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Wasserstoff (H) ist das häufigste und zugleich das kleinste chemische Element im Universum. In dieser atomaren Form ist der Wasserstoff sehr reaktionsfreudig. Deshalb kommt er fast nur im Doppelpack (als farb- und geruchloses Gas H2) oder in chemischen Verbindungen mit anderen Stoffen vor, beispielsweise als Wasser, als Kohlenwasserstoff, in Säuren und anderen organischen Verbindungen.
Schon seit vielen Jahren wird versucht, aus Wasserstoff den Energieträger der Zukunft zu machen. Er scheint tatsächlich ein vielversprechender Energieträger zu sein — vorausgesetzt, er wird richtig eingesetzt.
Energieträger, nicht –quelle
Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe man Energie speichern und transportieren kann. Zur Herstellung von Energie aus Wasserstoff muss zunächst Primärenergie (fossile Energie, Kernenergie oder erneuerbare Energien) aufgewendet werden. Eine umweltfreundliche Energieerzeugung mittels Wasserstoff findet also erst dann statt, wenn erneuerbare Energiequellen zu seiner Herstellung eingesetzt werden.
Derzeit geschieht die Gewinnung von Wasserstoff primär auf Basis fossiler Energieträger wie dem in Erdgas enthaltenen Methan. Bei diesem Verfahren wird den aus Kohlen-Wasserstoff-Ketten bestehenden fossilen Energieträgern in mehreren Schritten der Wasserstoff entzogen. Als Nebenprodukte entstehen u.a. Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid. Der Prozess geht mit grossem Energieaufwand und erheblichen CO2-Emissionen einher.
Es gibt einen weiteren, deutlich umweltfreundlicheren Herstellungsprozess, der zunehmend gebräuchlicher wird: Die Elektrolyse. Bei diesem Verfahren wird Wasser mittels elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wird die elektrische in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Der Wasserstoff kann so als Energiespeicher für erneuerbare Energien (anstelle von herkömmlichen Batterien) eingesetzt werden. Der Vorteil: Als Gas lässt sich Wasserstoff leichter speichern und transportieren als Strom in einer Batterie.
Fahren, heizen, fliegen
In einer Brennstoffzelle kann das umgekehrte Prinzip genutzt werden, um die zuvor chemisch im Wasserstoff gespeicherte Energie wieder in elektrische umzuwandeln. So kann der Wasserstoff u.a. zum Antrieb von Fahrzeugen, der Stromversorgung von Haushalten und als Brennstoff in Brennstoffzellen-Heizungen genutzt werden. Selbst das Fliegen mittels Wasserstoff liegt in nicht allzu weiter Ferne: Im September diesen Jahres hat Airbus die ersten Entwürfe für ein Passagierflugzeug mit Wasserstoffantrieb veröffentlicht, welches bereits 2035 betriebsbereit sein soll.
So funktioniert die Brennstoffzelle
In der Brennstoffzelle reagiert ein Brennstoff, z.B. Wasserstoff, mit einem Oxidator wie Sauerstoff. Der Aufbau einer Brennstoffzelle ist vergleichbar mit dem Aufbau einer Batterie. Beide bestehen aus zwei Elektroden: Einer Anode (Pluspol) und einer Kathode (Minuspol). Der Wasserstoff wandert von der einen zur anderen Elektrode und reagiert mit dem Sauerstoff. Hierbei entsteht in einer sogenannten „kalten Verbrennung“ (einer chemischen Reaktion) Wärme, Strom für den Antrieb des Elektromotors und als „Abgas“ Wasser bzw. Wasserdampf.
Wasserdampf statt Abgas
Wasserstoff hat als Treibstoff eine Reihe von Vorteilen. Seine „Verbrennung“ produziert reinen Wasserdampf als einziges „Abgas“. Zudem ermöglicht Wasserstoff aufgrund seiner relativ hohen Energiedichte grössere Fahrzeug-Reichweiten als Elektroautos mit Batterie: In der Regel kommt ein Wasserstoff-Auto mit einer Tankfüllung über 600 Kilometer weit, das Elektroauto mit der bislang grössten Reichweite schafft es rund 560 Kilometer. Der Transport über lange Strecken mittels Akku ist derzeit kaum machbar — die Akkus sind zu schwer. Aus diesem Grund wird die Implementierung von Wasserstoff-Brennstoffzellen im Fernverkehrs-Gütertransport vorangetrieben. Die Schweiz ist hier ein Pionier: Im Oktober 2020 wurden die ersten sieben Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge (der Hyundai Xcient) in Luzern ausgeliefert, bis Ende Jahr sollen 50 LKWs mit Wasserstoffantrieb auf die Strassen — bis in fünf Jahren sogar 1600. Experten sind sich jedoch einig: Im Privatauto gehört die Zukunft dem Batteriebetrieb, denn der Akku ist auf Kurz- bis Mittelstrecken effizienter als die Brennstoffzelle.
Fehlende Infrastruktur
Bislang fehlt es noch an der Infrastruktur, um die grossflächige Inbetriebnahme von Brennstoffzellen-Autos zu unterstützen. Doch das soll sich ändern. In der Schweiz gibt es derzeit erst zwei Wasserstoff-Tankstellen (in Hunzenschwil AG und in Dübendorf ZH), bis Anfang 2021 sollen es acht sein.
Zudem sind die Kosten der Brennstoffzellen noch sehr hoch. Die Gründe: Die Entwicklung ist teuer, und die verkauften Stückzahlen sind noch sehr gering. Experten zufolge würden die Preise bei steigenden Stückzahlen auf denselben Preis wie jenen von Akkus sinken.
Ob sich die Brennstoffzellen-Fahrzeuge durchsetzen, bleibt abzuwarten. Eine grundlegende Energierevolution hält die Brennstoffzelle zwar wohl nicht bereit, aber ihr möglicher Beitrag zu einem nachhaltigen Transportwesen und zu anderen, ausgewählten Anwendungen ist auch nicht zu unterschätzen.