Heizungen, Autos, Raketen – all diese Dinge brauchen Energie, und bei allen kann dazu als nachhaltiger Energieträger Wasserstoff Verwendung finden. Die Forschung um erneuerbare Energien ist aktuell und allgegenwärtig, doch was genau sind die Vorteile von Wasserstoff und wie kann er genutzt werden?

Wasserstoff (chemisches Symbol: H) wurde 1766 vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish entdeckt. Lavoisier, der dieses Gas weiter untersuchte, nannte es „hydro-gène“, was so viel bedeutet wie „wassererzeugend“. Das liegt daran, dass Wasser zusammen mit Sauerstoff schnell zu Wasser reagiert, was in der Chemie auch als Wasserstoff-Nachweis mithilfe der sogenannten Knallgasprobe genutzt wird.

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Wasserstoff – Eigenschaften

Es ist das leichteste aller Elemente und mehr als zehnmal leichter als Luft. Normalerweise ist es gasförmig und farb-, geschmack- und geruchlos. Der übliche Wasserstoff setzt sich aus einem Proton und einem Elektron zusammen, allerdings gibt es zwei weitere Isotope, die zusätzlich jeweils ein bzw. zwei Neutronen enthalten. Deuterium wird auch schwerer Wasserstoff genannt und hat ein Neutron im Kern, ist aber, genau wie der häufigste Wasserstoffisotop, der „normale“ Wasserstoff, stabil. Tritium, der sogenannte überschwere Wasserstoff mit zwei zusätzlichen Neutronen, hingegen, ist instabil. Aus diesem Grund zerfällt Tritium und strahlt dabei radioaktive Strahlung ab.

Im Universum ist Wasser das am häufigsten vorkommende chemische Element, was es auch sehr geeignet zur nachhaltigen Energieerzeugung macht. Allerdings liegt Wasser auf der Erde nie in elementarer Form, sondern nur gebunden vor: es bildet das Wasserstoffmolekül H₂ und kommt in der Atmosphäre meistens an Sauerstoff gebunden als Wasser (H₂O) oder zusammen mit Kohlenstoff als Methan (CH₄). Sowohl Wasser als auch Methan kommen auf der Erde sehr häufig in verschiedenen Formen vor. Außerdem enthalten die meisten organischen Verbindungen (das sind Verbindungen, die Kohlenstoff beinhalten, wie z.B. Zellulose, Zucker, Öle, Fette und viele andere) Wasserstoff.

Gewinnung

Aufgrund der Eigenschaft , nur gebunden vorzuliegen, muss er jedoch zur energetischen Nutzung zunächst von seinen ursprünglichen Molekülen abgespalten werden, denn er kann eben nur aus diesen gewonnen werden.

Eine Methode, die auch zur Herstellung von grünem Wasserstoff mithilfe von erneuerbaren Energien angewandt werden kann, ist die Elektrolyse von Wasser. Dieses Verfahren besteht schon fast so lange, wie man den Wasserstoff überhaupt entdeckt hat. Dabei wird das Wasser durch das Anschließen von Strom in seine Bestandteile zerlegt. Weil andere Methoden wirtschaftlich sinnvoller sind, wird die Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff in der Industrie meistens nur dann genutzt, wenn dafür regenerative Energien zur Verfügung stehen. Der so gewonnene Wasserstoff wird auch grüner Wasserstoff genannt, weil dabei keine Treibhausgase entstehen, keine fossilen Energieträger verbraucht und keine Atomenergie benötigt wird.

Sogenannter grauer Wasserstoff entsteht aus fossilen Brennstoffen. Bei der am häufigsten genutzten Methode, der Dampfreformierung, wird Erdgas bei hoher Hitze in CO₂ und Wasserstoff umgewandelt. Da das hierbei entstehende CO₂ sich ungenutzt mit der Luft in der Atmosphäre vermischt, verschlimmert diese Methode allerdings den Treibhauseffekt und ist deshalb nicht besonders umweltfreundlich. Weil sie aber billiger ist als die Elektrolyse von Wasser, wird sie bisher hauptsächlich angewendet.

Eine weitere umweltschonende Methode zur Herstellung von Wasserstoff sind Grünalgen. Sie produzieren diesen auf natürliche Weise mithilfe von biologischen Mechanismen. Die für die Herstellung von Wasserstoff benötigte Energie ziehen die Algen sich aus der Sonnenstrahlung. Dieses Verfahren ist ökologisch sehr sinnvoll. In diesem Bereich wird fleißig geforscht. Genau wie auch Grünalgen, können auch Blaualgen Wasserstoff herstellen. Ingenieur.de berichtet, dass es Forschern aus Israel gelungen ist, Blaualgen genetisch so verändern, dass sie ihre Wasserstoffproduktion deutlich erhöht haben. Normalerweise produzieren diese Bakterien kaum mehr Wasserstoff, sobald Sauerstoff vorhanden ist, was sie für die industrielle Wasserstoffproduktion eher ungeeignet mache. Es sei allerdings gelungen, die Herstellung von Wasserstoff auch unter Sauerstoffzufuhr zu vervierfachen. Zusätzlich werde nun versucht, das für die Wasserstoffproduktion verantwortliche Enzym der Blaualgen, die Hydrogenase, synthetisch herzustellen. Es wird erhofft, durch eine erhöhte Konzentration dieser Enzyme in Blaualgen Wasserstoff in industriellem Maßstab produzieren zu können.

