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Warum ist Wasserstoff so besonders?

Wasserstoff ist ein Multitalent: Das Gas treibt Elektromotoren an, speichert Energie, konserviert Lebensmittel. Doch warum ist Wasserstoff so besonders? Wo genau wird es eingesetzt? Und welche Marktchancen bestehen künftig? Erfahren Sie Fakten im Hintergrundtext, in Produktberichten und einem Interview mit dem Klimaforscher Manfred Fischedick.

Es ist gerade fünf Jahre her! 2012 weihte Air Liquide in Düsseldorf seine erste öffentliche Wasserstoff-Tankstelle in Nordrhein-Westfalen ein. Seither hat AL nicht nur elf weitere Wasserstoff-Tankstellen bundesweit gebaut. Das molekulare Gas mit der chemischen Formel H2 ist auch von einem kritisch beäugten Stoff zu einem Hoffnungsträger für Umwelt und Wirtschaft geworden.

Denn H2, das auf unserer Erde im Wasser gebunden ist und damit in fast jeder organischen Verbindung steckt, stellt sich immer mehr als ungemein begabter Stoff heraus. Überrascht muss man darüber nicht sein. Schon lange ist das vom englischen Chemiker Henry Cavendish 1766 entdeckte Gas bei vielen industriellen und technischen Prozessen wichtig.

30 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Tag

... werden weltweit gewonnen und als Kühlmittel in Kraftwerken eingesetzt, bei der Verhüttung von Erzen gebraucht, als Treib- und Packgas bei Lebensmitteln verwendet oder bei der Herstellung von Düngemitteln verarbeitet.

Aber erst das absehbare Ende des Verbrennungsmotors sowie die rasant steigende Produktion von Strom aus Wind und Sonne offenbaren die wirklichen Chancen von H2.

Ein Stoff, mit dem wir künftig fahren, wärmen, sehen, staubsaugen, telefonieren oder im Web surfen können.

 

Die starke Perspektive

Wenn Robert Grove diese Entwicklung noch erleben könnte. Der britische  Physiker erfand 1839 die Brennstoffzelle, in der er aus Wasserstoff und Sauerstoff Elektrizität herstellte.

Die Technologie, die sich heute auf wenige Millimeter etwa für Kameras oder Handys schrumpfen sowie über Stockwerke für den Antrieb von Schiffen bauen lässt, ist also schon 180 Jahre alt.

Die Herausforderung lautet jedoch: Wasserstoff ist wie Strom kein Primärenergieträger, sondern muss gewonnen werden.

Dafür braucht man Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas, Biomasse oder Wasser sowie zum Beispiel elektrische, thermische oder solare Energie, die von außen zugeführt wird.

Gewinnt man Wasserstoff konventionell etwa aus Erdgas, wird er als „grau“ bezeichnet. Wird er aus Wasser mit regenerativ erzeugtem Strom abgespalten, gilt er als „grün“. Besonders nachhaltig ist die Herstellung per Elektrolyse mit überschüssigem Ökostrom; also Strom aus Wind und Sonne, der aufgrund der stark fluktuierenden Produktion nicht ins Netz gespeist werden kann. Bei der Elektrolyse wird Wasser im Übrigen unter Strom gesetzt, sodass sich die Bindung zwischen H2 und Sauerstoff löst.

 

Die Nachfrage muss entstehen

Da Öl sowie Erdgas endlich sind und die Treibhausgasemissionen des fossilen Energieverbrauchs deutlich reduziert werden müssen, rückt Wasserstoff immer mehr in den Fokus. Noch fehlt vor allem die Infrastruktur, um Millionen Autos, Lastwagen und Schiffe klimaschonend per Brennstoffzelle anzutreiben oder Wohnungen sowie Büros CO2-neutral wohlig zu wärmen.

Oder andersherum: Weil  kaum Kraftfahrzeuge auf den Straßen mit Wasserstoff angetrieben werden, rechnet sich der Aufbau eines Tankstellennetzes bislang nicht. Doch das dürfte sich in absehbarer Zeit ändern, wie das „Hydrogen Council“ feststellt. Eine Studie der internationalen Wasserstoff-Allianz, zu der auch Air Liquide gehört, geht davon aus, dass schon 2030 weltweit bis zu 15 Millionen Autos und 500.000 Lkw mit dem Gas fahren.

Folgerichtig wollen die Bündnispartner mehr als 1,4 Milliarden Euro in den nächsten Jahren in die Entwicklung der Wasserstoff-Technologie investieren.

Air Liquide geht sogar noch einen Schritt weiter: Im Rahmen der Initiative „Blue Hydrogen“ hat sich AL verpflichtet, bis 2020 die Hälfte des für Energieanwendungen bestimmten Wasserstoffs CO2-neutral oder gänzlich ohne Freisetzung von Kohlendioxid zu erzeugen. Dafür setzen wir auf Wasserstoff aus Biogas-Anlagen sowie die Elektrolyse.

Die saubere Alternative

„Das Molekül wird eine zentrale Rolle bei der Energiewende spielen“,

bestätigt Benoît Potier, Chairman und CEO von Air Liquide.

