Wasserstoff als Kraftstoff

Wasserstoff (H2) gilt für viele als Kraftstoff der Zukunft. Bei der Verbrennung entstehen keinerlei Schadstoffe, lediglich Wasserdampf bleibt als „Abfallprodukt“ zurück. Die Kombination mit Brennstoffzelle ist zudem höchst Energieeffizient. Ist Wasserstoff also tatsächlich der perfekte Kraftstoff der Zukunft oder ist die Herstellung zu teuer und zu aufwändig?

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das häufigste Element unseres Universums. Das farb- und geruchlose Gas kommt in der Natur jedoch nur in chemisch gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser, Erdöl oder Erdgas. Damit H2 zur Stromgewinnung genutzt werden kann, muss dieser somit erst von den anderen Stoffen getrennt werden. Für diesen Vorgang ist der Einsatz hoher Energiemengen notwendig.

Und genau hier liegt das Problem: Weil für die Herstellung aktuell zu viel Energie benötigt wird, ist H2 als Kraftstoff in der Gesamtheit betrachtet noch nicht wirklich umweltfreundlich. Um Wasserstoff tatsächlich als sauberen Kraftstoff der Zukunft nutzen zu können, muss der Herstellungsprozess energieeffizienter werden und die verwendete Energie möglichst aus regenerativen Quellen stammen.

Die Geschichte von Wasserstoff

Wasserstoff wurde im Jahr 1766 vom englischen Chemiker Henry Cavendish entdeckt, während dieser gerade mit Metallen und Säuren experimentierte. Einige Jahre später war es der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, der erstmals feststellte, dass bei der Verbrennung von H2 Wasser entsteht. Von ihm stammt auch die Bezeichnung Hydrogen (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend).

Wasserstoff wurde früher hauptsächlich als Traggas in Luftschiffen verwendet. In diesem Zusammenhang erlangte vor allem der Zeppelin „Hindenburg“ traurige Berühmtheit, als im Jahr 1937 bei der Explosion der Tankfüllung 36 Menschen starben. Wegen der leichten Entzündlichkeit des H2-Luft-Gemischs wurde Wasserstoff im Luftverkehr bald durch Helium ersetzt. 

Aktuell beträgt die weltweit hergestellte Menge an Wasserstoff pro Jahr rund 30 Millionen Tonnen. Der Großteil davon entsteht als Nebenprodukt der chemischen Industrie. Dort wird H2 vor allem als Schweißgas, Kühlmittel, oder als Reduktionsmittel zur Gewinnung von Metallen genutzt.

Herstellung von Wasserstoff

Dampfreformierung
Die Dampfreformierung wird vor allem in der chemischen Industrie angewendet. Aktuell ist es das häufigste Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff. Dabei wird einem fossilen Brennstoff (z.b. Erdgas) Wasserdampf zugeführt. Durch die Oxidation entsteht H2, das hauptsächlich auch direkt wieder in der chemischen Industrie verwendet wird. Weil bei diesem Verfahren große Mengen an CO2-Emissionen entstehen und man direkt von fossilen Energieträgern abhängt, ist die Dampfreformierung keine umweltfreundliche Möglichkeit zur Herstellung von H2.

Infografik von Wasserstoff-Erzeugung durch Elektrolyse-Verfahren
Wasserstoff Elektrolyse | Bild: CEP

Elektrolyse
Bei der Elektrolyse wird Wasser mit einer leitfähigen Säure versetzt und mit Hilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Leitet man Gleichstrom durch das Wasser, entsteht an der positiv geladenen Anode Sauerstoff, während an der negativ geladenen Kathode Wasserstoff entweicht.

Die so gewonnene elektrische Energie wird im Wasserstoff gespeichert. In der Brennstoffzelle wird der gesamte Prozess umgekehrt angewandt: Die im H2 gespeicherte Energie wird in Elektrizität umgewandelt und schließlich für den Antrieb eines Elektromotors genutzt.

Wasserstoff und Brennstoffzelle

In einer Brennstoffzelle wird mit Hilfe von H2 Strom erzeugt. Dieser Strom wird entweder in einer Batterie zwischengespeichert oder direkt für den Antrieb eines Elektromotors verwendet. Während des gesamten Prozesses fallen keinerlei Schadstoffemissionen an. Das einzige „Abfallprodukt“, das aus dem Auspuff kommt, ist Wasserdampf. Rein auf den Betrieb bezogen ist Wasserstoff somit der umweltfreundlichste aller Kraftstoffe.

