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Wasserstoff ist das kleinste Element, das wir kennen. In der Natur kommt er nur im Doppelpack vor als das Molekül H2. Dieses ist bei Raumtemperatur gasförmig, . Im Weltall macht Wasserstoff 90 % aller Teilchen aus. In der Erdhülle sind nur 0.9% Wasserstoffatome; die meisten Wasserstoffteilchen sind in organischen Verbindungen wie Wasser oder Erdöl gebunden.
Wasserstoff kann auf viele verschiedene Arten gewonnen werden. Die verwendeten Verfahren nennt man Elektrolyse (Spaltung mit Strom), Dampfreformation, autotherme Reformation, Kvaerner-Verfahren und so weiter.
Wasserstoffherstellung
Die meisten Verfahren sind auf fossile (Brenn-)Stoffe angewiesen: Erdgas, Benzin, Naphthalin, Schweröl oder Kohle. Ethylen oder Methanol können ebenfalls zur Wasserstoffgewinnung eingesetzt werden. Einige Forscher arbeiten auch an der genetischen Veränderung von Bakterien, Archäen oder Grünalgen, um zukünftig in grossen Mengen ökologisch produzierten Wasserstoff herzustellen. Ebenfalls bereits getestet wurde eine Solaranlage, welche mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser spalten und somit Wasserstoff herstellen kann.
Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von sehr viel Strom gespalten. Meist wird Wasserstoff trotzdem direkt vor Ort mit einem Elektrolyseur produziert. Denn einerseits besteht das Stromnetz schon, andererseits ist der Transport von Wasserstoff sehr aufwändig. Auf dem freien Markt wird sehr wenig Wasserstoff gehandelt.
Aus jedem gespaltenen Wassermolekül werden 2 Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom frei. Die Atome finden sich zu O2 und H2 Molekülen zusammen. Die Produkte der Spaltung sind also wieder gasförmig.
Wasserstofflagerung
Reiner Wasserstoff kann flüssig in Tanks gelagert werden: Entweder unter hohem Druck (um 300 bar), oder durch Kühlung unter -252° C. Zur Verflüssigung des Wasserstoffs durch Kühlung braucht man ungefähr einen Drittel der enthaltenen Energie.
Wasserstoff kann auch mit Hilfe von Flüssigkeiten oder Feststoffen gespeichert werden. Im Metallhydridspeicher wird Wasserstoff chemisch mit einem Metall verbunden. Bei der Adsorptionsspeicherung wird Wasserstoff an poröse Materialien angelagert. Zusätzlich wurden weitere organische Speicherformen (weiter)entwickelt, wie beispielsweise der Graphitnanofaserspeicher.
Weil Wasserstoffatome sehr klein sind und eine kleine Dichte haben, müssen Lagertanks von hoher Qualität sein. In offenen Räumen verflüchtigt sich entweichender Wasserstoff sehr schnell, in geschlossenen Räumen könnte jedoch ab einer Konzentration von 18 % eine sogenannte Knallgasreaktion entstehen. Bei dieser reicht ein Funke aus, um den Wasserstoff mit Hilfe des Luftsauerstoffs in einer heissen Explosion (exotherme Reaktion) zu Wasser zu ‘verwandeln‘. In einer heissen Umgebung brennt der Wasserstoff ab einer Konzentration von 4 % ab, sodass es kaum zu einer Explosion kommt.
Wasserstoff als Autoantrieb
Wasserstoffautos sind 80 % baugleich mit reinen Elektroautos. Beide verwenden einen Elektromotor und keins von beiden stösst lokal Abgase aus. Beide sind allerdings nur so ‘grün‘, wie der Strom, der sie antreibt.
Die Hauptunterschiede: Im Wasserstoffauto verbrennt eine Brennstoffzelle den Wasserstoff aus dem Tank und produziert damit Strom, um den Elektromotor anzutreiben. Im reinen Stromer kommt der Strom direkt aus einer Batterie. Bei gleicher Reichweite ist der Wasserstofftank samt Inhalt preisgünstiger und leichter als die Batterie. Für die Brennstoffzelle braucht es allerdings Platin, was diese 100 Mal teurer macht als einen Dieselmotor. Brennstoffzellenautos und Elektroautos sind preislich ungefähr vergleichbar. Das Wasserstoffauto dürfte im Unterhalt etwas teurer sein, da es über mehr Verschleissteile verfügt. Ein Beispiel dafür ist der Auspuff für den Wasserdampf.
Der Swisslos Fond hat für ein Brennstoffzellenpostauto-Pilotprojekt 1.5 Millionen Franken beigesteuert. Die fünf Busse sind in der Region Brugg während der ersten vier Jahre zusammen schon über eine Million Kilometer gefahren. Die bisher verbrauchten 80 Tonnen Wasserstoff wurden lokal mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt. Da die fünf Busse alle zum selben Betrieb gehören, können sie an einem Standort gewartet und betankt werden. Trotzdem sind die Kosten für den Betrieb einiges höher als bei Dieselbussen. Passagiere und Chauffeure loben die geringe Lautstärke sowie Vibration und das Fahrverhalten der Brennstoffzellenbusse. Ob diese Argumente am Ende der Pilotphase den Mehrkostenaufwand übertrumpfen werden, steht noch nicht fest.
Heute gibt es kaum Wasserstoffautos auf dem Markt, da momentan nur mit dem Argument des Umweltschutzes und nicht mit dem des Kostensparens geworben werden kann. Ausserdem gibt es noch sehr wenige Wasserstofftankstellen. Die Autohersteller sind deshalb zurückhaltend mit der Vermarktung. Die Tankstellenanbieter warten hingegen auf die Nachfrage, bevor sie ein Tankstellennetz aufbauen.
Prinzipiell wäre denkbar, dass man mit erneuerbarer Energie produzierten Strom in Form von Wasserstoff speichert und bei Bedarf wieder zu Strom umwandelt. Da der Energieverlust jedoch mit jedem zusätzlichen Umwandlungsschritt grösser wird, ist diese Lösung nur sinnvoll, wenn ein Überschuss an Strom produziert wird, beziehungsweise der Strom nicht über Leitungen abgeführt werden kann.