Denn Wasserstoff ist nicht nur eine saubere Alternative zu Öl sowie Erdgas, sondern kann auch als perfekter Energiespeicher dienen. Heißt: Wasserstoff ist problemlos lagerbar. Das ist auch nötig, denn das Produkt lässt sich nicht überall dort erzeugen, wo es gebraucht wird. Dafür speist man das Gas etwa in reiner Form direkt in das Erdgasnetz ein.

Auch wenn noch viele Fragen bei diesem sogenannten „Power-to-X Prozess“ in Bezug auf Machbarkeit im großen Maßstab offen sind, steht fest: Soll die Energiewende gelingen, brauchen wir Technologien, die die schwankenden Strommengen aus Wind und Sonnenkraft kontinuierlich nutzbar machen. Und genau das kann Wasserstoff als Speichermedium. Das Gas ist also in der Lage, die drei bislang getrennten Sektoren der Energiewirtschaft zu koppeln. Dass die Märkte für Strom, Wärme und Mobilität mit Wasserstoff clever verflechten lassen, ruft immer mehr Wissenschaftler, Politiker, Hersteller und Investoren auf den Plan. Sie erkennen das immense Potential von Wasserstoff und erforschen daher innovative tragbare, mobile, stationäre und industrielle Anwendungen.

Aus der Vielzahl spannender Innovationen der Wasserstoffwelt stellen wir sechs vor. Es geht ums Fliegen, Telefonieren, Fahren, Heizen! Die Konzepte  und Produkte zeigen: Kleine und große Wasserstoff-Anwendungen könnten bald Teil unseres Alltags sein.

Aufregend: mit Wasserstoff fliegen

Foto: DLR

Ende 2016 startete HY4 zum offiziellen Erstflug vom Airport Stuttgart. Das Flugzeug ist weltweit der erste Viersitzer, der nur per Brennstoffzelle angetrieben wird. Entwickelt wurde die Maschine vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der Antrieb besteht aus einem Wasserstoffspeicher, Niedertemperatur-Brennstoffzelle und Hochleistungsbatterie. Flugzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb könnten mit einer Reichweite von bis zu 1.500 Kilometern als Lufttaxis eingesetzt werden.

Unterhaltsam: mit Wasserstoff telefonieren

Foto: Heise

Es ist kein Traum mehr: Das Handy, das eine Woche ohne aufladen läuft. Und dann innerhalb von Minuten wieder volle Power hat. Bereits Ende 2015 stellte die britische Firma Intelligent Energy den Prototyp eines iPhones mit eingebauter Wasserstoff-Brennstoffzelle vor. Längst arbeiten weltweit Unternehmen wie Intelligent Energy oder auch die 115 schwedische Firma myFC an Mini-Brennstoffzellen. Bei Beratungsunternehmen und in den Technologieschmieden geht man davon aus, dass die Brennstoffzelle künftig die Batterie ablöst und Wasserstoff damit im großen Stil Laptops, Mobiltelefone oder Helmkameras mit Strom versorgt.

Kurzweilig: Wasserstoff tanken

Foto: Air Liquide

Politik und Wirtschaft sind sich einig: Sukzessive soll in Deutschland ein alltagstaugliches Wasserstoff-Tankstellennetz aufgebaut werden. Bis 2019 sollen rund 100, bis 2023 etwa 400 H2-Stationen geöffnet sein, um die Markteinführung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen zu flankieren. Und AL ist ganz vorne mit dabei. Gemeinsam mit Daimler, Linde, OMV, Shell und TOTAL hat Air Liquide 2015 die Betreibergesellschaft H2 MOBILITY Deutschland gegründet. Die Aufgabe: der schnelle, effiziente und flächendeckende Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur für Brennstoffzellen-Autos.

„Bis Ende 2017 werden wir in Deutschland zwölf Wasserstoff-Tankstellen mit unserer Technologie in Betrieb haben. Zwölf weitere Projekte sind bereits in der Ausführung“, sagt Markus Schewitza, Geschäftsführer von Air Liquide Advanced Technologies GmbH.

Kurze 3 Minuten

dauert eine Tankfüllung und die Tankstutzen sind genormt. Das sind nur zwei starke Argumente, die für Wasserstoff als Kraftstoff sprechen.

Umweltschonend: mit Wasserstoff elektrisch fahren

Foto: Toyota

Der Toyota Mirai ist die erste Wasserstoff-Limousine in Großserie. Im Jahr rollen 3.000 Stück in Japan vom Band. Die Technologie fasziniert: keine Emissionen, elektrischer Antrieb, leises Fahren, kein langes Warten an Ladestationen. Nur Minuten dauert das Betanken, dann können wieder etwa 500 Kilometer gefahren werden. Ab 2018 will Mercedes den Wasserstoffwagen GLC Fuel Cell auf den Markt bringen. Und Hyundai will ebenfalls im nächsten Jahr einen Nachfolger vorstellen für seinen Wasserstoff-Pkw iX35 Fuel Cell. Es tut sich was beim Wasserstoffantrieb. Vor allem die Japaner sind Vorreiter. Mit Kalkül. Das Land hat keine eigenen fossilen Energien und Wasserstoff lässt sich lokal produzieren, kann problemlos gelagert und bei Bedarf über lange Strecken verlustfrei transportieren werden.