Verwendung

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten verwendet werden.

Einerseits können damit synthetische Gase hergestellt werden, die zum Beispiel Erdgas ersetzen.

Andererseits wird in Brennstoffzellen Wasserstoff in Wärme und Strom umgewandelt. Brennstoffzellen bestehen aus einem galvanischen Element, das die Elektrolyse von Wasser sozusagen umkehrt. Der Soff wird in durch eine Membran getrennten Räumen zur Reaktion gebracht, wobei die chemische Energie in Form von elektrischem Strom und Wärme frei wird.

Auf diese Weise werden seit den 1960er Jahren Raketen angetrieben. Auch Zeppeline wurden mit Brennstoffzellen angetrieben. Nach dem Unglück der Hindenburg, bei dem sich der leicht entzündliche Wasserstoff durch den Absturz entzündete, war Wasserstoff aber wegen seiner Explosivität nicht mehr so beliebt. Davon abgesehen gibt es Wasserstoff-Autos, bei denen die Brennstoffzelle für den Strom sorgt, den der Elektromotor benötigt. Sie tanken regelmäßig Wasserstoff auf. Auch Brennstoffzellenheizungen verbreiten sich immer mehr. In Japan wurden bereits ganze Gebäudekomplexe damit ausgestattet.

Wasserstoff – Nachhaltigkeit

Grundsätzlich ist Wasserstoff ökologisch nachhaltiger als alternative Energiequellen und -träger wie Erdöl, Erdgas oder Energie, die durch Kernspaltung gewonnen werden. Denn er ist in vielen verschiedenen organischen und anorganischen Verbindungen in der Atmosphäre und auch im restlichen Universum reichlich vorhanden und wird, anders als beispielsweise Erdgas, bei der Verbrennung nicht verbraucht. Natürlich bleiben die einzelnen Atome des Ausgangsstoffs immer erhalten, allerdings kann aus dem bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehenden Wasser beispielsweise durch Elektrolyse wieder Wasserstoff gewonnen werden, während bei der Verbrennung von Erdgas unter anderem CO₂ entsteht. Das ist nicht nur schädlich für die Atmosphäre, sondern bedeutet auch, dass aus den Verbrennungsprodukten nicht so einfach wieder das ursprüngliche Erdgas synthetisiert werden kann. Zusätzlich entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff keinerlei Emissionen, was seine Verwendung besonders umweltfreundlich macht.

Allerdings ist Wasserstoff keine primäre Energiequelle, wie zum Beispiel Erdöl, sondern lediglich ein Energieträger. Würde er in elementarer Form auf der Erde vorliegen, könnte er direkt zur Energieerzeugung verwendet werden, aber da er zunächst von anderen Molekülen abgespaltet werden muss, dient er nur als Energieträger. Denn er transportiert u.a. die Energie, die verwendet wurde, um ihn herzustellen. So kommt es in Bezug auf die Nachhaltigkeit von Wasserstoff nicht nur auf die Wirksamkeit bei der direkten Anwendung, sondern auch auf die Art der Herstellung an. Wurde Wasserstoff mithilfe von Atomenergie gewonnen, liegt er in puncto erneuerbare Energien nicht besonders weit vorne, auch wenn er für ein Wasserstoffauto benutzt wird. Ganz anders sieht es allerdings aus, wenn Wasserstoff durch regenerative Energien gewonnen wird. Dieser grüne Wasserstoff wird besonders gefördert und wie auch eine Strategie des Bundeskabinetts zeigt, soll Deutschland in Zukunft zu den Ländern gehören, die weltweit am meisten klimafreundliche Wasserstoff-Energie nutzen. Dazu wäre es optimal, mit Sonnen- und Windkraftanlagen so viel Strom zu erzeugen, dass damit wirtschaftlich nachhaltig Wasserstoff produziert und für andere Anwendungen weiterverwendet werden kann.

Insgesamt ist Wasserstoff ein guter Energieträger, der andere Energieträger wie Erdgas oder Erdöl ersetzen könnte, wenn er ausreichend effizient produziert wird. Die Frage, wie nachhaltig und grün Wasserstoff als Energieträger ist, lässt sich aber nicht pauschal beantworten und ist vor allem davon abhängig, wie er hergestellt wird. Alte Verfahren wie die Elektrolyse und neue Verfahren wie die biologische Wasserstoffproduktion mithilfe von Grün- und Blaualgen haben noch viel Potenzial und könnten dabei ihren Beitrag zu einer grüneren Energiebereitstellung leisten.

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