Erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Wasserstoff

Wasserstoff Ein altes Element für eine neue Zeit?

Wasserstoff ist das häufigste, älteste und kleinste Element im Universum. Er stellt 93% aller Atome und 75% der Masse unseres Sonnensystems. Wie kann dieses kleine Element dazu beitragen, die grossen Energieprobleme unserer Zeit lösen? Und warum haben wir nicht längst damit angefangen es zu nutzen?

Schon seit einhundert Jahren wird Wasserstoff in der Chemieindustrie eingesetzt. Er ist 14-mal leichter als Luft, nicht giftig, ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst, brennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei aus und ist heute ein zunehmend gefragter Energieträger. Doch auch wenn er im Universum im absoluten Überfluss zu finden ist, auf der Erde kommt Wasserstoff nur in gebundener Form vor und muss unter Zugabe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff (z. B. Erdgas, Wasser oder Biomasse) abgespaltet werden. Hierzu gibt es verschiedene Verfahren.

Beim Elektrolyseverfahren wird Wasser durch den Einsatz von Strom in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. So wird die eingesetzte elektrische Energie in chemische umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Da dieses Verfahren CO2-neutral ist, spricht man auch von grünem Wasserstoff.

Mit dem Reformationsverfahren wird im industriellen Massstab Wasserstoff aus Erdgas gewonnen. Hier entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid – man spricht von grauem Wasserstoff. Wird das entstandene CO2 aufgefangen und gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwertet (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff.

Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas unter Einsatz von Hitze gespalten. Dadurch entstehen Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Um CO2-neutral zu sein, muss die Energie aus erneuerbaren Quellen stammen und der Kohlenstoff langfristig gebunden werden. Hier spricht man von türkisem Wasserstoff.

Die Brennstoffzelle

Um Wasserstoff nutzen zu können, wird eine Brennstoffzelle benötigt. In ihr wird die Elektrolyse quasi umgedreht, der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff in einer sogenannten «kalten Verbrennung». Dabei wird sowohl Elektrizität als auch Wärme erzeugt, damit beruht die Brennstoffzelle auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an. Die entstehende Elektrizität wird als Gleichstrom in einem Inverter zu, für den Verbraucher nutzbaren, Wechselstrom umgewandelt. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben. So kann sie zum Erhitzen von Trinkwasser oder Heizen eingesetzt werden. Durch die parallele Produktion von Strom und Wärme haben Brennstoffzellen einen sehr hohen Wirkungsgrad.

Vorteile

Dadurch, dass Wasserstoff schon lange Zeit in der Chemieindustrie Anwendung findet, ist der Umgang damit weitgehend sicher. Weder sein Transport noch seine Zwischenlagerung werfen grössere Probleme auf.

Mit Wasserstoff lassen sich die Lücken zwischen Angebot und Nachfrage schliessen, die bei der Stromproduktion mit Photovoltaikanlagen oder Windkrafträdern entstehen. Wird mehr Strom produziert als aktuell benötigt, kann er für die Elektrolyse eingesetzt, um so grünen Wasserstoff zu produzieren. Dieser kann dann vor Ort gelagert oder zu einem anderen Einsatzort transportiert werden.

Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger und kann zur Reduzierung von Emissionen beitragen. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen ersetzt er fossile Brennstoffe und auch im Wohnbereich kann er als Brennstoff für Heizungen eingesetzt werden. Daneben gibt es auch industrielle Anwendungen, wie die Herstellung von klimaneutralem, sogenanntem «grünen Stahl».

Nachteile

Klingt bisher so gut, dass man sich fragen könnte, warum wir Wasserstoff nicht schon lange im grossen Stil nutzen. Wo ist also der Haken?

Der wohl schwerwiegendste Nachteil liegt darin, dass der Wasserstoff zuerst unter hohem Energieaufwand produziert werden muss. Vor allem das Elektrolyseverfahren ist zurzeit noch extrem energieintensiv. Gleiches gilt für das Kühlen des Wasserstoffes, denn er verflüssigt sich erst bei -253 °C.

Ein weiteres Problem stellt die aktuelle Generation Brennstoffzellen dar. Diese benötigen für ihre Katalysatorschicht Platin. Um das teure Element zu ersetzen, wird aktuell nach kostengünstigeren Alternativen geforscht.

Eine gute Option

Sie sehen also, Wasserstoff mag ein sehr eleganter Energieträger sein, er kommt aber nicht ohne seine eigenen Fallstricke. Können wir diese aber in der näheren Zukunft überwinden, können wir auch die dringendsten Probleme, vor die uns sowohl die erneuerbaren Energien als auch der Mobilitätswandel stellen, lösen.

Falls Sie Fragen zum Thema Wasserstoff haben, können Sie gerne unseren Energieberater kontaktieren:

Clemens Bohnenblust

Fachstelle Energie

Migrol AG
Badenerstrasse 569
8048 Zürich
energie@migrol.ch
Kontakt Hotline 0844 000 000 (4 Rp./Min.)

Die Migrol Energieberatung wird in den Kantonen Aargau, Basel-Landschaft, Basel-Stadt, Bern, Luzern, Schwyz, Zug und Zürich durchgeführt.

2 Kommentare

Urs Staub
25.03.2021 13:45
Als Brennstoff im Wohnbereich kann er zum heizen eingesetzt werden. Brennstoffzellen-Heizgeräte für den Hausgebrauch sind seit einigen Jahren auf dem Schweizer Markt erhältlich, haben bisher aber den Durchbruch noch nicht geschafft. Stammt der Strom für die Elektrolyse von der hauseigenen Photovoltaikanlage, kann die Brennstoffzellen-Heizung erneuerbar betrieben werden.

