Wasserstoff

Wasserstoff verändert alles. Er könnte den Planeten verändern, indem er grüne Energie liefert und speichert. Er könnte Lkw, Schiffe und Flugzeuge antreiben und sogar Städte mit Energie versorgen. Doch damit die Wasserstoff-Revolution Wirklichkeit wird, muss die Menschheit einige technische und wirtschaftliche Hürden überwinden. Machen wir uns also bereit für einen Ausflug auf die atomare Ebene und schauen, ob Wasserstoff das Zeug hat, die Welt zu verändern!

Wenn du ein Buch über das Universum aufschlagen würdest, würdest du Wasserstoff gleich im ersten Kapitel finden. Denn er ist einer der Bausteine des Universums. Er macht 90 % der Atome in den Sternen aus ^[1-4] und auf der Erde ist Wasserstoff einer der Hauptbestandteile von Wasser, Pflanzen und sogar der DNA aller Lebewesen ^[4-7].

Er ist außerdem ein extrem energiereicher Brennstoff, weshalb die NASA ihn für Raketen zur Erforschung des Weltraums nutzt ^[8,9,10]. Wasserstoff bringt die Menschheit also schon jetzt in neue Höhen. Und das Beste daran: Er produziert kein CO₂!

Warum ist er dann nicht weltweit die erste Wahl für Energie? Nun, so einfach ist es nicht.

Wasserstoff lässt sich nur schwer in reiner Form aus der Erde gewinnen, obwohl es natürliche Vorkommen gibt ^[11-17]. Meist bildet er zusammen mit anderen Elementen Verbindungen. Zum Beispiel bildet er zusammen mit Sauerstoff Wasser oder H₂O. Er kann sich auch mit Kohlenstoff verbinden und fossiles Gas bilden, auch bekannt als Methan oder CH₄.

Um reinen Wasserstoff zu gewinnen, muss er also von den Elementen getrennt werden, mit denen er verbunden ist. Wenn Wasserstoff aus Wasser gewonnen wird, wird Sauerstoff frei. Wenn er von fossilem Gas getrennt wird, wird Kohlenstoff frei. Ob Wasserstoff als Brennstoff gut oder schlecht für den Planeten ist, hängt also davon ab, wie dieser Wasserstoff hergestellt wird.

Derzeit gibt es drei Hauptarten, Wasserstoff als Brennstoff herzustellen, die als grau, blau und grün bezeichnet werden: ^[18-21]

Heute wird der meiste Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen hergestellt ^[22-28] und die häufigste Art ist grauer Wasserstoff, der aus fossilem Gas gewonnen wird. Doch egal, ob du Gas, Kohle oder Öl nutzt, bei der Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gelangt viel CO₂ in die Atmosphäre ^{[19,26,27,28]}. Leider machen diese Arten mehr als 99 % der gesamten Wasserstoffproduktion aus ^[23,24,28] - autsch!

Allein die Produktion von grauem Wasserstoff stößt sogar mehr CO₂ aus als das Vereinigte Königreich und Australien zusammen ^[28,29]!

In den letzten Jahren haben Fortschritte bei einer Technologie namens CO₂-Abscheidung und -Speicherung es Kraftwerken ermöglicht, ihre CO₂-Emissionen aufzufangen und unterirdisch zu speichern ^[30,31,32]. Kombiniert man das mit der Wasserstoffproduktion, entsteht blauer Wasserstoff ^[33,34].

Doch obwohl diese Methode die CO₂-Emissionen senkt, entweicht dabei derzeit oft Methan (CH₄) ^[34-37], das über einen Zeitraum von 20 Jahren mehr als 80-mal schlimmer für die Atmosphäre sein kann ^[38,39,40]. Eine Studie fand sogar heraus, dass die zusätzlichen CH₄-Emissionen bei falscher Umsetzung so hoch sein können, dass es besser wäre, fossile Brennstoffe einfach direkt zu verbrennen ^[35].

Was Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wirklich suchen, das El Dorado der sauberen Energie, nennt man grünen Wasserstoff. Er wird aus Wasser in einem chemischen Prozess namens Elektrolyse hergestellt: ^[41-45]

Stell dir einen großen Tank voller Wasser vor, also H₂O. Um an den Wasserstoff zu kommen, musst du zuerst seine Bindungen mit Sauerstoff aufbrechen. Dafür nutzt du Strom, um die Bindungen in den Wassermolekülen zu spalten und wertvolles Wasserstoffgas zu erzeugen. Einfach!

Das Ganze kann mit erneuerbarer Energie wie Sonne und Wind fast emissionsfrei betrieben werden ^[41-45].

Dieser grüne Wasserstoff könnte die Welt verändern ^{[21,28,43,44,45]}. Branchen wie die Petrochemie und die Stahlherstellung ^[44-47] - die etwa 3,6 % und 7,2 % der weltweiten Emissionen verursachen ^[48] - beginnen sauberer zu werden, indem sie grünen Wasserstoff statt fossiler Brennstoffe nutzen. Einige Länder investieren darin, die Produktion von Ammoniak, einer Verbindung für Düngemittel, zu dekarbonisieren, was weitere 1-2 % der weltweiten Emissionen einsparen würde ^{[44-46,49-53]}.

