Die Energieversorgung in Deutschland ist im Moment stark von fossilen Brennstoffen abhängig. Ihre Verwendung hat sich zu Beginn der Industrialisierung in Deutschland etabliert. Besonders Kohle wahr aufgrund der regionalen Verfügbarkeit gut für die Energiegewinnung geeignet. Über die Jahre kamen weitere Energieträger wie Erdöl und Atomkraft hinzu. Die Antiatombewegung, welche nach der Nuklearkatastrophe 2011 in Fukushima einen regen Zulauf hatte, führte zu einer schrittweisen Abkehr von nuklearen Energien in Deutschland. In den vergangenen Jahren wuchs das Bewusstsein für den menschengemachten Klimawandel und dessen Fol- gen. Da die reine Abschaltung der AKWs eine Energielücke hervorrufen würde, suchte man nach einer Möglichkeit diese zu ersetzen, ohne dabei wieder vermehrt Treibhausgase auszustoßen. Der offensichtlichste Ansatz hierfür, waren erneuerbare Energien, da diese den Anforderungen entsprechen könnten. Da deren Verwendungsmöglichkeit an die Regionalen Möglichkeiten gebunden sind, erwiesen sich in Deutschland lediglich Solar und Windenergie als praktikabel. Mit diesen neuen Energien konnte man nun die fossilen Energien stückweise ersetzen. Die einzige fossile Energie, welche nicht ersetzt wurde und im Vergleich zur Jahrtausendwende deutlich ausgebaut wurde, ist das Erdgas.[1] Der Grund hierfür ist, dass bei der Verbrennung von Erdgas, im Vergleich zu anderen fossilen Energien, nur „wenig“ Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird.[2] Ein weiterer Grund hierfür war, dass die Energiewende bereits eine enorme finanzielle Herausforderung war und Erdgas über bestehende und geplante Pipelines aus Russland billig importiert werden konnte. Russland galt nach dem Ende des Kalten Kriegs als scheinbar sicherer und zuverlässiger Partner. Zusätzlich versprach man sich durch den Handel eine Annäherung beider Länder, wodurch die immer noch angespannten Verhältnisse verbessert werden sollten. Trotz internationaler Warnungen und Proteste, vor allem aus Osteuropa und aus den Vereinigten Staaten, ließ sich Deutschland nicht von der Nutzung dieser Energie abbringen. Das politische Umdenken kam erst nach dem Einmarschieren Russlands in die Ukraine im Frühjahr 2022.  Da man der Ukraine nicht direkt militärisch beistehen konnte, ohne einen Weltkrieg auszulösen, entschied man sich dazu sich von Russland zu lösen, um den Geldstrom aus dem eigenen Land zu minimieren. Zusätzlich kam die Erkenntnis, dass Russland die Abhängigkeit der Deutschen und einiger ihrer Verbündeter als ökonomische Waffe verwenden kann.

Die aktuelle politische und wirtschaftliche Situation zwingt uns aktuell dazu, unsere zukünftige Energieversorgung zu überdenken. Da wir gleichzeitig versuchen uns von Russland und der Nukleartechnologie zu lösen und obendrein versuchen den Treibhausgasausstoß zu minimieren, bleiben uns kaum noch Alternativen zu erneuerbaren Energien. Diese haben aber im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken einen großen Nachteil. Die Menge an erzeugter erneuerbarer Energie hängt nicht direkt vom Menschen, sondern von Umwelteinflüssen und der Geografie ab. Ein Beispiel hierfür ist die Windenergie. In einem besonders windigen Jahr kann die prozentuelle und die tatsächlich produzierte Menge an Windenergie stark steigen, auch wenn kaum neue Anlagen gebaut wurden. Dies kann auch dazu führen, dass man mehr Energie produziert, als man verwenden kann. Es kann aber auch die genau entgegengesetzte Situation kommen. Dann wird eine Energiequelle benötigt, welche die fehlende Menge ersetzt. Da andere erneuerbare Energien nicht zuverlässig genug aushelfen können, bleibt in der ersten Linie nichts anderes übrig als die benötigte Menge aus klassischen Kraftwerken zu gewinnen. Da diese aber auf der Verwendung von fossilen/radioaktiven Brennstoffen beruhen, wird nach alternativen zu die- sen gesucht. Eine mögliche Antwort hierfür ist die Energiespeicherung. Die Vorstellung ist die, dass man überschüssige Energie speichert um diese bei Bedarf wieder in Strom oder Wärme verwandeln zu können.

Ein weiterer Grund, warum die Suche nach neuen/besseren Energiespeichern vorangetrieben wird, ist die geplante Elektrifizierung unseres Alltags. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür ist die Elektrifizierung der Autos. Um hier die Menge an ausgestoßenen Treibhausgasen zu minimieren, benötigt man zwangsläufig einen neuen Energieträger. Auch wenn es Stimmen gibt, welche an das Potenzial des Verbrenners glauben, setzen die meisten Automobilhersteller auf die E-Mobilität. Wie beim Ausgleich der Stromschwankungen, wird für die E-Mobilität eine praktische und preiswerte Energiespeicherung benötigt.

