Das Umwelt-Lexikon

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Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum und spielt eine zentrale Rolle in der Diskussion um nachhaltige Energieträger. Wasserstoffgas, das unter normalen Bedingungen als farb- und geruchloses Gas vorliegt, gewinnt insbesondere im Umweltkontext zunehmend an Bedeutung. Es gilt als vielversprechender Baustein für die Dekarbonisierung verschiedener Sektoren, von der Industrie bis zum Verkehr. Gleichzeitig wirft seine Herstellung, Speicherung und Nutzung komplexe ökologische und technische Fragen auf.

Allgemeine Beschreibung

Wasserstoffgas (H₂) besteht aus zwei Wasserstoffatomen und ist das leichteste aller Gase. Es kommt in der Natur selten in reiner Form vor, da es aufgrund seiner Reaktivität meist an andere Elemente gebunden ist, beispielsweise in Wasser (H₂O) oder Kohlenwasserstoffen. Die Gewinnung von Wasserstoffgas erfolgt daher überwiegend durch chemische oder elektrochemische Verfahren, die Energie erfordern. Je nach Herstellungsmethode wird Wasserstoff in verschiedene Kategorien eingeteilt, die sich in ihrer Umweltbilanz unterscheiden. Diese Klassifizierung erfolgt häufig nach Farben, wobei "grüner Wasserstoff" als besonders umweltfreundlich gilt, da er durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien produziert wird.

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoffgas machen es zu einem vielseitigen Energieträger. Es besitzt eine hohe Energiedichte pro Masse, die etwa dreimal so hoch ist wie die von Benzin. Allerdings ist seine volumetrische Energiedichte gering, was die Speicherung und den Transport herausfordernd gestaltet. Wasserstoffgas kann unter hohem Druck komprimiert oder bei extrem niedrigen Temperaturen verflüssigt werden, um die Speicherdichte zu erhöhen. Beide Methoden erfordern jedoch spezielle Infrastruktur und sind mit Energieverlusten verbunden. Zudem diffundiert Wasserstoff leicht durch viele Materialien, was besondere Anforderungen an Lagerbehälter und Leitungen stellt, um Leckagen zu vermeiden.

Im Umweltkontext wird Wasserstoffgas vor allem als Alternative zu fossilen Brennstoffen diskutiert. Bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasser, sodass keine direkten CO₂-Emissionen freigesetzt werden. Allerdings hängt die ökologische Bilanz stark von der Art der Wasserstoffproduktion ab. Wird Wasserstoff beispielsweise aus Erdgas gewonnen (sogenannter "grauer Wasserstoff"), entstehen erhebliche Mengen an Treibhausgasen. Die Umweltvorteile von Wasserstoffgas kommen daher nur dann voll zum Tragen, wenn es mit nachhaltigen Methoden hergestellt und effizient genutzt wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Rolle von Wasserstoffgas in der Sektorkopplung. Darunter versteht man die Vernetzung verschiedener Energiebereiche, wie Strom, Wärme und Verkehr, um die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern. Wasserstoff kann hier als Speichermedium dienen, um Überschüsse aus erneuerbaren Energien chemisch zu binden und bei Bedarf wieder freizusetzen. Diese Flexibilität macht ihn zu einem Schlüsselelement für die Integration fluktuierender Energiequellen wie Wind- und Solarstrom in das Energiesystem.

Herstellungsverfahren und Umweltauswirkungen

Die Herstellung von Wasserstoffgas erfolgt durch verschiedene Verfahren, die sich in ihrer Umweltbilanz und ihrem Energiebedarf unterscheiden. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist die Dampfreformierung von Erdgas, bei der Methan (CH₄) mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird. Dieses Verfahren ist zwar kostengünstig, führt jedoch zu erheblichen CO₂-Emissionen, sofern das entstehende CO₂ nicht abgeschieden und gespeichert wird (Carbon Capture and Storage, CCS). In diesem Fall spricht man von "blauem Wasserstoff".

Eine umweltfreundlichere Alternative ist die Elektrolyse von Wasser, bei der Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Wird für diesen Prozess Strom aus erneuerbaren Energien verwendet, entsteht "grüner Wasserstoff", der nahezu keine Treibhausgase emittiert. Die Elektrolyse ist jedoch energieintensiv und derzeit noch teurer als die Dampfreformierung. Zudem hängt ihre Umweltbilanz stark von der Art des verwendeten Stroms ab. Wird beispielsweise Strom aus Kohlekraftwerken genutzt, ist die Ökobilanz des erzeugten Wasserstoffs deutlich schlechter.

