Wasserstoff H2

Warum Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff kann auf eine lange Tradition als Energieträger und chemischer Rohstoff zurückblicken. Sein hoher Energieinhalt - bei 1 kg Gewicht etwa 3,5 l Öl entsprechend - zeichnete ihn schon früh als idealen Treibstoff dort aus, wo das Gewicht vor dem Volumen eine dominante Rolle spielt: Zum Auftrieb eines Ballons oder Zeppelins und später als Treibstoff für Raumfahrzeuge. In der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts beruhte die gesamte Gasversorgung auf Stadtgas, einem Kohlegas, das zu mehr als der Hälfte aus Wasserstoff besteht. Erst mit der Erschließung der Erdöl- und Erdgasvorkommen wurde Wasserstoff nach und nach aus den öffentlichen Leitungsnetzen verdrängt. Noch im Jahr 1992 wurde der Einsatz von fast 3 Mrd. m3 Stadtgas (und hiervon etwa ein Drittel in den alten Bundesländern) im privaten Haushalts- und Kleinverbraucherbereich in Deutschland getätigt. Dies entspricht etwa 10 % des Erdgaseinsatzes in diesen Bereichen. Während die Verdrängung des Wasserstoffs als Energieträger mit abnehmendem Kohleeinsatz im Energiesektor erfolgte, werden ihm dort langfristig gute Chancen für eine Wiederkehr eingeräumt, sofern seine Vorteile der regenerativen Erzeugung und der Kohlenstofffreiheit entsprechend nachgefragt werden. Warum aber sollte diese Nachfrage künftig wieder steigen? In der lokalen Emissionsbilanz erfolgt der große Quantensprung bereits durch eine Umstellung von Benzin und Diesel auf Erdgas. Wasserstoff erbringt hier Vorteile jenseits der bestehenden und angedachten Emissionsnormen. Ein Einsatz kann daher nur dort sinnvoll sein, wo neben die lokale Emissionsarmut noch andere Vorteile treten. Als Sekundärenergieträger bietet Wasserstoff die Chance, durch Änderung der Energieträgeranteile schrittweise von CO2-emittierendem zu CO2-freiem Verkehr unter Beibehaltung der Anwendungstechnologie umzuwechseln. Basis einer langfristigen Umstellung bildet einerseits die Sorge um die Endlichkeit fossiler Energierohstoffe, andererseits das Gebot, alle (und insbesondere auch die klimarelevanten) Emissionen drastisch zu reduzieren. Hierbei ist es unerheblich, ob die Endlichkeit der Ressourcen oder das Schadstoffaufnahmevermögen der Atmosphäre eher das Handeln diktiert. Erst vor diesem Hintergrund im Verbund mit regenerativer Energieerzeugung kommt Wasserstoff eine strategische Bedeutung zu

 
• zur Speicherung von Energie,
 
• zum Transport von Energie und
 
• als schadstofffreier mobiler Energieträger.

Akzeptiert man diese Überlegungen, so wird aufgrund der langen Vorlaufzeiten bis zur Erlangung relevanter Marktanteile eine frühzeitige kontinuierliche Entwicklung, Erprobung und Demonstration notwendig, die bereits heute begonnen werden muss.

Der Einstieg in eine Wasserstoffenergiewirtschaft in großem Stile wird auch dann als wichtige Option gesehen, wenn der Beitrag von fluktuierend einspeisenden Stromerzeugern (Windenergie, Sonnenenergie) ein solches Ausmaß erreicht, dass Stromangebot und -nachfrage nur über einen Speicher angepasst werden können. Simulationsrechnungen mit den Eckdaten der deutschen Stromwirtschaft zeigen, daß dies bei einem Anteil regenerativer Energieträger von etwa 20 - 25 % am Strommix notwendig wird, wobei diese Grenze nicht starr zu sehen ist. Als „Speichermedium" von Strom hat Wasserstoff heute die attraktivsten Eigenschaften: Gegenüber der Stromspeicherung in Akkumulatoren ist der Materialaufwand um ein Vielfaches geringer. In kleinem Stile wird diese Anwendungsvariante im energieautark versorgten Solarhaus des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme praktiziert. Nicht benötigter Solarstrom wird dort in einem 5 m3 Wasserstofftank gespeichert und wahlweise zur Heizungsunterstützung, zum Kochen oder zur Rückverstromung in Zeiten schwachen Solarangebots genutzt. Wollte man dieselbe Energiemenge in Akkumulatoren speichern, so wäre ein Bleiakkumulator von mehr als 40 t Gewicht und 100 m3 Volumen vonnöten.

Unabhängig von diesen Langfristoptionen bietet sich Wasserstoff als schadstofffreier Treibstoff für Verkehrsanwendungen an, wobei zunächst Straßenfahrzeuge zur Emissionsentlastung von Innenstädten gesehen werden, langfristig jedoch alle Verkehrsmittel hiervon betroffen sein könnten, seien es Schiffe, Eisenbahnen oder Flugzeuge. Den Vorteilen der Schadstofffreiheit und des geringen Treibstoffgewichts steht jedoch ein großes Tankvolumen und Tankgewicht gegenüber, das bei kleinen Fahrzeugen Einschränkungen an die Reichweite und Nutzlast vorgibt.

Neben diesen drei großen Bereichen zeichnet sich in den letzten Jahren durch die Entwicklungsfortschritte bei Brennstoffzellen als frühzeitige Nischenanwendung auch die Verstromung von Wasserstoff ab. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Herstellungskosten in den Bereich der Kosten konventioneller Technologien gerückt werden können. Die weltweiten Bemühungen der auf diesem Gebiet führenden Unternehmen deuten darauf hin, daß ein Markteintritt in großem Stile um die Jahrtausendwende erwartet werden kann. Sollten sich hier die Erwartungen erfüllen, so könnte die Brennstoffzelle (ähnlich der Photovoltaik) schon früh im kommenden Jahrhundert eine Umwälzung der gesamten Energiewirtschaft einleiten, die in ihrer Dynamik und Dimension mit der Verdrängung des Transistors durch die Mikroelektronik und deren Auswirkungen auf den gesamten Medien- und Kommunikationssektor vergleichbar sein dürfte.

