Wasserstoff: Herstellung, Speicherung und Bedeutung

Was ist Wasserstoff? – Definition

Wasserstoff ist ein chemisches Element und mit einem Anteil von etwa 75 Prozent besteht ein Großteil der Masse unseres Sonnensystems aus diesem Gas. Es ist Bestandteil fast jeder organischen Verbindung der Erde und wird von vielen Experten als Rohstoff der Zukunft gehandelt. Denn als Energiespeicher kann er zum Beispiel aus regenerativen Energien gewonnen und in fast allen Energie verbrauchenden Bereichen – also Mobilität, Wärme und Strom – eingesetzt werden. Mit einer  Brennstoffzellenheizung – einer stromerzeugenden Heizung – kann der Rohstoff auch das eigene Zuhause mit Strom und Wärme versorgen. Voraussetzung dafür ist jedoch die lokale Herstellung von Wasserstoff.

Vorteile von Wasserstoff als Energielieferant

Wasserstoff bietet im Vergleich zu fossilen Energieträgern, aber auch zu einigen erneuerbaren Energien viele Vorteile. So lässt sich mithilfe von Wasserstoff überschüssige elektrische Energie aus Solar- oder Windkraftanlagen gut speichern für Zeiten, in denen die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht. Daneben kann Wasserstoff breit gefächert eingesetzt werden: Denn gebunden an Gas wird Strom aus erneuerbaren Energien auf diese Weise transportabel und zeitversetzt nutzbar gemacht.  

Ein weiterer Vorteil von Wasserstoff ist, dass bei seiner "Verbrennung", das heißt, bei der Reaktion mit Sauerstoff überwiegend Wasser entsteht. Somit kommt es zu weniger CO₂-Emissionen und dazu, dass weniger fossile Energieträger verbraucht werden.  

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Für die Herstellung von Wasserstoff gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zunächst ist es erst einmal notwendig, da der zukunftsträchtige Rohstoff heute nicht wie Erdgas aus der Leitung kommt. Möglich ist dies in Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Beispiel mit:

• Wasserdampf aus Erdgas
• überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien und Wasser

Die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas

Die Herstellung von Wasserstoff für die Brennstoffzellenheizung im Einfamilienhaus funktioniert zum Beispiel mit einem Reformer. Dieser wird in die stromerzeugenden Heizgeräte integriert und versetzt Erdgas mit heißem Wasserdampf. Er basiert auf einer zweistufigen Reaktion, bei der das im Gas enthaltene Methan zuerst zu einem Gemisch aus  Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff und dann zu Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff umgesetzt wird. Um den  Wasserstoff zum Heizen  nutzen zu können, sind CO₂ und andere unerwünschte Bestandteile aus dem Gas zu entfernen. Außerdem muss es gereinigt werden.

Zwei Arten von Reformern:  

1. Dampfreformer benötigen eine externe Wärmequelle, erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 80 Prozent und haben auch bei industriellen Anlagen den größten Anteil an der Herstellung von Wasserstoff.  
2. Eine Sonderform ist der autotherme Reformer. Er kombiniert die Dampfreformierung mit einer partiellen Oxidation und kann die benötigte Reaktionswärme selbst bereitstellen. Die besonders genaue Regelung des Reaktionsprozesses sorgt dabei zu einer höheren energetischen Ausbeute und einer hohen Dynamik. Der Prozess führt zur Bildung von mehr Stickstoff-Oxiden und ist daher mit einer aufwendigeren Reinigung verbunden.

Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von  grünem Wasserstoff  bietet die  Elektrolyse  mithilfe von elektrischem Strom. Dabei wird beispielsweise Strom aus Solar- oder Windkraftanlagen genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Auf diese Weise kann der Strom effektiv und für lange Zeit gespeichert und bei Bedarf über die Brennstoffzellenheizung in Strom und Wärme gewandelt werden. Heute nutzen bereits einige Musteranlagen diese Technologie in ganzheitlichen Gebäudekonzepten zur autarken Energieversorgung. Ein Beispiel dafür ist ein Mehrfamilienhaus im schweizerischen Brütten, in dem eine Solaranlage überschüssigen Strom mit einem sogenannten Elektrolyseur in Form von Wasserstoff speichert.