Weitere Verfahren zur Wasserstoffherstellung umfassen die Biomassevergasung und die photokatalytische Wasserspaltung. Bei der Biomassevergasung wird organisches Material unter hohen Temperaturen und begrenztem Sauerstoffangebot in ein Synthesegas umgewandelt, das Wasserstoff enthält. Dieses Verfahren kann CO₂-neutral sein, sofern die Biomasse nachhaltig angebaut wird. Die photokatalytische Wasserspaltung nutzt Sonnenlicht, um Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Dieses Verfahren befindet sich jedoch noch in der Forschungsphase und ist derzeit nicht wirtschaftlich einsetzbar.

Anwendungsbereiche

• Industrie: Wasserstoffgas wird bereits heute in großem Maßstab in der chemischen Industrie eingesetzt, beispielsweise zur Herstellung von Ammoniak für Düngemittel oder zur Raffination von Erdöl. Durch den Einsatz von grünem Wasserstoff könnten diese Prozesse dekarbonisiert werden. Zudem wird Wasserstoff in der Stahlproduktion als Reduktionsmittel erprobt, um den Einsatz von Kohle zu ersetzen und so die CO₂-Emissionen zu senken.
• Energiespeicherung: Wasserstoffgas kann als Langzeitspeicher für erneuerbare Energien dienen. Überschüssiger Strom aus Wind- oder Solaranlagen wird durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und kann bei Bedarf in Brennstoffzellen oder Gasturbinen wieder in Strom umgewandelt werden. Diese Anwendung ist besonders relevant, um die Schwankungen in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen auszugleichen.
• Verkehr: Im Verkehrssektor wird Wasserstoffgas vor allem in Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt, die Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln und so emissionsfrei fahren. Diese Technologie eignet sich besonders für schwere Fahrzeuge wie Lkw, Busse oder Züge, bei denen Batterien aufgrund ihres Gewichts und der langen Ladezeiten weniger praktikabel sind. Zudem wird Wasserstoff als Treibstoff für Schiffe und Flugzeuge diskutiert, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.
• Wärmeversorgung: Wasserstoff kann in bestehenden Gasnetzen beigemischt oder in speziellen Heizsystemen verbrannt werden, um Gebäude zu beheizen. Allerdings ist die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien für Wärmepumpen in vielen Fällen effizienter. Wasserstoff könnte jedoch eine Rolle spielen, um bestehende Gasinfrastrukturen schrittweise zu dekarbonisieren.

Bekannte Beispiele

• HYBRIT-Projekt (Schweden): Ein Gemeinschaftsprojekt der Unternehmen SSAB, Vattenfall und LKAB, das die Herstellung von fossilfreiem Stahl mithilfe von grünem Wasserstoff erprobt. Ziel ist es, die CO₂-Emissionen der Stahlproduktion deutlich zu reduzieren, indem Wasserstoff anstelle von Kohle als Reduktionsmittel eingesetzt wird.
• Hafen von Rotterdam (Niederlande): Der Hafen entwickelt eine umfangreiche Wasserstoffinfrastruktur, um die Industrie in der Region mit grünem Wasserstoff zu versorgen. Geplant sind Elektrolyseure mit einer Kapazität von mehreren hundert Megawatt sowie Importterminals für Wasserstoff aus Übersee.
• Toyota Mirai (Japan): Eines der ersten Serienfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb, das Wasserstoffgas in elektrische Energie umwandelt. Der Mirai wird vor allem in Japan, den USA und Europa verkauft und dient als Beispiel für die praktische Anwendung von Wasserstoff im Pkw-Bereich.
• H21-Projekt (Großbritannien): Ein Forschungsprojekt, das untersucht, wie das britische Gasnetz auf Wasserstoff umgestellt werden kann. Ziel ist es, die bestehende Infrastruktur zu nutzen, um Haushalte und Industrie mit Wasserstoff zu versorgen und so die CO₂-Emissionen im Wärmesektor zu senken.