Verfolgt man nun die Strategie, Wasserstoff langfristig als Energieträger zu etablieren, so bieten sich die frühen "Nischenanwendungen" im Verkehrsbereich oder über die Brennstoffzelle als erste Märkte an. In der Umgebung konventioneller Wasserstofferzeuger aus der Chemie kann in einer ersten Phase eine kostengünstige Einführung und Erprobung stattfinden. Hierdurch könnte sich innerhalb der kommenden fünf bis zehn Jahre ein ökonomischer Markteinstieg eröffnen, der mittelfristig über Importwasserstoff und weitere Wasserstoffquellen (z.B. Biomassevergasung) tragfähig ausgebaut werden könnte. 

Eigenschaften von Wasserstoff

Physikalische Daten zum Wasserstoff:

Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses und vollkommen ungiftiges Gas. Sein spezifisches Gewicht ist 0,0899 g/l (Luft ist 14,4 mal so schwer).

Wasserstoff siedet bei - 252,77oC. Flüssigwasserstoff hat ein spezifisches Gewicht von 70,99 g/l.

Damit hat Wasserstoff von allen Brenn- und Treibstoffen die höchste massebezogene Energiedichte: 1 kg Wasserstoff enthält ebensoviel Energie wie 2,1 kg Erdgas oder 2,8 kg Benzin (bezogen auf den unteren Heizwert).

Die volumenbezogene Energiedichte von flüssigem Wasserstoff beträgt etwa 1/4 derjenigen von Benzin und etwa 1/3 derjenigen von Erdgas. Der Gewichtsanteil von Wasserstoff an Wasser beträgt 11,2 %.

Umweltvorteile von Wasserstoff

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen entstehen bei geeigneter Verbrennungsführung nur sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen.

Stickoxidemissionen nehmen bei der Verbrennung exponentiell mit der Verbrennungstemperatur zu. Sie lassen sie sich durch eine geeignete Prozessführung beeinflussen. Da Wasserstoff hier größere Freiheiten als andere Brennstoffe bietet, ist eine deutliche Minderung der NOx-Emissionen gegenüber Kraft- und Brennstoffe auf Basis von Mineralöl oder Erdgas möglich, sofern eine niedrige Verbrennungstemperatur erreicht wird (z.B. mit hohem Luftüberschuss).

Beim Einsatz von Wasserstoff in Niedertemperatur-Brennstoffzellen (z.B. Membranbrennstoffzellen: PEMFC) werden Schadstoffemissionen vollständig vermieden. Es entsteht als Reaktionsprodukt bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Luftsauerstoff nur demineralisiertes Wasser.

Der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen mit höherer Betriebstemperatur verursacht verglichen mit konventionellen Kraftwerken um bis zu 100 mal geringere Emissionen.

Wasserstoff als Sekundärenergieträger bietet die Möglichkeit verschiedenste erneuerbare Energien flexibel in den Brenn- und Kraftstoffsektor einzuführen.

Zur Beurteilung der Umweltrelevanz ist die gesamte Brennstoffkette von der Primärenergie bis zur Endanwendung zu betrachten.

Herstellung von Wasserstoff

Der Energieträger Wasserstoff lässt sich nicht wie Kohle oder Erdöl fördern: er ist aus anderen chemischen Verbindungen herzustellen. Deshalb spricht man von einem Sekundärenergieträger (ähnlich wie bei Strom).

Das beste Beispiel für eine Wasserstoff-Verbindung ist natürlich Wasser. Zwei Wasserstoff-Atome und ein Sauerstoff-Atom bilden zusammen Wasser. Aber es gibt noch viele andere Stoffe, in denen Wasserstoff enthalten ist.

Organische Verbindungen enthalten neben Kohlenstoff in der Regel auch Wasserstoff. Ein Beispiel hierfür ist Methan (Hauptbestandteil von Erdgas), das aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen besteht.

Pflanzen bestehen aus organischen Verbindungen, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten. Biomüll, Pflanzenabfälle, Restholz oder eigens dafür angebaute Pflanzen wie Raps oder spezielle Gräser - ganz allgemein Biomasse - bestehen zum größten Teil aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.

Unabhängig vom Ausgangsstoff ist Wasserstoff über einen Herstellprozess zu gewinnen. Hierfür wird Energie benötigt. Vorteilhaft bei der Nutzung von Wasserstoff ist, dass die Energie zu seiner Gewinnung nicht unbedingt aus fossilen Energieträgern stammen muss. Auch Windenergie, Solarenergie oder Wasserkraft sind Primärenergien!

Die Produktion von Wasserstoff ist nicht wirklich neu. Weltweit werden derzeit über 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff produziert, gespeichert, transportiert und angewendet. Dies geschieht hauptsächlich in der chemischen und petrochemischen Industrie.

Chemische Produktion

Allgemeines
Von den weltweit umgesetzten etwa 500 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff stammt der weitaus größte Teil aus fossilen Quellen (Erdgas, Erdöl) bzw. fällt in der chemischen Industrie als Nebenprodukt-Wasserstoff aus chemischen Prozessen an. Besonders viel Wasserstoff fällt etwa bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse und bei Rohölraffinerieprozessen an. Alles in allem beläuft sich die Wasserstofferzeugung als Nebenprodukt auf ca. 190 Mrd. Kubikmeter weltweit.

Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern werden eingesetzt:

 
• Kleine Reformer
  Um in naher Zukunft bereits Wasserstoff in Systemen mit Brennstoffzellen nutzen zu können, werden kleine Reformer entwickelt. Diese Systeme sind insbesondere für kleine stationäre Systeme gedacht um aus Erdgas Wasserstoff zu gewinnen.
  Für mobile Anwendungen ist die Entwicklung von Reformern an Bord von Fahrzeugen eher in den Hintergrund getreten. Allenfalls für Spezialanwendungen, etwa zur  Bordstromversorgung, wird dieser Weg noch verfolgt. Hier ist vor allem die Reformierung von Benzin oder Diesel interessant. Dagegen sind kleine mit Erdgas versorgte Dampfreformer, die z.B. an Tankstellen aufgestellt werden, in den letzten Jahren immer leistungsfähiger und effizienter geworden. Sie sind insbesondere für Tankstellen mit hohem Durchsatz, etwa an der Autobahn, eine interessante Option.
• Die Dampfreformierung
  Unter Dampfreformierung versteht man die endotherme katalytische Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen (Methan bis Naphtha) zu Synthesegas (einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff). Diese Prozesse laufen großtechnisch üblicherweise bei Temperaturen von 850 °C und Drücken von etwa 2 bis 3 MPa (20 bis 50 bar) ab.
  Für die Erzeugung von reinem Wasserstoff wird das Kohlenmonoxid zum großen Teil in der so genannten "Shift-Reaktion" mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt.
  Das Kohlendioxid und die anderen unerwünschten Bestandteile (z.B. nicht umgesetztes Methan und Kohlenmonoxid) werden anschließend durch Adsorption oder Membranabtrennung aus dem Gasgemisch entfernt. Das abgetrennte Restgas mit ca. 60 % brennbaren Anteilen (H2, CH4, CO) wird zusammen mit einer Teilmenge des Einsatzgases zur Befeuerung des Reformers verwendet.
  Die großtechnische Wasserstofferzeugung wird in Dampfreformierungsanlagen mit üblichen Kapazitäten von 100.000 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde durchgeführt. Diese Anlagen werden z.B. von den Firmen Linde, Lurgi und Foster Wheeler gebaut.
• Partielle Oxidation
  Unter partieller Oxidation versteht man die thermische Umsetzung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff zu Synthesegas (einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff). Das Verfahren wird im Fall von Erdgas hauptsächlich dazu verwendet, um ein Synthesegas mit einem für die Synthese von flüssigen Kohlenwasserstoffen geeigneten H2/CO-Verhältnis zu produzieren (Fischer-Tropsch-Synthese). Darüber hinaus wird es zur Umsetzung von schweren Kohlenwasserstoffen (z.B. Rückstandsöl aus der Erdölverarbeitung) eingesetzt.
  Dieses Verfahren der Wasserstoff-Herstellung lässt sich auch mit Kohle betreiben. Die Kohle wird fein zermahlen und mit Wasser zu einer pumpfähigen Suspension mit 50 - 70 % Feststoffgehalt vermischt und anschließend mit Sauerstoff zu einem wasserstoffreichen Gas umgesetzt. Sollte Wasserstoff mittel- bis langfristig in nennenswertem Umfang in die Energiewirtschaft Eingang finden, so ist unter den gegebenen umweltspezifischen Gesichtspunkten (CO2-Minderung) die Gewinnung durch konventionelle Dampfreformierung oder partielle Oxidation aus Erdgas, Erdöl oder Kohle keine nachhaltige Lösung und nur für eine Übergangsphase sinnvoll.

Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse

Allgemeines
In einer zunehmend auf erneuerbaren Energien basierenden Energiewirtschaft wird „elektrischer Strom“ ein wichtiger Energieträger werden. Wasserkraft, Windenergie und Fotovoltaik produzieren direkt elektrischen Strom und auch die Verstromung von Biomasse und Biogas kann aus regeltechnischen Gründen eine sinnvolle Ergänzung darstellen. Obwohl es natürlich am sinnvollsten ist den Strom direkt zu nutzen, entsteht aus der Dominanz des Energieträgers „Elektrizität“ die Notwendigkeit der Speicherung um Abweichungen zwischen Nachfrage und Angebot ausgleichen zu können. Zusätzlich ist mit dem Angebot von viel erneuerbarem Strom das Kraftstoffproblem für Fahrzeuge noch nicht gelöst. Beides kann der Wasserstoff leisten. Hierzu muss jedoch elektrischer Strom in speicherbaren Wasserstoff gewandelt werden. Dies geschieht technisch mittels Elektrolyse.
Die Wasserelektrolyse wird in ihrer konventionellen Form, der alkalischen Elektrolyse, seit über 80 Jahren kommerziell eingesetzt.

Prinzipielle Beschreibung
Die Wasserzersetzung durch die Elektrolyse besteht aus zwei Teilreaktionen an den beiden Elektroden, die durch einen Ionen leitenden Elektrolyten getrennt sind.
An der negativen Elektrode (Kathode) entsteht Wasserstoff und an der positiven Elektrode (Anode) Sauerstoff. Der notwendige Ladungsausgleich findet durch Ionen Leitung statt. Um die Produktgase getrennt zu halten, sind die beiden Reaktionsräume durch einen Ionen durchlässigen Separator (Diaphragma) zu trennen.
Die Energie zur Wasserspaltung wird durch die Zuführung von elektrischer Energie bereitgestellt.

Folgende Varianten der Elektrolyse gibt es:

