt türkiser Wasserstoff als CO2 neutral, wenn der zur Spaltung von Methan benötigte Strom aus erneuerbaren Energien kommt.

Grauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen (meist Erdgas) hergestellt. Aus Wasser und Erdgas entstehen Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid. Der meiste heute verwendete Wasserstoff ist grauer Wasserstoff.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dem das entstehende Kohlenstoffdioxid abgeschieden und gespeichert wird. Mögliche Speicherorte sind erschöpfte Öl- und Gasfelder oder in natürlichen Speichern unter dem Meer. Allerdings kann nicht das gesamte Kohlenstoffdioxid abgeschieden werden, so dass blauer Wasserstoff nicht komplett CO2 neutral ist.

Weitere Farben

Außerdem gibt es gelben Wasserstoff (Elektrolyse mit Strom aus dem Netzstrommix), orangenen Wasserstoff (Vergasung/Vergärung von Biomasse, Dampfreformierung von Biogas oder Elektrolyse mit Strom aus Müllheizkraftwerken), roten (Elektrolyse mit Atomstrom), weißen (natürliche Wasserstoffvorkommen) und braunen Wasserstoff (Kohlevergasung). Wasserstoff, der als Nebenprodukt in der Industrie anfällt, wird teilweise ebenfalls als brauner Wasserstoff bezeichnet. Eine offizielle genormte Definition ist noch nicht vorhanden (Stand: August 2021).

Industrie

Wasserstoff wird in der Industrie seit dem frühen 20. Jahrhundert auf vielfältige Weise eingesetzt. In Raffinerien wird Wasserstoff zum Entschwefeln von Ölprodukten und zur Umwandlung von lang- in kurzkettige Kohlenwasserstoffe eingesetzt. 55 % des global produzierten Wasserstoffs wird zur Herstellung von Ammoniak, z. B. für Düngemittel, eingesetzt. Auf die Herstellung von Methanol, z. B. für Kraftstoffe, entfallen 10 % des produzierten Wasserstoffs. Wasserstoff kann außerdem in der Lebensmittelindustrie zum Härten von Fetten, z. B. für Margarine, in der Kunststoffherstellung, beim Legieren von Metallen sowie als Schutzgas eingesetzt werden. Bei der Direktreduktion von Eisenerz mit Wasserstoff kann Stahl ohne Kohlenstoff hergestellt werden.

Mobilität

Fast alle Verkehrsmittel lassen sich mit Wasserstoff betreiben. Dabei wird ein Elektromotor über eine Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Strom versorgt und treibt das Fahrzeug an. Es gibt Gabelstapler, PKWs, Busse, LKWs und Züge, die mit Wasserstoff betrieben werden. In Raketen wird Wasserstoff bereits seit den 1960er Jahren als Treibstoff eingesetzt.

Gebäude/ Wärme

Eine Brennstoffzelle produziert neben Strom auch Wärme, die zum Heizen von Gebäuden genutzt werden kann. Durch diese Kraft-Wärme-Kopplung steigt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.

Wasserstoff kann in verschiedenen Reinheitsstufen vorliegen. Das heißt, die Anteile der restlichen Gase sind unterschiedlich hoch. Die Wasserstoffreinheit wird entweder als Prozentzahl oder verkürzt mit einer Zahlenkombination, zum Beispiel mit 3.7 angegeben. Dabei steht die Zahl vor dem Punkt für die Anzahl der Neunen, die Zahl nach dem Punkt für die Zahl, die nach den Neunen kommt.

Handelsüblich ist Wasserstoff 3.0, also 99,90 Vol.%. Bei höheren Reinheitsanforderungen, z. B. in der Halbleiterindustrie, wird Wasserstoff 5.0 (99,9990 Vol.%) eingesetzt.

Auch die genaue Zusammensetzung der restlichen Gase kann entscheidend sein. So dürfen die Anteile bestimmter Verunreinigungen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, damit der Wasserstoff in Brennstoffzellen eingesetzt werden darf.