Für die Mobilität macht aber Wasserstoff, im Vergleich zu reinen BEV, keinen Sinn. Ein Elektroauto braucht für eine Fahrt von 100 km ungefähr 20 kWh – rechnet man 10 % Verluste durch Zwischenspeichern und Laden hinzu, kommt man auf 22 kWh, vom Windrad oder von der Photovoltaik-Zelle weg gerechnet. Die Bilanz eines Wasserstoffautos sieht deutlich schlechter aus: Es benötigt für eine Fahrt von 100 km 1 bis 1,2 kg Wasserstoff, diese Menge hat einen Energieinhalt von 33 bis 39 kWh. Doch auch hier kommen noch Verluste hinzu: Im ökologisch optimalen Fall – wenn also der Wasserstoff mit Hilfe erneuerbarer Energie mittels Elektrolyse gewonnen, auf 700 bar komprimiert und dann transportiert wird – kommt man auf mindestens 52 kWh, von Windrad oder PV-Anlage weg gerechnet. Das Wasserstoffauto benötigt also ungefähr 2,4 Mal so viel Energie wie das klassische Elektroauto – wenn es sich um „grünen“ Wasserstoff handelt.
In der Praxis sieht die Bilanz von Wasserstofffahrzeugen heute aber noch viel schlechter aus. Über 90 % des Wasserstoffs werden nämlich derzeit aus Erdgas hergestellt – man spricht in diesem Fall von „grauem Wasserstoff“. Bei diesem Prozess entsteht CO2, außerdem ist der Vorgang energetisch gesehen ineffizient, mit einem Wirkungsgrad von etwa 66 %. Berücksichtigt man auch hier noch die Verluste für Kompression und Transport, dann ergibt sich ein Primärenergiebedarf von 62 kWh für 100 km Fahrt – allerdings in diesem Fall aus fossilen Quellen, von der Erdgasförderung an gerechnet. „Das ist energetisch nicht besser als ein gewöhnliches Verbrennungsauto mit einem Verbrauch von 6 bis 7 Litern Benzin oder Diesel auf 100 km“Elektroauto braucht für eine Fahrt von 100 km ungefähr 20 kWh – rechnet man 10 % Verluste durch Zwischenspeichern und Laden hinzu, kommt man auf 22 kWh, vom Windrad oder von der Photovoltaik-Zelle weg gerechnet. Die Bilanz eines Wasserstoffautos sieht deutlich schlechter aus: Es benötigt für eine Fahrt von 100 km 1 bis 1,2 kg Wasserstoff, diese Menge hat einen Energieinhalt von 33 bis 39 kWh. Doch auch hier kommen noch Verluste hinzu: Im ökologisch optimalen Fall – wenn also der Wasserstoff mit Hilfe erneuerbarer Energie mittels Elektrolyse gewonnen, auf 700 bar komprimiert und dann transportiert wird – kommt man auf mindestens 52 kWh, von Windrad oder PV-Anlage weg gerechnet. Das Wasserstoffauto benötigt also ungefähr 2,4 Mal so viel Energie wie das klassische Elektroauto – wenn es sich um „grünen“ Wasserstoff handelt.
In der Praxis sieht die Bilanz von Wasserstofffahrzeugen heute aber noch viel schlechter aus. Über 90 % des Wasserstoffs werden nämlich derzeit aus Erdgas hergestellt – man spricht in diesem Fall von „grauem Wasserstoff“. Bei diesem Prozess entsteht CO2, außerdem ist der Vorgang energetisch gesehen ineffizient, mit einem Wirkungsgrad von etwa 66 %. Berücksichtigt man auch hier noch die Verluste für Kompression und Transport, dann ergibt sich ein Primärenergiebedarf von 62 kWh für 100 km Fahrt – allerdings in diesem Fall aus fossilen Quellen, von der Erdgasförderung an gerechnet. „Das ist energetisch nicht besser als ein gewöhnliches Verbrennungsauto mit einem Verbrauch von 6 bis 7 Litern Benzin oder Diesel auf 100 km“
Migrol AG Migrol AG
26.03.2021 07:28
Guten Tag Herr Staub

Die Anwendung von eigenproduziertem Wasserstoffs zur Wärme – und Stromgewinnung im Gebäude ist in der Tat ein sehr interessanter Ansatz. Dazu muss der Wasserstoff saisonal gespeichert werden. In Pilotprojekten ist dieses Konzept bereits umgesetzt und erfolgreich getestet worden.

Die Energieeffizienz bei der Anwendung von Wasserstoff in der Mobilität ist tatsächlich schlecht verglichen mit der Elektromobilität. Der Vorteil liegt jedoch in der Speicherbarkeit dieses Energieträgers. Wasserstoff kann mit erneuerbarem «Überschussstrom» produziert und gespeichert werden. Der kleinere Aufwand für die Speicherung verglichen mit den aktuellen Batteriespeichern nutzen auch bereits einige Lastkraftwagen (https://www.migros.ch/de/Magazin/2020/wasserstoff-lkw.html).

Dabei werden aktuell auch reine Elektrolastwagen getestet. Vermutlich werden in Zukunft beide Technologien für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt.

Freundliche Grüsse
Ihre Migrol

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