• Alkalische Wasserelektrolyse
  Die Alkalielektrolyse arbeitet mit einem alkalischen, wässrigen Elektrolyten (Kalilauge). Kathoden- und Anodenraum sind durch ein mikroporöses Diaphragma getrennt, um die Vermischung der Produktgase zu verhindern. Die früher verwendeten Asbest-Diaphragmen werden inzwischen durch andere Materialien ersetzt. Bei Ausgangsüberdrücken von bis zu 3,0 MPa werden bezogen auf den unteren Heizwert des Wasserstoffs Wirkungsgrade um 65 bis 70 % erreicht.
  Auf dem Markt verfügbar sind sowohl Elektrolyseure die bei Umgebungsdruck arbeiten, als auch Druckelektrolyseure. Da der Wasserstoff in der Regel Drücken größer dem Umgebungsdruck gespeichert wird, sind Druckelektrolyseure von Vorteil (Einsparung von Strom für die Verdichtung, niedrigerer Platzbedarf und niedrigerer Investitionsbedarf aufgrund weniger Kompressorstufen).
  Moderne Elektrolyseanlagen eignen sich für fluktuierenden Betrieb und sind damit in Kombination mit regenerativen Stromerzeugungstechnologien einsetzbar.
• PEM-Wasserelektrolyse
  Im Gegensatz zu den alkalischen Elektrolyseuren, bei denen Kalilauge verwendet wird, dient hier eine protonenleitende Membran als Elektrolyt ("Proton-Exchange-Membrane"). Die bisher angebotenen PEM-Elektrolyseure von Distributed Energy Systems in den USA erreichen Wirkungsgrade von etwa 50 %. Die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs liegt bei mehr als 99,999 %. Hydro gibt für seinen PEM-Elektrolyseur einen Wirkungsgrad von etwa 68 % (4,4 kWh/Nm3) bezogen auf den unteren Heizwert des erzeugten Wasserstoffs an. Die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs beträgt 99,9 %.
  Der Ausgangsdruck des erzeugten Wasserstoffs beträgt 1.6 MPa (absolut) bei Distributed Energy Systems und 3.1 MPa (absolut) bei Hydro. Elektrolyseure, die Wasserstoff mit einem Druckniveau von 13,8 MPa und darüber bereitstellen, sind in der Entwicklung.
• Hochtemperatur-Elektrolyse
  Hochtemperatur-Elektrolyseure werden seit einigen Jahren als interessante Alternative diskutiert. Vorteil wäre, einen Teil der Dissoziationsenergie des Wassers in Form von Hochtemperaturwärme um 800 - 1000°C einzubringen, um dann mit reduziertem elektrischem Aufwand die Elektrolyse zu vollziehen. Die Überlegungen zielen dahin, die in einem Solarkonzentrator produzierte Wärme zu nutzen. Denkbar wären etwa solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung (Parabolrinnenkraftwerk) in Kombination mit einem solaren Turmkraftwerk in welchem Temperaturen von über 1000°C erzeugt werden können. Der elektrische Wirkungsgrad der Elektrolyse ließe sich so auf bis zu 90% steigern. Dies ist jedoch nur möglich in  Ländern mit viel direkter Sonnenstrahlung.

Die Technik befindet sich im Stadium der Grundlagenforschung.

Wasserstoff aus Biomasse

Allgemeines
Verfahren zur direkten Gewinnung von Wasserstoff aus Biomasse sind heute technisch bereits prinzipiell realisierbar. Da es abgesehen von der petrochemischen Verwendung noch keinen kommerziellen Markt für Wasserstoff als Energieträger gibt, werden Vergasungsanlagen nicht für die Produktion von reinem Wasserstoff gebaut. Stattdessen wird das wasserstoffreiche Synthesegas aus der Vergasungsanlage direkt in einem Gasmotor verstromt um diesen zusammen mit einem Wärmeüberschuss zu verkaufen. Gleiches gilt für Biogas aus der Fermentation. Für die derzeitige kommerzielle Nutzung wäre der Wasserstoff aus Biomasse gegenüber dem aus Erdgas nicht konkurrenzfähig. Würde allerdings der Biomasse-Wasserstoff für Fahrzeugkraftstoffe eingesetzt, wäre er etwa genauso konkurrenzfähig wie die flüssigen Biokraftstoffe der zweiten Generation (z.B. BTL).
Man unterscheidet zwischen Methoden zur Wasserstofferzeugung mittels Vergasung aus fester Biomasse (z.B. Holz oder trockener Abfallbiomasse), der Vergärung von nasser Biomasse mit niedrigem Ligningehalt sowie der biologischen Wasserstofferzeugung. Der Wirkungsgrad der direkten Wasserstofferzeugung aus Biomasse ist in jedem Fall höher als der "Umweg" über die Verstromung der Biomasse mit anschließender Elektrolyse.

• Die Biomassevergasung
  Mittels Vergasung kann ein geeigneter organischer Feststoff in ein gasförmiges Produkt überführt werden. Bekannt sind etwa die Kohlevergasung oder auch die Vergasung von Holz. Aber auch viele andere Biomassearten wie etwa Gras und Stroh oder fester biologischer Abfall sind geeignet.
  Vor der eigentlichen Vergasung zerfällt die organische Substanz unter Wärmezufuhr in Koks, Kondensat und Gase. Dieser Vorgang wird als thermische Zersetzung oder Pyrolyse bezeichnet. Die Anwesenheit von Sauerstoff im Reaktor führt anstatt zur Reformierung zur partiellen Oxidation der Zwischenprodukte.
  Bei der Wasserdampfvergasung von Biomasse entsteht (je nach Biomasse und Vergasungstechnologie) ein Gasgemisch aus etwa:
  - 47 % Wasserstoff,
  - 15 % Kohlenmonoxid,
  - 10 % Methan.
  In einer zweiten Stufe, der Shift-Reaktion, wird das Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Anschließend wird das Gasgemisch in einer Druckwechselabsorptionsanlage in reinen Wasserstoff und Restgas getrennt. Die Restgase werden in einem Gasmotor verstromt. Aus dem in der Pyrolysestufe entstehenden Koks wird Wärme für die Erwärmung des Wärmeträgers (z.B. Kurundkugeln oder Sand) gewonnen. Über den Wärmträger wird die zur Aufrechterhaltung des Vergasungsprozesses erforderliche Wärme in den Prozess eingekoppelt.
• Vergärung von Biomasse
  Durch anaerobe Methangärung kann Biogas erzeugt werden. Dieses enthält hohe Anteile an Methan (50-70%) und Kohlendioxid (30-50%). Dieses Gasgemisch kann als Brenngas für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen dienen (MCFC), wobei die Methanreformierung aufgrund der hohen Temperaturen (~ 650 °C) direkt an der Elektrode erfolgen kann. Vor der Verwendung in Membran-Brennstoffzellen (PEM) ist das Gas in einer Reformieranlage zu reinem Wasserstoff umzusetzen.
• Biologische Wasserstoffproduktion
  Es gibt verschiedene biologische Prozesse, bei denen Wasserstoff freigesetzt wird oder als Zwischenprodukt auftritt. Hier kann man prinzipiell zwei Prozesstypen unterscheiden: Die Photosynthese, zu deren Ablauf Licht benötigt wird und die Fermentation, die in Dunkelheit abläuft. Algen und Mikroorganismen übernehmen jeweils die Wasserstoffproduktion.