Risiken und Herausforderungen

• Energieeffizienz: Die Herstellung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoffgas ist mit erheblichen Energieverlusten verbunden. Besonders die Elektrolyse und die anschließende Rückverstromung in Brennstoffzellen weisen Wirkungsgrade von nur etwa 30 bis 50 Prozent auf. Im Vergleich dazu erreichen Batteriespeicher Wirkungsgrade von über 90 Prozent. Dies macht Wasserstoff in vielen Anwendungen weniger effizient als direkte Stromnutzung.
• Infrastrukturanforderungen: Die Speicherung und der Transport von Wasserstoffgas erfordern spezielle Materialien und Technologien, um Leckagen und Materialermüdung zu vermeiden. Wasserstoff diffundiert leicht durch viele Metalle und kann zu Versprödung führen, was die Lebensdauer von Leitungen und Tanks verkürzt. Zudem ist der Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur mit hohen Investitionen verbunden.
• Kosten: Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist derzeit noch deutlich teurer als die Produktion von grauem oder blauem Wasserstoff. Die Kosten hängen stark von den Strompreisen und der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ab. Langfristig könnten Skaleneffekte und technologische Fortschritte die Kosten senken, doch derzeit ist grüner Wasserstoff nicht wettbewerbsfähig mit fossilen Alternativen.
• Umweltauswirkungen der Produktion: Selbst grüner Wasserstoff ist nicht vollständig frei von Umweltauswirkungen. Die Herstellung von Elektrolyseuren und die Gewinnung der benötigten Rohstoffe, wie Platin oder seltene Erden, sind mit ökologischen und sozialen Herausforderungen verbunden. Zudem kann die großflächige Nutzung von Wasser für die Elektrolyse in wasserarmen Regionen zu Konflikten um die Ressource führen.
• Sicherheitsrisiken: Wasserstoffgas ist hochentzündlich und bildet mit Luft explosive Gemische. Obwohl moderne Sicherheitssysteme das Risiko minimieren, erfordert der Umgang mit Wasserstoff besondere Vorsichtsmaßnahmen, insbesondere in geschlossenen Räumen oder bei der Lagerung in großen Mengen.

Ähnliche Begriffe

• Synthetische Kraftstoffe (E-Fuels): Flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, die mithilfe von Wasserstoff und CO₂ hergestellt werden. Sie gelten als klimaneutral, wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien stammt und das CO₂ aus der Atmosphäre oder aus industriellen Prozessen abgeschieden wird. E-Fuels werden vor allem für Anwendungen diskutiert, bei denen eine direkte Elektrifizierung schwierig ist, wie im Flug- oder Schiffsverkehr.
• Power-to-Gas: Ein Verfahren, bei dem überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien in gasförmige Energieträger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt wird. Power-to-Gas ermöglicht die Speicherung und den Transport von Energie in bestehenden Gasnetzen und trägt so zur Flexibilisierung des Energiesystems bei.
• Brennstoffzelle: Ein elektrochemisches Gerät, das Wasserstoffgas und Sauerstoff in elektrische Energie umwandelt, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Brennstoffzellen werden in Fahrzeugen, stationären Anwendungen und tragbaren Geräten eingesetzt und gelten als Schlüsseltechnologie für die Nutzung von Wasserstoff.

Zusammenfassung

Wasserstoffgas ist ein vielseitiger Energieträger, der im Umweltkontext als wichtiger Baustein für die Dekarbonisierung verschiedener Sektoren gilt. Seine Herstellung, Speicherung und Nutzung sind jedoch mit technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Herausforderungen verbunden. Während grüner Wasserstoff, der mit erneuerbaren Energien produziert wird, nahezu emissionsfrei ist, hängt seine Umweltbilanz stark von der Art der Stromerzeugung und der Effizienz der Prozesse ab. Anwendungsbereiche wie die Industrie, der Verkehr und die Energiespeicherung zeigen das Potenzial von Wasserstoff, doch seine breite Einführung erfordert erhebliche Investitionen in Infrastruktur und Technologie. Gleichzeitig müssen Risiken wie Energieverluste, Kosten und Sicherheitsaspekte sorgfältig abgewogen werden. Langfristig könnte Wasserstoffgas eine zentrale Rolle in einem klimaneutralen Energiesystem spielen, sofern es gelingt, die Herstellung nachhaltig und wirtschaftlich zu gestalten.

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Quellen: Internationale Energieagentur (IEA) – "The Future of Hydrogen" (2019); Europäische Kommission – "A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe" (2020); Umweltbundesamt – "Wasserstoff als Energieträger" (2021).