Der gesamte Vorgang der Energiegewinnung geschieht nahezu geräuschlos, weswegen ein Brennstoffzellen-Fahrzeug im Vergleich zu einem herkömmlichen Diesel- oder Benzinfahrzeug wesentlich weniger Lärm verursacht.

Bild: Honda

Vor- und Nachteile von Wasserstoff als Kraftstoff

Nachteile:

  • Nach aktuellem Stand benötigt die Herstellung von H2 zu viel Energie.
  • Weil diese zudem hauptsächlich aus fossilen Energieträgern stammt, ist der Weg von Wasserstoff zum alternativen Kraftstoff der Zukunft noch sehr weit.
  • Die Herstellung von Wasserstoff als auch des Systems der Brennstoffzelle sind noch mit hohen Kosten verbunden. Das aktuell günstigste Brennstoffzellen-Auto, der Hyundai ix35 Fuel Cell, kostet rund 65.000 Euro. Für den Toyota Mirai sind fast 79.000 Euro fällig.
  • Wegen der geringen Energiedichte muss H2 unter hohem Druck gelagert bzw. transportiert werden.
  • Aktuell ist das Netz an Wasserstoff-Tankstellen mit rund 70 noch sehr überschaubar (Stand Mai 2019).

Vorteile:

  • Wasserstoff-Fahrzeuge emittieren keine Schadstoffe wie CO2, Kohlenmonoxid oder Stickoxide. Bei der Umwandlung in Strom entsteht lediglich Wasserdampf.
  • Wasser ist nahezu unbegrenzt verfügbar, weswegen H2 die Energieversorgung für lange Zeit garantieren könnte.
  • Weil Wasser fast überall verfügbar ist, kann H2 auch regional gewonnen werden. Dies ermöglicht die Energieproduktion auch für Länder, die selbst über keine fossilen Energieträger verfügen.
  • Der Tankvorgang ist wesentlich schneller im Vergleich zum Ladevorgang bei Elektro-Fahrzeugen.
  • Brennstoffzellen-Fahrzeuge schaffen eine wesentlich höhere Reichweite als Elektro-Fahrzeuge.
  • H2 hat den höchsten Energiegehalt aller Brennstoffe.

Infrastruktur

Deutschland hat das zweitgrößte Wasserstofftankstellen-Netz der Welt und das größte in Europa. Was im ersten Moment großartig klingt, heißt in der Realität: Stand 1. Mai 2019 existieren in Deutschland gerade einmal 68 H2-Tankstellen. An der Spitze liegt übrigens Japan mit 96 öffentlichen Anlagen.

Der eigentliche Startschuss für den Bau öffentlicher Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland begann 2002. Damals wurde die „Clean Energy Partnership“ als Initiative des Bundesverkehrsministeriums gegründet. Ziel der Partnerschaft war der Ausbau eines bundesweiten H2-Netzes. Bis 2016 entstanden so die ersten 50 öffentlichen Wasserstoff-Tankstellen.

Total Wasserstoff Tankstelle Berlin
Wasserstoff Tankstelle Berlin | Foto: Total, Pierre Adenis

Aus dieser Partnerschaft ging wiederum 2015 das Joint Venture H2 Mobility hervor, das seither den Aufbau der Infrastruktur weiter forciert. Bis Ende 2019 sollen 100 H2-Stationen in sieben deutschen Ballungszentren (Hamburg, Berlin, Rhein-Ruhr, Frankfurt, Nürnberg, Stuttgart und München) sowie entlang hochfrequentierter Autobahnen in Betrieb sein. Diese Stationen werden vorzugsweise in bestehende Tankstellen integriert. Mit der erwarteten Zunahme von Brennstoffzellen-Fahrzeugen sollen in naher Zukunft 300 weitere Anlagen folgen.

Weltweit mehr H2-Tankstellen geplant

International gesehen möchte Nikola Motors in Kooperation mit dem norwegischen Unternehmen „Nel Hydrogen“ das größte Wassserstoff-Netzwerk der Welt installieren. Der ambitionierte Plan sieht vor, in Nordamerika alle 400 Meilen eine H2-Tankstelle zu errichten. Konkret sollen bis 2028 ingesamt über 700 Stationen in USA und Kanada in Betrieb sein.

In Japan wurde im März 2018 „Japan H2 Mobility“ (JHyM) gegründet. Dem Joint Venture gehören neben Toyota, Nissan und Honda acht weitere Großkonzerne an. Zusammen will man bis März 2022 weitere 80 Wasserstoff-Tankstellen in Japan bauen. Bis 2025 soll die Anzahl auf 320 anwachsen.

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