Diese Verfahren der Wasserstoff-Erzeugung sind auf dem Stand der Grundlagenforschung.

Speicherung von Wasserstoff

Allgemeines
Wasserstoff dient als Speicher- und Transportmedium für Energie. Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Wege, Wasserstoff zu speichern:

die Druckspeicherung

die Speicherung von flüssigem Wasserstoff

Absorptionsspeicher

Alle drei Speichermethoden haben ihre Vor- und Nachteile, die sie jeweils für unterschiedliche Aufgaben qualifizieren.

• Druckspeicherung
  Die Druckgasspeicherung
  Von Druckspeicherung spricht man immer dann, wenn ein Gas unter einem höheren Druck als dem Normaldruck gespeichert wird. Tanks für die Druckspeicherung unterscheiden sich im Aufbau je nach Einsatzgebiet und dem dort erforderlichen Druckniveau. Bei stationären Behältern spielt das Volumen meist weniger eine entscheidende Rolle. Im mobilen Einsatz, etwa in einem Kraftfahrzeug, gibt es allerdings wenig Platz und zusätzlich muss der Speicher leicht sein. Derzeit werden Drucktanks von den meisten Autoherstellern bevorzugt, das Druckniveau beträgt bis zu 70 MPa (700 bar). Bei diesem Druckniveau lassen sich mit Brennstoffzellenfahrzeugen bereits heute Reichweiten vergleichbar mit Benzinfahrzeugen realisieren.
  Moderne Druckspeicher sind aus Verbundmaterialien (dünne Innenbehälter aus Aluminium oder Polyethylen, die außen mit Kohle- bzw. Glasfaser verstärkt sind). Diese Konstruktionenn  sind sehr viel leichter als Stahlflaschen.
  Große Mengen Wasserstoff für die Energiewirtschaft können zukünftig in unterirdischen Kavernenspeichern eingelagert werden. Dort kann der Wasserstoff unter bis zu  5 MPa (50 bar) Druck gespeichert werden. In den USA und in Frankreich wird dieses Verfahren bereits angewendet. Bei uns in Deutschland lagert Erdgas in solchen Kavernen. Man könnte sie zukünftig für die Wasserstoffspeicherung nutzen.



• Flüssige Speicher
  Flüssiggasspeicherung
  Die höchste Speicherdichte bezogen auf das reine Speichervolumen hat Wasserstoff, wenn er vor der Speicherung verflüssigt wird. Flüssig wird Wasserstoff bei -253 Grad Celsius.
  Kryotanks, so nennt man Tanks für flüssig, tiefkalte Gase, haben heute sehr hohe Isolationseigenschaften, wodurch die Verluste durch Erwärmung (Abdampfverluste) gering gehalten werden. Die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form bietet sich für Fahrzeuge an, da der Energieinhalt von Flüssigwasserstoff, bezogen auf das Gewicht, der größte überhaupt mögliche ist. Darum wird in der Raumfahrt Flüssigwasserstoff als Raketentreibstoff verwendet. Den günstigen Gewichtswerten steht ein ungünstiger Volumenwert gegenüber, vor allem da der Tank sehr gut isoliert sein muss. In der Praxis hat Flüssigwasserstoff gegenüber der Druckvariante aber auch Nachteile. So lassen sich bei längeren Standzeiten von Fahrzeugen Abdampfverluste nicht vollständig vermeiden.
  Stationäre Speicher für flüssig tiefkalten Wasserstoff wird man einsetzen, wenn der Wasserstoff entweder flüssig benötigt wird oder wenn er aus Platzgründen per LKW angeliefert werden muss. Er kann dann an der Tankstelle zu gasförmigem Wasserstoff verdampft werden. Grundsätzlich ist der Energieaufwand zur Bereitstellung von Flüssigwasserstoff etwas höher als bei Druckwasserstoff. Allerdings ist eine Anlieferung von Druckwasserstoff per LKW nur bei sehr kurzen Entfernungen sinnvoll. Eine Alternative ist, dass der Wasserstoff direkt an der Tankstelle erzeugt wird.



