Wasserstoff: Definition, Herstellung, Nutzen

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im ganzen Universum. Es gewinnt vor allem im Hinblick auf eine grünere Zukunft auch immer mehr an Bedeutung. Doch nicht nur für die Automobilindustrie avancierte Wasserstoff zur Alternative für Elektroautos mit Batterie. Auch die Energiewirtschaft macht sich diesen Stoff zunehmend zunutze. Doch was zeichnet Wasserstoff aus und vor allem, wie kann daraus effektiv Energie gewonnen werden, insbesondere thermische Energie zum Heizen. 

Grundsätzlich ist es das erste Element im Periodensystem und wird mit dem Symbol H ausgedrückt. Als Bestandteil von Wasser findet es sich in allen lebenden Organismen sowie in den meisten organischen Verbindungen auf der Erde. Das farb- und geruchlose Gas ist das leichteste chemische Element. Es hat die einfachste Struktur. Denn Wasserstoff besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Der Chemiker und Physiker Henry Cavendish entdeckte das Element zum ersten Mal im Jahr 1776 bei Experimenten mit Quecksilber und Säuren.

Zwar bestehen 93 Prozent aller Atome im Sonnensystem aus Wasserstoff, doch auf der Erde kommt dieser Stoff fast nur in gebundener Form vor. Das reine Element ist demnach nur sehr selten. Die am häufigsten vorkommende Verbindung ist dabei Wasser, das bekanntermaßen mehr als 70 Prozent der Erdoberfläche bedeckt. Um Wasserstoff als solches für sich nutzbar machen zu können, muss es zunächst erzeugt werden. Das chemische Element stellt selbst keine Energiequelle dar, sondern einen Energieträger. Die Energie kann lediglich gespeichert und transportiert werden.

Die sogenannte Dampfreformierung ist aktuell vor allem in der Industrie das hauptsächliche Verfahren für die Herstellung von Wasserstoff. Grundlage dabei sind leichte Kohlenwasserstoffe. Am häufigsten werden Erdgase wie Methan als Quelle genutzt. Benzin, Kohle, Methanol oder Biomasse können ebenso als Ausgangspunkt dieser chemischen Reaktion fungieren. In mehreren Schritten wird fossilen Energieträgern unter Zugabe von Wasserdampf mit einer Temperatur von 450 bis 500°C sowie einem Druck von 25 bis 30 bar Wasserstoff entzogen. Problematisch bei diesem Verfahren ist, dass als Nebenprodukt Kohlenmonoxide, Stickoxide und Schwefeldioxide entstehen. Sie sind gesundheitsschädlich für den Menschen. Wobei Stickoxide maßgeblich für die Entstehung des sauren Regens verantwortlich sind und somit auch eine hohe Umweltbelastung darstellen.

Bei diesem Verfahren handelt es sich um die Umwandlung von Wasser in Wasserstoff. Den Nachweis für die Wasserstoffherstellung erbrachte Wilhelm Ritter bereits um 1800. Grundlegend findet die Reaktion in einem Gefäß statt, das mit leitfähigen Elektrolyten gefüllt ist. Dabei handelt es sich um Salze, Säuren und Basen. Daneben werden für dieses Verfahren zwei Elektroden benötigt, die mit Gleichstrom betrieben werden. An der Kathode und Anode finden zwei Teilprozesse statt. Dabei werden an der Anode die Elektroden abgegeben, welche die Kathode wiederaufnimmt. Als Ergebnis ist der Ausgangsstoff Wasser in seine zwei Bestandteile - nämlich Sauerstoff und Wasserstoff - zerlegt. Im Gegensatz zum Reformierungsprozess wird hierbei kein Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Außerdem kann der gewonnene reine Sauerstoff weiter genutzt werden und muss nicht einfach an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Alternativen zum Reformierungsprozess und der Elektrolyse sind die Vergärung von Biomasse, das sogenannte Kvæner-Verfahren und die Gewinnung aus Grünalgen. Letztgenanntes Verfahren ist noch in der Erprobung. Die Vergasung von Biomasse ist die bislang kostengünstigste Variante, um Wasserstoff zu erzeugen. Bei diesem Prozess wird dem natürlichen Kohlenwasserstoff Sauerstoff hinzugesetzt.

Wasserstoff ist ein wichtiges Produkt in der Industrie, das nicht nur bei der Synthese von Ammoniak oder bei der Raffinierung von Mineralöl Verwendung findet, sondern in letzter Zeit vermehrt im Bereich der Energieerzeugung. Eine zentrale Rolle übernimmt in diesem Zusammenhang die sogenannte Brennstoffzelle. Diese wird nicht nur in der Automobil- und Schiffsindustrie eingesetzt, sondern auch in der Energiewirtschaft. Bereits 1838 entdeckte Christian Friedrich Schönbein das Prinzip der Brennstoffzelle. 

Die nach diesem Prinzip arbeitende Heizung stellt dem Verbraucher nicht nur Wärme zu Verfügung, sondern erzeugt auch Strom. Wasser, Wärme und Strom werden, vereinfacht gesagt, über eine sogenannte kalte Verbrennung erzeugt. Die im Wasserstoff gespeicherte Energie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt, die wiederum zur Bereitstellung von Heizwärme und Warmwasser genutzt werden kann. Weitere ausführliche Informationen zu diesem Brennstoff finden Sie auch im Beitrag "Vorteile von Wasserstoff".