Wasserstofftechnologien im Überblick

Wasserstoff  gilt als einer der Bausteine der Energiewende. Mit Wasserstoff lassen sich nicht nur synthetische Kraftstoffe und viele Grundstoffe für die Industrie herstellen, sondern auch Strom und Wärme erzeugen. Deshalb wird die Wasserstofftechnologie in Deutschland und Europa umfangreich gefördert. 

Was sind Wasserstofftechnologien?

Unter Wasserstofftechnologien versteht man mechanische und chemische Anwendungen, bei denen Wasserstoff genutzt wird. Es gibt vier Arten:

• Technologien zur Herstellung von Wasserstoff
• Technologien zur Nutzung von Wasserstoff
• Technologien zur Speicherung von Wasserstoff und
• Technologien zur Verteilung von Wasserstoff

Technologien zur Wasserstoffherstellung

Im Gegensatz zu fossilen Energieträgern ist Wasserstoff so gut wie nicht in ungebundener Form auf der Erde vorhanden. Das Gas muss erst aus Wasser oder aus Kohlenwasserstoffen ‒ beispielsweise Erdgas ‒ hergestellt werden. Die Klimabilanz des Energieträgers ist abhängig vom Umwandlungsprozess und den eingesetzten Ausgangsstoffen:

Reformierung: Es gibt verschiedene Reformierungsverfahren, bei denen fossilen Brennstoffen oder Biomasse Wasserstoff entzogen wird. Die Industrie greift meist auf Erdgas als Ausgangsstoff zurück. Für die Reformierung selbst lässt sich beispielsweise heißer Wasserdampf nutzen (Dampfreformierung). 
Bei der Wasserstoffgewinnung durch Reformierung entstehen stets große Mengen an CO2 und andere Treibhausgase, die direkt in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Über die Reformierung erzeugter Wasserstoff wird daher auch als grauer Wasserstoff bezeichnet. Wenn das CO2 aufgefangen und eingelagert wird, spricht man hingegen von blauem Wasserstoff. Ob dieses Vorgehen sinnvoll ist, steht allerdings auf einem anderen Blatt. 

Methanpyrolyse: Erdgas wird unter Zuführung von Hitze gespalten. Neben Wasserstoff entsteht fester Kohlenstoff. Damit das Verfahren klimaneutral ist, muss die Energie aus erneuerbaren Quellen stammen und der Kohlenstoff langfristig gebunden werden.

Wasserelektrolyse: Wasser wird unter Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Stammt der Strom aus erneuerbaren Energien, wird grüner Wasserstoff erzeugt. Es gibt drei unterschiedliche Verfahren: die Alkali-Elektrolyse (AEL-Elektrolyse), die mit einem alkalischen, wässrigen Elektrolyt arbeitet, die PEM-Elektrolyse, bei der eine protonenleitende Membran (Protonen-Austausch-Membran, bzw. Proton Exchange Membrane) als Elektrolyt dient sowie die Hochtemperatur-Elektrolyse (HTE-Elektrolyse), die bei Temperaturen zwischen 100 und 850 °C stattfindet. Die Effizienz liegt derzeit bei etwa 70 %.

Wasserstoff aus Biomasse: Verschiedene Methoden der Wasserstoffgewinnung aus Biomasse sind bereits technisch realisierbar, aber noch längst nicht wirtschaftlich. Man unterscheidet zwischen Biomassevergasung, Vergärung von Biomasse und der biologischen Wasserstoffproduktion. Alle Verfahren sind auf dem Stand der Grundlagenforschung. 

Mehr zum Thema lesen Sie im Artikel zur Herstellung von Wasserstoff.

Technologien zur Nutzung von Wasserstoff

Nutzen lässt sich Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle. Innerhalb der Brennstoffzelle kommt es zur kalten Verbrennung, bei der Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander reagieren. Dabei entstehen Strom, Wärme und Wasser. Durch die direkte Umwandlung nutzen Brennstoffzellen den Energiegehalt des Wasserstoffs fast vollständig. Der Wasserstoff selbst wird oft über einen Reformer aus Erdgas oder aus Methanol gewonnen. Dieser verursacht CO2-Emissionen. Am klimafreundlichsten sind Brennstoffzellen, die reinen Wasserstoff verbrennen.