Vergärung von Biomasse als Alternative?

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 speichern: Möglichkeiten im Überblick

Heute gibt es verschiedene Möglichkeiten, mit denen sich der Energieträger bis zu seiner Verwendung lagern lässt. Neben dem Wasserstoff speichern in Druck- oder Flüssiggasbehältern kommen dabei auch alternative Lösungen zum Einsatz. Ein Beispiel dafür ist die Speicherung in Form chemischer Verbindungen oder in porösen Materialien.

Druckwasserstoffspeicherung in stabilen Tankanlagen  

Bei der sogenannten Druckwasserstoffspeicherung wird Wasserstoff unter hohem Druck in gasförmiger Form eingelagert. Auf diese Weise lässt sich sein Volumen reduzieren, sodass er in großen Mengen speicherbar ist. Mit Drücken von bis zu 800 bar kommen zum Wasserstoff Speichern allein zylindrische oder kugelförmige Behälter zum Einsatz. In diesen verteilen sich die Kräfte gleichmäßig und Spannungen im Material werden vermieden. Zum Vergleich: Der Druck in einem Autoreifen beträgt nur zwei bis drei bar. Hergestellt wird der hohe Druck mithilfe von Kompressoren, die zum Einlagern rund 12 Prozent des Energieinhaltes vom Wasserstoff verbrauchen. Geht es um die Speicherung größerer Wasserstoffmengen, kommen alternativ auch unterirdische Speicherstätten wie Salzkavernen-Speicher zum Einsatz. Interessant zu wissen ist, dass es heute bereits Behälter gibt, die die Druckwasserstoffspeicherung mit bis zu 1.200 bar ermöglichen.

Wasserstoffspeicherung für flüssige Stoffe

Eine Alternative zur  Druckwasserstoffspeicherung ist die Lagerung von Wasserstoff in flüssiger Form. Dazu ist der Rohstoff auf eine Temperatur von unter 200 Grad Celsius abzukühlen. Dabei wechselt das Gas seinen Aggregatzustand. Dies funktioniert bei geringem Druck.

Während das zu einer geringeren Reaktivität und einer besonders hohen Dichte führt, gilt vor allem der hohe Energieverbrauch der Kühlung als Nachteil. Denn je nach Methode kann dieser mehr als 40 Prozent des Energieinhaltes des Wasserstoffs ausmachen. Ein weiterer Nachteil ist die aufwendige Isolierung, die wie bei einer Thermoskanne zum Teil aus einer Vakuumschicht besteht. Ohne einen entsprechenden Schutz vor einströmender Wärme verdampft der Wasserstoff im Behälter und der Druck würde steigen. Damit sich das vermeiden lässt, ist das Gas in regelmäßigen Abständen abzulassen. Experten sprechen dabei von sogenannten Abdampf- oder Boil-Off-Verlusten.

Wasserstoff in porösen Materialien speichern

Eine weitere Lösung zum Wasserstoff speichern bieten hochporöse Materialien wie Zeolithe, Karbon-Röhrchen oder Aktivkohle. Damit diese den Energieträger aufnehmen, ist jedoch eine Temperatur von rund -200 Grad Celsius nötig. Genau wie bei einem Flüssigspeicher ist das mit einem hohen Energieverbrauch und einer aufwendigen Isoliertechnik verbunden. Um die Nachteile gegenüber der  Druckwasserstoffspeicherung auszugleichen, sind Forscher auf der Suche nach Materialien, die den Stoff bei höheren Temperaturen aufnehmen. Dann allerdings mit einer geringeren Energiedichte.