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Schon seit einhundert Jahren wird Wasserstoff in der Chemieindustrie eingesetzt. Er ist 14-mal leichter als Luft, nicht giftig, ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst, brennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei aus und ist heute ein zunehmend gefragter Energieträger. Doch auch wenn er im Universum im absoluten Überfluss zu finden ist, auf der Erde kommt Wasserstoff nur in gebundener Form vor und muss unter Zugabe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff (z. B. Erdgas, Wasser oder Biomasse) abgespaltet werden. Hierzu gibt es verschiedene Verfahren.
Beim Elektrolyseverfahren wird Wasser durch den Einsatz von Strom in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. So wird die eingesetzte elektrische Energie in chemische umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Da dieses Verfahren CO2-neutral ist, spricht man auch von grünem Wasserstoff.
Mit dem Reformationsverfahren wird im industriellen Massstab Wasserstoff aus Erdgas gewonnen. Hier entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid – man spricht von grauem Wasserstoff. Wird das entstandene CO2 aufgefangen und gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwertet (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff.
Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas unter Einsatz von Hitze gespalten. Dadurch entstehen Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Um CO2-neutral zu sein, muss die Energie aus erneuerbaren Quellen stammen und der Kohlenstoff langfristig gebunden werden. Hier spricht man von türkisem Wasserstoff.
Die Brennstoffzelle
Um Wasserstoff nutzen zu können, wird eine Brennstoffzelle benötigt. In ihr wird die Elektrolyse quasi umgedreht, der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff in einer sogenannten «kalten Verbrennung». Dabei wird sowohl Elektrizität als auch Wärme erzeugt, damit beruht die Brennstoffzelle auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung. Als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an. Die entstehende Elektrizität wird als Gleichstrom in einem Inverter zu, für den Verbraucher nutzbaren, Wechselstrom umgewandelt. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher an einen Heizwasser-Pufferspeicher abgegeben. So kann sie zum Erhitzen von Trinkwasser oder Heizen eingesetzt werden. Durch die parallele Produktion von Strom und Wärme haben Brennstoffzellen einen sehr hohen Wirkungsgrad.
Vorteile
Dadurch, dass Wasserstoff schon lange Zeit in der Chemieindustrie Anwendung findet, ist der Umgang damit weitgehend sicher. Weder sein Transport noch seine Zwischenlagerung werfen grössere Probleme auf.
Mit Wasserstoff lassen sich die Lücken zwischen Angebot und Nachfrage schliessen, die bei der Stromproduktion mit Photovoltaikanlagen oder Windkrafträdern entstehen. Wird mehr Strom produziert als aktuell benötigt, kann er für die Elektrolyse eingesetzt, um so grünen Wasserstoff zu produzieren. Dieser kann dann vor Ort gelagert oder zu einem anderen Einsatzort transportiert werden.
Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger und kann zur Reduzierung von Emissionen beitragen. In Brennstoffzellen-Fahrzeugen ersetzt er fossile Brennstoffe und auch im Wohnbereich kann er als Brennstoff für Heizungen eingesetzt werden. Daneben gibt es auch industrielle Anwendungen, wie die Herstellung von klimaneutralem, sogenanntem «grünen Stahl».
Nachteile
Klingt bisher so gut, dass man sich fragen könnte, warum wir Wasserstoff nicht schon lange im grossen Stil nutzen. Wo ist also der Haken?
Der wohl schwerwiegendste Nachteil liegt darin, dass der Wasserstoff zuerst unter hohem Energieaufwand produziert werden muss. Vor allem das Elektrolyseverfahren ist zurzeit noch extrem energieintensiv. Gleiches gilt für das Kühlen des Wasserstoffes, denn er verflüssigt sich erst bei -253 °C.
Ein weiteres Problem stellt die aktuelle Generation Brennstoffzellen dar. Diese benötigen für ihre Katalysatorschicht Platin. Um das teure Element zu ersetzen, wird aktuell nach kostengünstigeren Alternativen geforscht.
Eine gute Option
Sie sehen also, Wasserstoff mag ein sehr eleganter Energieträger sein, er kommt aber nicht ohne seine eigenen Fallstricke. Können wir diese aber in der näheren Zukunft überwinden, können wir auch die dringendsten Probleme, vor die uns sowohl die erneuerbaren Energien als auch der Mobilitätswandel stellen, lösen.