Verfügbarkeit

Wasserstoff lässt sich aus Wasser mithilfe von Strom herstellen. Dafür nutzt man sogenannte Elektrolyseure, eine Technologie, die bereits seit Beginn der Industriellen Revolution bekannt und im Einsatz ist. Wasserstoff lässt sich auch in großen Mengen und über lange Zeit effizient speichern. Dafür kommen zum Beispiel Salzkavernen zum Einsatz. Gespeicherter Wasserstoff kann dann verwendet werden, wenn die Sonne nicht scheint, kein Wind weht und kein Strom aus anderen erneuerbaren Energien zur Verfügung steht.

Herstellungsweise

Wasserstoff kann mit z. T. überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt werden. Der Strom wird somit genutzt, wenn er zur Verfügung steht und die Energie kann verwendet werden, wenn sie benötigt wird. Wasserstoff ist neben Strom somit ein zweiter, flexibler Energieträger, der auch eine andere Infrastruktur nutzt und somit in Summe die Herausforderungen der Energiewende auf eine weitere Schulter verteilt.

Vergleich Verbrennungsmotor

Wasserstofffahrzeuge mit Brennstoffzelle haben gegenüber einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor den großen Vorteil, keine lokalen Treibhausgasemissionen und sonstige Schadstoffe auszustoßen. Bei grünem Wasserstoff treten auch in der Erzeugung keine Emissionen auf. Zudem sind Brennstoffzellenfahrzeuge Elektrofahrzeuge und somit leiser als solche mit Verbrennungsmotor und durch die geringere Anzahl an beweglichen Teilen ist der Verschleiß geringer. Zudem haben Brennstoffzellen im Vergleich zum Ottomotor einen hohen Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle liegt bei ca. 50 %.

Vergleich Batteriefahrzeug

Der Tankvorgang von Wasserstoff bei PKW ist vergleichbar mit dem von mit Benzin oder Diesel und dauert 3-5 Minuten. Außerdem ist ein Wasserstofftank, gerade bei LKWs, leichter als eine Batterie mit entsprechender Reichweite. Dadurch erhöht sich die mögliche Zuladung des LKWs. Zudem werden in Brennstoffzellen weniger problematische Rohstoffe (z. B. Lithium) eingesetzt.

Flexible Anwendbarkeit

Der Einsatz von Wasserstoff kommt auch bei Anwendungen ohne eine Anbindung an das Strom- oder Gasnetz zum Einsatz. Der Wasserstoff kann mit Hilfe von Trailern (LKW-Transport) oder Gasflaschen auch entlegene Regionen versorgen. Ein Anwendungsbeispiel sind Notstromversorgungsanlagen für Funkmasten für kritische Infrastrukturen.

Transport

Beim Transport von Wasserstoff durch eine Rohrleitung treten weniger Verluste auf als beim Transport von Strom. Es ist auch möglich, das bestehende Erdgasnetz zum Transport von Wasserstoff zu nutzen.

Speicherung

Wasserstoff kann in bereits vorhandenen Erdgaskavernen mit großen Speicherkapazitäten gespeichert werden. Die gravimetrische Dichte von Wasserstoff, also das Verhältnis von Energie zu Gewicht, ist sehr hoch. Mit wenig Wasserstoff lässt sich viel Energie speichern.

Auch Wasserstoffbusse erzeugen lokal keine Schadstoffe und sind leiser als Busse mit Verbrennungsmotoren. Zudem haben sie im Vergleich zur batterie-elektrischen Alternative höhere Reichweiten, können gut im Mehrschichtbetrieb und hügeligem Gelände eingesetzt werden. So kann Wasserstoff die Lebensqualität in den Städten und dem ländlichen Raum verbessern.

Im Schwerlastbereich (LKW) ermöglichen Wasserstoff-Brennstoffzellen hohe Reichweiten bei vergleichbarer Nutzlast wie ein Diesel-LKW bei gleichzeitig kürzeren Betankungszeiten als bei batterieelektrischen Fahrzeugen. Die hohe Flexibilität ist für viele Logistikunternehmen entscheidend.