• Andere Speicher
  Metallhydridspeicher
  In dieser Speichertechnologie nutzt man bestimmte Metalllegierungen, die Wasserstoff speichern. Dies kann man sich vorstellen wie einen Schwamm, der sich voll Wasser saugt. Dabei wird der Wasserstoff vom Metall adsorbiert und es bilden sich Metallhydride.
  Wird ein Metallhydrid mit Wasserstoff "gefüllt", gibt er Wärme ab. Möchte man den Wasserstoff wieder zurück haben, muss man Wärme zuführen.
  Bezogen auf das Volumen ergeben sich bei Metallhydridspeichern sehr gute Werte für die Speicherkapazität. Leider sind die Speicher vergleichsweise schwer, so dass man auf ihren Einsatz für die mobile Anwendung derzeit absieht. Zudem sind diese Speicher auf Grund der hohen Materialkosten vergleichsweise teuer.
  Metallhydridspeicher haben deutliche Vorteile in Handhabung und Sicherheit. Sie arbeiten fast bei Normaldruck, zeigen keine Abdampfverluste und haben außerdem eine reinigende Wirkung für den Wasserstoff. Der Wasserstoff wird durch Wärme freigesetzt, dadurch bleibt der Wasserstoff bei Beschädigung des Speichers gebunden.
  Kommerziell eingesetzt werden diese Speicher heute z.B. in U-Booten.
  Adsorptionsspeicher
  Neben Druck- und Flüssiggasspeichern gibt es noch andere Methoden für die Speicherung von Wasserstoff. Materialien mit großer innerer Oberfläche und geeigneter Porengröße haben die Eigenschaft, bestimmte Gase bevorzugt anzulagern oder den Ablauf chemischer Reaktionen zu beschleunigen. Daher werden diese bevorzugt zur Gasreinigung, aber auch als Katalysator Material verwendet. Poröser Kohlenstoff aber auch Zeolithe sind seit langem bekannte Materialien mit geeigneten Eigenschaften.
  Erst in jüngerer Zeit wurde durch die gezielte Kombination organischer und anorganischer Bausteine eine neue Materialklasse, sog. Koordinationspolymere, synthetisiert, die es erlaubt innere Oberfläche und Porosität gezielt zu beeinflussen. Koordinationspolymere erreichen innere Oberflächen von teilweise weit über 3000 m²/g. Daher wird Ihnen auch ein Potenzial zur Gasspeicherung, insbesondere Kohlendioxid, Methan oder Wasserstoff, zugeschrieben und teilweise auch beobachtet. Bei kryogenen Temperaturen und Drücken bis zu 90 bar wurde an den besten Materialien (speziellen sogenannten Metal-Organic Frameworks oder kurz MOF) im Labor eine reversible Wasserstoffspeicherfähigkeit um die 10 Gewichtsprozent und eine Volumenspeicherfähigkeit bis zu 50 g/Liter gemessen. Bis heute gibt es allerdings kein funktionierendes Speichersystem aus diesen Materialien, das Speichereigenschaften besser als aktiver poröser Kohlenstoff aufweisen würde. Die Operationsdynamik über einen weiten Druck- und Temperaturbereich erfordert ein komplexes Speichermangement (z.B. Abwärme beim Betanken), das heute erst in Ansätzen entwickelt wird.
  Aus heutiger Sicht eröffnet die Synthese neuer Materialien die Möglichkeit, für eine Wasserstoffspeicherung besser geeignete und kostengünstige Materialien zu entwickeln Allerdings ist noch nicht absehbar, dass aus diesen Bemühungen auch ein Speichersystem entwickelt werden kann, dass den im Alltag erforderlichen Ansprüchen gerecht wird, und den oben skizzierten konventionellen Möglichkeiten überlegen ist.

Transport von Wasserstoff

Grundsätzlich lässt sich Wasserstoff mit allen vorgestellten Speichertechnologien auch transportieren. Die Behälter fallen entsprechend groß aus.

• Flüssigwasserstoff (LH2) kann beispielsweise in speziellen Tanks per LKW transportiert werden. In den USA gibt es eine 400 m lange Pipeline für die Versorgung mit Flüssigwasserstoff.
• Gasförmiger Wasserstoff (GH2) wird heute in Form von einzelnen Speicherflaschen oder in einer Einheit aus mehren Flaschen, sogenannten Flaschenbündeln, oder Batteriefahrzeugen per LKW oder Eisenbahn vom Produzenten zum Verbraucher geliefert. Zusätzlich gibt es die Option, ein Pipelineverteilnetz aufzubauen, welches im Prinzip unseren heutigen Erdgasleitungen entspricht. So könnte einmal jedes Haus mit Wasserstoff statt Erdgas versorgt werden. In Höchst bei Frankfurt gibt es seit 2007 eine 1,7 km lange Druckwasserstoffleitung mit 100 MPa (1000 bar) Betriebsdruck um eine Tankstelle mit 700 bar Zapfsäule zu versorgen. An einer weiteren Option wird offiziell seit Juli 2006 im Projekt icefuel^® geforscht: elf Projektpartner legen darin die Grundlage für den Aufbau eines innovativen Energietransport-, Speicherungs- und Wandlungssystems basierend auf kryogenen Medien wie flüssigem Wasserstoff. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. So könnte einmal jedes Haus mit Wasserstoff statt Erdgas versorgt werden. Mehr Informationen siehe: www.icefuel.de

Im Ruhrgebiet und in Leuna gibt es bereits seit vielen Jahrzehnten ein Netz von Wasserstoffleitungen mit zusammen weit über 100 km Länge.  Weltweit werden rund 1000 Kilometer Wasserstoff-Pipelines betrieben.
Tankschiffe für den Transport von Flüssigwasserstoff können den heute üblichen Tankern für Flüssigerdgas sehr ähnlich sein. Aber auch neue Schiffskonzepte speziell für Flüssigwasserstoff wurden schon im Detail entworfen.

Solange nur kleine Wasserstoffmengen interkontinental transportiert werden, ist der Transport in Containern sinnvoll. Solche Container für Flüssigwasserstoff haben Standardmaße und können weltweit mit Schiff, Zug und Lkw transportiert und an jedem Container-Terminal umgeschlagen werden.

Wo kann Wasserstoff eingesetzt werden

Wasserstoff als Energieträger kann in Zukunft viele Bereiche unseres Lebens verändern. Zusammen mit der Brennstoffzelle hat er das Potenzial, die gesamte Energieversorgung zu revolutionieren.
Ob als Treibstoff im Verkehr oder als Energielieferant zur Strom und Wärmeerzeugung. Wasserstoff ermöglicht den Einsatz erneuerbarer Energieträger in all diesen Bereichen. Wer also mit Solar- oder Windenergie kochen oder Auto fahren möchte, wird dies mit Solarwasserstoff tun können.
Ganz allgemein lassen sich die Einsatzgebiete für den Wasserstoff in drei Bereiche aufteilen: Stationäre-, mobile- und portable Anwendungen.