Grundsätzlich lassen sich Brennstoffzellen in zwei verschiedene Kategorien einteilen: Niedertemperatur-Brennstoffzellen, deren Betriebstemperatur unter 150 °C liegt, und Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einer Betriebstemperatur bis zu 1.000 °C. Beide Kategorien umfassen jeweils drei Brennstoffzellentypen, die sich hinsichtlich des verwendeten Brennstoffs, der Leistungsklassen und der Anwendungen unterscheiden:

• Niedertemperatur-Brennstoffzellen: Alkalische Brennstoffzelle (AFC), Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)
• Hochtemperatur-Brennstoffzellen: Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), oxidkeramische Brennstoffzelle (SOFC)

Brennstoffzellen lassen sich an den verschiedensten Stellen einsetzen:

• Portable Anwendungen: Für portable Anwendungen kommen Brennstoffzellen zum Einsatz, die mit kleinen Leistungen von unter 100 W arbeiten. Sie finden sich beispielsweise in Notstromaggregaten für den Campingplatz oder in Baustellenbeleuchtungen. Denkbar ist auch, Handys, Laptops oder MP3-Player mit Brennstoffzellen zu betreiben.
• Mobile Anwendungen: Prinzipiell lassen sich alle Verkehrsmittel über Brennstoffzellen antreiben. Sie arbeiten emissionsfrei, geräuschlos und ohne Vibration und sind zudem effizienter als ein Verbrennungsmotor. Großes Potenzial besteht vor allem im öffentlichen Nahverkehr, im Güterverkehr sowie im Schienen- und Seeverkehr. 
• Stationäre Anwendungen: Das bekannteste Prinzip ist die Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellenheizungen. Durch die kombinierte Nutzung von Strom und Wärme lässt sich der Energieträger Wasserstoff sehr effizient nutzen. Brennstoffzellen-Kraftwerke können in verschiedenen Größen realisiert werden. Marktreife Lösungen gibt es für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie für Kleingewerbebetriebe.

In speziellen Wasserstoffverbrennungsmotoren ‒ kurz: Wasserstoffmotoren ‒ lässt sich Wasserstoff auch direkt verbrennen. Grundlage ist die Knallgasreaktion.

Technologien zur Speicherung von Wasserstoff

Da Wasserstoff ein sehr leichtes und flüchtiges Gas mit einer geringen Molekülgröße ist, stellt die Speicherung eine der größten Herausforderungen dar. Derzeit kommen verschiedene Speichertechnologien zum Einsatz:

• Druckspeicherung: Das Gas wird unter einem deutlich höheren Druck als Normaldruck gespeichert. Die Tanks unterscheiden sich je nach Einsatzort und erforderlichem Druckniveau. Drucktanks werden beispielsweise in Wasserstoffautos verbaut.
• Flüssiggasspeicherung: Der Wasserstoff wird bei −253 °C in Kryotanks gespeichert. Mit flüssigem Wasserstoff wird die höchste Energiedichte erreicht. Demgegenüber steht allerdings ein großes Volumen. Zudem muss der Tank gut isoliert sein, um die Kälte zu halten und damit sich der Wasserstoff nicht verflüchtigt. Flüssiggasspeicher eignen sich beispielsweise für Wasserstofftankstellen.
• Metallhydridspeicher: Wasserstoff wird in kalten Metallgitterstrukturen eingelagert und beim Erwärmen wieder freigesetzt. So lassen sich große Mengen des Gases bei geringem Druck und niedrigen Temperaturen speichern. Allerdings besitzen die Speicher ein hohes Eigengewicht. Eingesetzt werden sie zum Beispiel bei U-Booten.
• Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC): Ein LOHC ‒ zu Deutsch etwa: flüssiger organischer Wasserstoffträger ‒ ist eine Flüssigkeit, die Wasserstoff anlagern und als Katalysator chemische Reaktionen beschleunigen kann. Als Trägermedium kommen beispielsweise verschiedene Öle infrage. Bei Bedarf lässt sich der Wasserstoff wieder abtrennen.

Technologien zur Verteilung von Wasserstoff

Grundsätzlich lässt sich Wasserstoff mit den oben genannten Speichertechnologien auch transportieren. 

• Flüssiger Wasserstoff lässt sich in Tanks bzw. Containern oder in Pipelines transportieren.
• Gasförmiger Wasserstoff wird heute meist in Speicherflaschen transportiert. Es ist denkbar, ein Pipeline-System aufzubauen. Auch bestehende Leitungssysteme, z. B. für Stadtgas, können zum Wasserstofftransport genutzt werden.