Entspannt: mit Wasserstoff auf der Schiene

Foto: Alstom

Im März 2017 testete das französische Transportunternehmen Alstom bei Salzgitter in Niedersachsen den weltweit einzigen brennstoffzellenbetriebenen Personenzug. Der Zug mit dem Namen „Coradia iLint“ soll noch bis Ende 2017 in Deutschland und Tschechien erprobt werden, bevor er Anfang 2018 auf der Strecke Buxtehude-Bremervörde-Bremerhaven-Cuxhaven in den Probebetrieb mit Fahrgästen geht. Weitere Projekte dieser Art sollen folgen.

Denn Fakt ist: Rund die Hälfte des deutschen Schienennetzes sind nicht elektrifiziert und daher perfekt geeignet für den Einsatz von Wasserstoff anstelle von Diesel.

Heimelig: mit Wasserstoff wärmen

Foto: Krause Heizungsbau

Mikro-KWKs mit Brennstoffzelle sind Heizgeräte, die neben der Wärme für Haus und Warmwasser ebenso Strom erzeugen. Sie können Einfamilienhäuser, aber auch Hochhäuser effizient mit Energie versorgen. Die Anlagen basieren komplett auf der elektrochemischen Reaktion, bei der Wasserstoff und Sauerstoff in einzelnen Zellen miteinander reagieren. Die größeren Hersteller hierzulande haben Mikro-KWK im Angebot.

Interview: „Wasserstoff-Fahrzeuge sollten Privilegien erhalten“

Foto: www.eventfotograf.in / ©JRF e.V.

6 Fragen zu Wasserstoff an Prof. Dr. Manfred Fischedick, Vizepräsident des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie.  2017 hat er als Co-Autor die Shell-Studie „Wasserstoff: Energie der Zukunft?“ publiziert. 

Kann Wasserstoff helfen, um künftig Energiesicherheit zu garantieren? 

"Es gibt keine Königstechnologie, sondern es ist ein Mix aus Technologien und Strategien notwendig. Wasserstoff als vielfältiger Energieträger in Bezug auf die Herstellung sowie Verwendung kann aber einen wichtigen Beitrag leisten, nicht zuletzt als Langzeitspeicher für Strom. "

Was sind Herausforderungen auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft? 

"Die Technologien müssen sich weiter entwickeln, die Kosten reduziert und vor allem eine adäquaten Infrastruktur aufgebaut werden. Energiesysteme, die sich  erst noch entfalten, haben aber ein `Henne und Ei-Problem´. Heißt: Gibt es keine ausreichenden Anwendungen, die zur Refinanzierung beitragen, wächst auch die Infrastruktur nicht rasant. 

Was ist das Herstellungsverfahren mit der größten Perspektive? 

"Technologisch hat die strombasierte Elektrolyse eindeutig die Nase vorn. Sie ermöglicht auch die klimaverträgliche Bereitstellung von Wasserstoff, der aus grünen Strom gewonnen wird. "

Was sind aus Ihrer Sicht die Schlüsseltechnologien für die energetische Nutzung von Wasserstoff? 

Neben der Elektrolyse ist die Brennstoffzelle zentral für effiziente und universelle Nutzung von Wasserstoff im mobilen sowie im stationären Bereich. Die Brennstoffzelle ist dabei nicht auf den motorisierten Individualverkehr begrenzt, also auf Pkw. Sondern sie hat auch klar Vorteile bei Bussen sowie Lkw. Sie fahren zum Beispiel mit Brennstoffzelle deutlich weiter als batteriebasierte elektrische Fahrzeuge. 

Welche wesentlichen Fortschritte haben die Anwendungstechnologien von Wasserstoff in den vergangenen Jahren gemacht? 

Es ist in nahezu allen Bereichen voran gegangen. Dies gilt für einzelne Technologien, aber auch für Markteinführung und Integration in Energiesysteme. Die Brennstoffzelle ist heute schon in einigen Regionen der Welt eine etablierte Technologie. In Japan laufen bereits mehr als 200.000 Mikro-KWK-Anlagen auf Brennstoffzellenbasis, die Häuser heizen und Wasser wärmen. 

Was sind derzeit noch die größten Hürden bei der Nutzung von Wasserstoff? 

Der breite kommerzielle Einsatz steht sicher noch am Anfang. Daher muss der Staat fördern und unterstützen. Ähnlich wie batteriebetriebene sollten Wasserstoff-Fahrzeuge Privilegien erhalten, zum Beispiel Ausnahmen bei temporären Einfahr- oder Durchfahrverboten. Und sie sollten von öffentlichen Beschaffungsprogrammen profitieren. Parallel müssen Konsumenten weiter aufgeklärt werden - und zwar darüber wie Wasserstoff funktioniert, wo er eingesetzt und getankt werden kann.