Mobile Anwendungen
Alle Verkehrsmittel, die wir heute kennen, lassen sich prinzipiell mit Wasserstoff antreiben. Es gibt dafür zwei Möglichkeiten: Der Wasserstoff wird in ganz normalen Motoren verbrannt und ersetzt das Benzin. Die andere Option ist die Verwendung von Brennstoffzellen, die im Fahrzeug elektrische Energie für einen Elektromotor erzeugen, mit dem dann das Fahrzeug angetrieben wird.
Die Verwendung der Brennstoffzelle im Fahrzeug hat einige entscheidende Vorteile: Aus dem Auspuff kommt nur noch Wasser, sie arbeitet geräuschlos und ohne Vibrationen und ist effizienter als ein Verbrennungsmotor: sie spart also Energie. Wenn ein Brennstoffzellen-Auto an der Ampel steht, gibt es keine Geräusche, da auch der Motor stillsteht. Auch die Anfahrgeräusche sind deutlich geringer. Es wird viel leiser in unseren Städten.

 
• PKW mit Brennstoffzelle
  Weltweit entwickeln fast alle großen PKW-Hersteller Versuchsfahrzeuge auf Brennstoffzellen-Basis. In Deutschland übernehmen vor allem Daimler, GM/Opel und Ford eine Vorreiterrolle. BMW hat schon sehr früh Wasserstofffahrzeuge vorgestellt und setzt auf konventionelle Verbrennungsmotoren die mit Wasserstoff betrieben werden. Seit 2007 werden die ersten Wasserstoff-Serienfahrzeuge der 7er Reihe an Kunden verleast. Insgesamt sollen es etwa 100 Fahrzeuge werden.
  Autohersteller in den USA, Europa und Japan haben angekündigt ab 2012 Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt anzubieten. Die fehlende Infrastruktur schränkt den Käuferkreis zunächst auf typische Flottenbetreiber ein. Bis 2018 sollen Wasserstoffautos dann aber allen Käufergruppen angeboten werden und wesentliche Teile der Infrastruktur müssen dann vorhanden sein. Seit 2003 sind Testflotten vieler japanischer, koreanischer und deutscher Autohersteller an ausgewählte Leasingkunden übergeben worden und z.B. im Rahmen der "Clean Energy Partnership Berlin (CEP)" oder der "California Fuel Cell Partnership" in den USA im Einsatz. Insgesamt sind weltweit einige hundert Fahrzeuge in der Erprobung. Ein wichtiges Problem - das es zu lösen gilt - ist der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur. Mit etwa 10.000 Tankstellen ließe sich eine europaweite Grundversorgung realisieren.
 
• Stadtbusse mit Wasserstoff
  Auch für den Antrieb von Bussen gibt es beide Antriebskonzepte. Den Verbrennungsmotor und die Brennstoffzelle. Beide Optionen bieten gegenüber dem Dieselbus den Vorteil wesentlich geringerer lokaler Schadstoffemissionen.
  Im Rahmen verschiedener europäischer Projekte sind Wasserstoffbusse im Linieneinsatz unterwegs. Das für Europa wichtigste Projekt heißt "HyFLEET:CUTE" und im Rahmen dieses Projekts werden insgesamt 47 Busse an 12 Standorten getestet. Die wichtigsten Standorte sind Hamburg, wo 9 Daimler Citaro Brennstoffzellenbusse fahren, und Berlin, wo 14 Busse mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor von MAN ihren Dienst versehen.
 
• LKW, Straßenbahnen, Lokomotiven und Schiffe
  Es gibt kaum ein Verkehrsmittel, für das es noch keine Brennstoffzellen- und Wasserstoff-Konzepte gibt. Bei Straßenbahnen und Lokomotiven wird überall dort der Einsatz diskutiert, wo noch keine Oberleitung existiert bzw. sehr stören würde. Die Mehrkosten für die Brennstoffzellen-Lokomotiven stehen dann den Kosten für die Oberleitung gegenüber.
  Für LKWs werden Wasserstoff und Brennstoffzellen derzeit noch nicht intensiv erprobt, da diese auf der Langstrecke auch mit Diesel sehr effizient fahren.
  Für den innerstädtischen Lieferverkehr sind Brennstoffzellen hingegen sehr interessant, da diese Fahrzeuge meist in einer Flotte betrieben werden und eine definierte Fahrleistung haben. Abends lassen sich diese Fahrzeuge im Depot wieder betanken. Lieferfahrzeuge mit Brennstoffzelle sind bei verschiedenen Paketdiensten bereits in der Erprobung.
  Auf Schiffen ergeben sich besonders im stadtnahen Einsatz erhebliche Emissionsvorteile. Etwa bei Personenfähren oder Rundfahrtdampfern. Zudem sind diese Schiffe sehr leise und für den Fahrgast sehr angenehm, da die Brennstoffzelle geräuschlos arbeitet. Auf großen Schiffen ist zunächst die Bordstromversorgung angedacht damit die Generatoren im Hafen abgestellt werden können. In Hamburg wird 2008 der erste Alsterdampfer mit Brennstoffzellenantrieb als Rundfahrtschiff in Betrieb gehen.
 
• Wasserstoff-Flugzeuge
  Seit Anfang der 80er Jahre arbeitet der russische Hersteller Tupolev an Flugzeugversionen mit kryogener Treibstoffversorgung. Tupolev stellte 1988 eine TU 154 vor, bei welcher das rechte der drei Triebwerke auf Flüssigwasserstoff-Antrieb modifiziert und Wasserstofftanks eingebaut waren.
  Das Triebwerk wurde über die gesamte Flugphase über insgesamt etwa 100 Stunden erfolgreich betrieben.
  Auch von der großen europäischen Luftfahrtindustrie etwa bei Dornier und Airbus gab es Überlegungen und Tests zu Wasserstoffflugzeugen. Derzeit gibt es allerdings keine ernsthaften Anstrengungen. Es gibt aber durchaus Konzepte, Brennstoffzellen zur Bordstromversorgung einzusetzen und das dabei entstehende Wasser im Flugzeug zu nutzen um Fluggewicht zu sparen.

