Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem, ein „farb-, geruchloses und geschmackfreies Gas, das in der Verbindung mit Sauerstoff als Wasser vorkommt und […] als Heizgas und in Brennstoffzellen verwendet wird.“ [1] Unter normalen Bedingungen[2] liegt Wasserstoff immer bi-atomar und gasförmig in der Form H2 vor.[3]

Wasserstoff kommt in der Natur nicht in elementarer Form vor. Für die Herstellung von Wasserstoff werden, je nach Anforderungsprofil, unterschiedliche Verfahren verwendet.[4] 95% des Wasserstoffes wird heutzutage aus fossilen Energieträgern hergestellt, das steht dem klimaneutralen Hintergrund entgegen.[5] Mit zunehmender Verfügbarkeit erneuerbarer Energien, wird der durch Elektrolyse[6] aus erneuerbaren Energien hergestellte Wasserstoffstoffanteil, signifikant ansteigen.[7] Ein zu beachtender Faktor bei „Power to X“[8] Anwendungen im Kontext der Sektorenkopplung ist die Ineffizienz, welche durch die Umwandlungen entsteht.[9]

Herstellung von Wasserstoff

Bei der Herstellung von Wasserstoff durch das marktgängigste Verfahren wird Elektrizität verwendet, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten.[10] Wasserstoff steht in der Herstellung noch vor einigen Herausforderungen, insbesondere bei der Herkunft der Energie zur Herstellung.

Nach der Herstellung von Wasserstoff ist der nächste Schritt die Speicherung und der Transport. Wasserstoff ist klein, leicht, unter Normalbedingungen gasförmig und in Konzentrationen von 4-77% entzündlich. Deshalb werden zur Lagerung spezielle Druckbehälter, welche die Dichte erhöhen, verwendet.[11] Neben den Hürden, die Wasserstoff von Natur aus mit sich bringt, liegt hier auch eine große Stärke des Selbigen. Im Gegensatz zu Strom dient Wasserstoff direkt als chemischer Speicher, der Energie aufnimmt und für lange Zeit bewahrt. In der Brennstoffzelle kann aus dem gewonnenen Wasserstoff daraufhin in einer Umkehrreaktion wieder Strom gewonnen werden.[12]

Brennstoffzelle

Wasserstoff wird momentan weltweit zu etwa 90% für die Herstellung von Chemikalien und zur Rohölverarbeitung genutzt. Die restlichen zehn Prozent entfallen auf industrielle Anwendungen, wie die Metallverarbeitung, Glasherstellung und Elektrizitätsherstellung durch Brennstoffzellen.[13] Eben Letzteres birgt jedoch Potenzial, wie der Nobelpreisträger Wilhelm Ostwald bereits 1884 sagte:

„The fuel cell is a greater achievement of civilization than the steam engine and will soon banish the Siemens generator into the museum.“[14]

Wilhelm Ostwalds Aussage basiert darauf, dass die Reaktion zur Herstellung und zum Verbrauch sehr einfach ist. Sie benötigt neben technischen und physischen Gegebenheiten zur Umsetzung, keine weiteren, zusätzlichen Stoffe. Ein in Zeiten des Klimawandels besonders bemerkenswerter Effekt ist, dass Wasser das einzige Nebenprodukt der Reaktion ist.

Ein weiterer Vorteil der Brennstoffzellen ist, dass die meisten Modelle auch mit anderen Treibstoffen, wie Biogas, Ethanol, Synthesegas und Erdgas, funktionieren. Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden und einem für bestimmte Ionen semipermeablen Elektrolyt und lässt Wasserstoff mit Sauerstoff exotherm reagieren.[15] Je nach Bauart liegt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zwischen 50 und 1000 Grad Celsius.[16] Problematisch ist an Brennstoffzellen derzeit der Effizienzgrad der Umwandlung. Dieser liegt momentan, je nach Modell, bei etwa 30 bis 70%.[17] Diese Effizienzverluste können wirtschaftlich als Kosten der Speicherung betrachtet werden und erhöhen damit die Kosten der Anwendung.

Power to X

Die oben geführte Diskussion über die technischen und chemischen Gegebenheiten des Wasserstoffs lässt darauf schließen, dass dieser in „Power to X“[18] Anwendungen und in der Mobilität, unter Beachtung spezifischer Hürden, Anwendung findet. Wasserstoff gilt als ein grüner und zukunftsträchtiger Energieträger, der in vielen Anwendungsbereichen dank seiner speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften eine Alternative zu bestehenden Energieformen darstellt.[19]


[1] Vgl. Bibliographisches Institut GmbH (Hrsg.) (2019), https://www.duden.de/rechtschreibung/Wasserstoff (Stand: 26.03.2019).

[2] Bei Umgebungstemperatur und Atmosphärendruck von 1,013 Bar. Vgl. hierzu: Adolf, J., et al. (2017), S. 6.

[3] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 8.

[4] Vgl. Jander, G./Spandau H. (1987), S. 171.

[5] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 11.

[6] Herstellungsverfahren aus Strom. Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 14.

[7] Vgl. Ewan, B./Adeniyi, O. (2013), S. 1657 f.

[8] Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 16 f.

[9] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 16.

[10] Vgl. hierzu ausführlich De Valladares, M. (2017), S. 7.

[11] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 6-10.

[12] Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 30 f.

[13] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 29.

[14] Adolf, J., et al. (2017), S. 31.

[15] Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 30 f.

[16] Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 30 f.

[17] Vgl. hierzu ausführlich Adolf, J., et al. (2017), S. 32 f.

[18] Vgl. Adolf, J., et al. (2017), S. 16 f.

[19] Vgl. Van Hulst, N. et al. (2019), S. 34, 37.