Gabelstapler, die über Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Energie versorgt werden, haben keine lokalen Emissionen und können daher auch in Innenbereichen eingesetzt werden. Durch kurze Tankzeiten können die Gabelstapler im Mehrschichtbetrieb dauerhaft eingesetzt werden.

Züge, zum Beispiel im Regionalverkehr, können Wasserstoff auch auf Routen nutzen, die nicht mit einer Oberleitung ausgestattet sind. Aufgrund der geringen Auslastung werden dort Züge mit Diesel-Kraftstoff betrieben. Wasserstoff bietet eine klimafreundliche, flexible Alternative mit vergleichbarer Leistung.

Wasserstoff-Brennstoffzellen-PKW ermöglichen lokal emissionsfreies Fahren, das in Bezug auf Reichweite und Leistung dem Fahren eines PKW mit Verbrennungsmotor nahekommt.

Wasserstoff kann in Druckgasbehältern per LKW transportiert werden. Bei größeren Entfernungen kann der Wasserstoff auch in flüssiger Form per LKW oder Schiff transportiert werden. Sehr große Mengen Wasserstoff können auch effizient in einer Pipeline transportiert werden. Hier besteht die Möglichkeit, bereits vorhandene Erdgaspipelines umzurüsten.

Der Heizwert von Wasserstoff beträgt 33 000 kWh pro Tonne. Das bedeutet, bei der Verbrennung von einer Tonne Wasserstoff werden 33 0000 kWh an Energie frei. Wandelt man die Energie im Wasserstoff mithilfe einer Brennstoffzelle in Strom um, erhält man bei einem Wirkungsgrad von 50 % 16 500 kWh Strom pro Tonne Wasserstoff. Damit könnte eine 60W Glühbirne fast 31 Jahre lang leuchten oder ein Staubsauger mit 1,5 kW ein Jahr und 3 Monate durchgehend betrieben werden.

Wasserstoff ist nicht brandfördernd, giftig, radioaktiv, übelriechend, ätzend, krebserregend oder wassergefährdend. Wasserstoff ist kein Treibhausgas und trägt nicht zur Erderwärmung bei.

Die Wasserstoffdrucktanks unterliegen höchsten Sicherheitskriterien. In den seltenen Fällen, in denen ein Wasserstofftank leckt, verflüchtigt sich der Wasserstoff aufgrund der geringen Dichte sehr schnell. Eine Wasserstoffflamme brennt zudem schnell, gerade nach oben und mit geringer Wärmestrahlung.

Wasserstoff ist also nicht gefährlicher als Benzin, wenn man ihn mit der nötigen Sorgfalt einsetzt.

Zurzeit konkurrieren die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie mit seit Jahrzehnten ausgereiften Technologien und Energieträgern. Für die notwendige weitere Kostenreduktion sind daher weitere Skalen- und Massenfertigungseffekte nötig. Mit steigenden Stückzahlen werden die Preise voraussichtlich weiter sinken, so dass sich mehr Betriebe und Privatpersonen für die Anschaffung von Brennstoffzellenfahrzeugen entscheiden werden. Darüber hinaus werden Veränderungen im regulatorischen Rahmen, insbesondere hinsichtlich der Bewertung von CO2 Emissionen, die Wettbewerbsfähigkeit beeinflussen.

Ein weiteres Problem ist die Infrastruktur, das oft als Henne-Ei-Problem beschrieben wird: Es gibt nur wenige Tankstellen, die Fahrzeuge mit Wasserstoff versorgen können. Daher entscheiden sich wenige Menschen für die Anschaffung solcher Fahrzeuge. Je weniger Brennstoffzellenfahrzeuge es gibt, desto geringer ist die Nachfrage. Durch die geringe Nachfrage rentieren sich Wasserstofftankstellen derzeit weniger als bei voller Auslastung. Die Industrie und die Politik haben dieses Problem erkannt und arbeiten im Rahmen von übergreifenden Kooperationen daran, eine Basisinfrastruktur in Deutschland und Europa zu schaffen.

Für einen schnellen Überblick empfehlen wir die folgende Website:

https://h2.live