Expertinnen und Experten untersuchen auch seinen Einsatz im Verkehrssystem. Autos haben eine geringe Priorität, weil Elektroautos diese Aufgabe schon so gut erfüllen, aber Langstrecken-Lkw, internationale Schifffahrt und Langstreckenflugzeuge haben eine höhere Priorität. Da sie nicht mit schweren Batterien betrieben werden können, ist grüner Wasserstoff eine ideale Alternative ^{[21,28,44,45,54]}.

Theoretisch (und solange er nachhaltig hergestellt wird) ist Wasser die einzige direkte Emission bei der Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff. Dieses Wasser wird sogar in den Space Shuttles der NASA genutzt, wo die Astronautinnen und Astronauten es tatsächlich trinken! ^[55,56]

Wo ist also der Haken?

Nun, wenn du Wasserstoff einfach verbrennst, kann dadurch auch Stickstoff in der Luft reagieren und Stickoxide bilden, schädliche Luftschadstoffe ^[57-61].

Das ist zwar immer noch sauberer als fossile Brennstoffe zu verbrennen, aber am saubersten ist es, ihn gar nicht zu verbrennen und stattdessen eine Wasserstoff-Brennstoffzelle zu nutzen, die die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in Strom umwandelt ^[62-65]. Das ist nicht nur effizienter, sondern erzeugt auch null Stickoxid-Emissionen und natürlich null CO₂! ^{[57-59,63-65]}

Klingt gut, oder? Warum sind dann weniger als 1 % des heute produzierten Wasserstoffs grün? ^[23,24,28] Warum setzt nicht jeder auf diese umweltfreundliche Variante?

Im Moment ist Wasserstoff teuer und für seine Herstellung wird viel Strom gebraucht ^[66-69]. Wenn du dein Handy mit grünem Wasserstoff betreiben wolltest, statt es direkt mit erneuerbarer Energie aufzuladen, müsstest du zuerst Strom aus erneuerbaren Quellen in Wasserstoff umwandeln und ihn dann mit einer Brennstoffzelle wieder in Strom zurückverwandeln. Dabei könnten bis zu 70 % der Energie verloren gehen, die du bekommen hättest, wenn du dein Handy von Anfang an direkt mit Solarpanels geladen hättest! ^[70,71,72]

Sieht so aus, als bekämst du mit grünem Wasserstoff nicht besonders viel fürs Geld. Warum sollten Menschen ihn also nutzen, um ihre Häuser und Städte mit Energie zu versorgen?

Die Antwort liegt in einer der stärksten Eigenschaften von Wasserstoff… Seiner Fähigkeit, große Mengen Energie für später zu speichern.

Da Windräder Wind brauchen und Solarpanels Sonnenlicht, müssen an dunklen und windstillen Tagen oft Gas und Kohle einspringen, damit der Strom weiter fließt. Aber hier ist eine grünere Idee:

Du versorgst Häuser über ein flexibles intelligentes Stromnetz mit erneuerbarer Energie und baust genug Wind- und Solarparks, um einen Energieüberschuss zu erzeugen. Überschüssiger Strom kann dann zu Anlagen für grünen Wasserstoff geleitet werden, wo er zur Herstellung von Wasserstoff genutzt wird. Dieser Wasserstoff kann dann gespeichert und zur Stromerzeugung genutzt werden, wenn Sonne und Wind den Bedarf nicht decken können ^[73-76].

Und als wäre das nicht genug, kann Wasserstoff in riesigen Mengen und über lange Zeit unterirdisch gespeichert werden: in alten Minen, Salzkavernen oder sogar ausgebeuteten Öl- und Gaslagerstätten ^[77-80]. Das heißt, er kann das ganze Jahr über genutzt werden, sogar in den kalten Wintermonaten.

Das nennt man saisonübergreifende Speicherung, und viele Länder investieren bereits darin ^{[23,81,82,83]}. Eines Tages könnte sie sogar helfen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beenden. Noch besser: Diese riesigen Wasserstoffvorräte geben Ländern mehr Energieunabhängigkeit, sodass sie weniger Energie importieren müssen und nicht mehr auf andere Länder angewiesen sind, damit das Licht anbleibt ^[84,85,86].

Aber könnten Batterien nicht dasselbe leisten?

Nicht ganz. Die Menge an Batterien, die nötig wäre, um für eine Stadt Energie für Wochen oder Monate zu speichern, wäre viel, viel teurer ^[87-90]. Wasserstoff dagegen kann in großen Mengen sehr günstig gespeichert werden und könnte dieses Problem der Energiespeicherung lösen ^[91,92].

Könnte Wasserstoff also dabei helfen, den Planeten zu dekarbonisieren? Nun, nur wenn es grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist ^[93], und nur wenn die Kosten realistisch sind ^[66-69]. Dafür müssen die Infrastruktur ausgebaut und modernisiert sowie erneuerbare Energien im großen Maßstab eingesetzt werden.

Aber es gibt gute Nachrichten! Wind- und Solarstrom sind inzwischen günstiger als fossile Brennstoffe ^[27,94-97]. Und dank neuer technischer Fortschritte bei Elektrolyseuren sinken auch die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff schnell ^[98-102].

Wenn die Menschheit diese neue Technologie unterstützt, könnte grüner Wasserstoff einer der leuchtenden Sterne sein, auf die wir gewartet haben.