Stationäre Anwendungen
Brennstoffzellen sind kleine Heizkraftwerke. Sie wandeln den Energieträger Wasserstoff in Strom und Wärme. Durch die kombinierte Nutzung von beidem, Strom und Wärme, ergibt sich eine sehr gute Ausnutzung des ursprünglich eingesetzten Primärenergieträgers.
Solche kombinierten Brennstoffzellen-Kraftwerke lassen sich in unterschiedlichen Baugrößen realisieren. Neben kleinen dezentralen Kraftwerken in Leistungsbereichen zwischen 200 kW und einigen Megawatt sind vor allem die kleinen Systeme eine interessante Option. Im Leistungsbereich üblicher Hausheizungen können diese Systeme nicht nur Heizenergie Liefern sondern auch Strom, der gegebenenfalls ins Netz eingespeist werden kann. Millionen solcher Hausbrennstoffzellen können dann gemeinsam ein Kraftwerk bilden. Ein Kraftwerk, welches z.B. als Regelreserve in einer erneuerbaren Energiewirtschaft dienen kann.
Hausbrennstoffzellen arbeiten heute vornehmlich mit Erdgas und benötigen einen Reformer um den notwendigen Wasserstoff zu erzeugen. In Deutschland entwickeln viele Heizungshersteller an solchen Systemen. In Japan waren 2007 weit über 1000 Systeme installiert und 2008 sollen mehrere tausend weitere folgen. Ab 2011 sollen die Systeme in Japan dann in die Massenfertigung gehen. Viele Öl- und Gasfirmen forcieren die Entwicklung in Japan.
In großer Stückzahl hergestellt, haben Hausbrennstoffzellen das Potenzial kaum teurer zu sein als ein konventioneller Heizkessel und trotzdem erzeugen sie quasi "nebenbei" noch Strom! Zwar ist die Heizenergieversorgung damit noch nicht CO2 frei, allerdings wird die Energie die zur Stromerzeugung benötigt wird besser genutzt.

Portable Anwendungen
Ein sehr großes Einsatzgebiet für Brennstoffzellen und Wasserstoff ist die Energieversorgung tragbarer Geräte: Mobiltelefone, tragbare Computer, MP3-Player, Videokameras und vieles andere ließe sich mit Wasserstoff oder Methanol und batteriegroßen Brennstoffzellen betreiben.
Die Betriebsdauer eines Notebooks mit Brennstoffzelle übersteigt die von herkömmlichen Akkus bei weitem. Eingesetzt werden hierfür derzeit hauptsächlich Direkt-Methanol-Brennstoffzellen. Aus einer Methanol Kartusche werden diese Brennstoffzellen mit Energie versorgt. Neigt sich der Methanol-Vorrat dem Ende, wird einfach die Kartusche getauscht und schon ist der "Akku" wieder voll und für viele Stunden betriebsbereit.
Noch kleinere Brennstoffzellen, so genannte Mikrobrennstoffzellen, ließen sich in Handys integrieren. Es wurden bereits Prototypen mit 50 Stunden Betriebsdauer vorgestellt.
Auch portable Anwendungen größerer Leistung sind in der Entwicklung. In den USA werden bereits Baustellenbeleuchtungen in abgelegenen Regionen mit Brennstoffzellen betrieben. Bei entsprechender Tankgröße funktionieren diese Systeme über Wochen und sind im Betrieb billiger als Batteriespeicher gleicher Kapazität. Gleiches gilt für die Energieversorgung von abgelegenen Sendestationen von Mobilfunkanbietern.

Sicherheit von Wasserstoff

Wasserstoff ist "zündfreudig", das heißt er reagiert leicht mit Sauerstoff und verbrennt dabei zu Wasser. Dies ist genau die Eigenschaft, die seine Eignung als Kraftstoff ausmacht.
Das Gefahrenpotential von Wasserstoff ist nicht größer als das von Erdöl, Erdgas oder Uran. Seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften nach gehen vom Wasserstoff keine außergewöhnlichen Gefahren aus. Daher gibt es für ihn z. B. in Deutschland keine anderen Sicherheitsvorschriften als für alle anderen brennbaren Gase.
Flüssige Energieträger führen bei Unfällen häufig zur Bildung von Brandteppichen am Unfallort, z.B. bei Autounfällen oder Flugzeugunglücken, wo ein Großteil der Opfer in den Flammen umkommt. Wasserstoff entweicht in solchen Fällen sehr schnell nach oben. Auf der anderen Seite besteht eine höhere Explosionsgefahr, wenn Wasserstoff in geschlossenen Räumen freigesetzt wird, etwa in Garagen oder Tunneln. Hier ist für eine erhöhte Belüftung und eventuell für zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen zu sorgen.

Die chemische Industrie nutzt Wasserstoff seit hundert Jahren. Die sicherheitstechnischen Erfahrungen gelten als gut.

Anmerkung:
Der Ausbruch des Feuers, das im Jahre 1937 das Luftschiff LZ 129 "Hindenburg" in Lakehurst vernichtete, hatte nichts mit dem Wasserstoffgas zu tun, das in großen Mengen als Auftriebsmittel an Bord war. Ursache waren vielmehr die chemischen und elektrischen Eigenschaften des Anstrichs der Außenhülle in Verbindung mit den besonderen Wetterbedingungen, die am Tag des Unglücks in Lakehurst herrschten. In einer Gewitteratmosphäre wurde der extrem brennbare Außenanstrich des Zeppelins von einer elektrostatischen Entladung entzündet. Das Feuer griff anschließend auf den Wasserstoff über.
Wäre das Luftschiff wie häufig behauptet "explodiert" hätte dieses Foto nicht entstehen können. Tatsächlich ist der Wasserstoff nach oben hin abgebrannt. Alle Passagiere die nicht abgesprungen sind, haben das Unglück überlebt! Wäre ein flüssiger Treibstoff in Brand geraten, wäre das Unglück viel verheerender verlaufen, da ein flüssiger Treibstoff immer nach unten läuft und dort einen Brandteppich bildet!