Die aktuell wohl bekannteste Form der Energiespeicherung ist der Akkumulator, welcher bereits für den Antrieb tausender Autos in Deutschland dient. Ein weiterer bekannter Kandidat ist der Wasserstoff, welcher bereits an verschiedenen Stellen eingesetzt wird. In dieser Ausarbeitung werde ich auf verschiedene Aspekte von Wasserstoff als Energieträger eingehen. Zu Beginn werde ich einen Einblick in die Gewinnung dieses Energieträgers geben. Hierbei werde ich auch auf die Benennung von Wasserstoff eingehen. Zur Nutzung von Wasserstoff gehört auch die Lagerung, was ich danach behandeln werde. In den darauffolgenden Abschnitten werde ich Techniken erläutern, mithilfe dessen man die Energie wieder nutzen kann und wie diese in der Praxis eingesetzt werden können. Ebenfalls werde ich die Probleme dieser Technologie aufzeigen und ausführen, warum diese nur bedingt genutzt wird. Da Wasserstoff seine Vorteile hat, werde ich diese anhand sinnvoller Anwendungsmöglichkeiten aufzeigen. Zusätzlich werde ich mit einem Beispiel, die Probleme des Wasserstoffimports erläutern. Zum Schluss werde ich einem Ausblick auf die Zukunft von Wasserstoff geben.

Wasserstoff kommt in der Natur meistens in Verbindung mit anderen Elementen vor. Um also an Wasserstoff zu kommen, muss man diesen aus einer Verbindungen lösen. Aufgrund dieser Gewinnungsmethoden wird Wasserstoff in verschiedene, farblich benannte Kategorien unter- teilt. Die bekanntesten Kategorien sind wohl der grüne und der graue Wasserstoff.

Das Augenmerk liegt hier auf dem grünen Wasserstoff, da der Wasserstoff hier mithilfe einer Elektrolyse gewonnen wird. Der Strom für die Elektrolyse muss bei der Produktion von grünem Wasserstoff aus einer erneuerbaren Quelle kommen.

Pinker oder auch gelber Wasserstoff basiert auf den gleichen Prinzipien wie grüner Wasserstoff, als Stromquelle kommt jedoch Atomenergie zum Einsatz.

Für grauen Wasserstoff, benötigt man fossile Energieträger, wodurch wiederum Treibhausgase freigesetzt werden. Wenn die bei der Produktion freigesetzten Treibhausgase weiterverwendet oder geologisch gespeichert werden, redet man von blauem Wasserstoff.

Bei türkisem Wasserstoff, darf bei der Produktion kein Treibhausgas ausgestoßen werden. Es entsteht jedoch ein fester Kohlenstoff. Dieser muss langfristig gebunden oder weiterverwendet werden.

Als weißen Wasserstoff bezeichnet man natürlich auftretende Vorkommen. Diese können durch Fracking gewonnen werden, weshalb dies auch schnell auf Widerspruch stößt.[3][4][5]

Für die Dampfreformierung benötigt man Wasser (Wasserdampf) und einen kohlenstoffhaltigen Brennstoff wie Erdgas, Biogas, Leichtbenzin oder Methanol. Diese Stoffe reagieren mithilfe hoher Temperaturen und mit hohem Druck zu einem Gasgemisch. Dieses Gasgemisch enthält mehrere verschiedene Gase, darunter Wasserstoff. Dieser wird dann mithilfe verschiedener Techniken aus dem Gemisch „gefiltert“. Das restliche Gas wird meist verbrannt, um damit die für die Reaktion benötigte Wärme zu erzeugen.

Die Dampfreformierung ist die verbreiteste Herstellungsmethode von Wasserstoff. Da bei dem Herstellungsprozess Treibhausgase ausgestoßen werden, ist dieses Verfahren nicht vereinbar mit den aktuellen politischen Zielen. Dieses Verfahren wird aktuell nur verwendet, um die Industrie mit reinem Wasserstoff zu versorgen.[6]

Unter Elektrolyse versteht man die Trennung von etwas mithilfe von Strom. In unserem Fall die Trennung der Verbindung Wasser in seine Elemente, Wasserstoff und Sauerstoff. Laut Definition handelt es sich also auch beim Laden eines Akkumulators um eine Elektrolyse.

Die Elektrolyse unterscheidet sich maßgeblich von anderen Gewinnungsmethoden. So wird bei dieser Produktionsart eine große Menge an Strom benötigt. Wenn dieser aus einer erneuerbaren Energie stammt, hat man grünen Wasserstoff. Zum anderen speichert man hier vorhandene elektrische Energie langfristig in chemischer Form. Bei der Dampfreformierung wird lediglich ein bereits gut lagerbarer Ausgangstoff in ein anderes Gas umgewandelt. Diese beiden Aspekte machen die Elektrolyse, in Verbindung mit der in der Einleitung genannten politischen Situation, besonders attraktiv. So kann man mit überschüssiger Energie, beispielsweise aus Wind- parks, Wasserstoff produzieren, um diesen später wieder in Strom umzuwandeln oder in der Industrie zu verwenden. Der einzige benötigte Rohstoff, welcher direkt für die Umwandlung benötigt wird ist Wasser. Dieses ist, bei uns in Deutschland, einfach zu beschaffen und man ist nicht wie bei der Dampfreformierung von Zulieferern aus dem Ausland abhängig.

Das Prinzip der Elektrolyse stammt aus dem Anfang des 19. Jahrhunderts. Nachdem die erste brauchbare Batterie der Neuzeit entwickelt wurde, war auch der Grundstein für die Elektrolyse gelegt. Der Fokus der Wissenschaftler lag damals auf der Erzeugung verschiedener, teils noch unbekannter Elemente. Heute wurden mithilfe verschiedener Elektrolysearten verschiedene Stoffe wie Aluminium, Magnesium, Natronlauge und Wasserstoff hergestellt.[7]

Der grundlegende Aufbau einer Wasserstoffelektrolyse besteht aus einem Grundkörper, welcher mit Wasser befüllt wird. In diesem Behälter befinden sich zwei Elektroden und jeweils eine Abführung für die entstehenden Gase. Damit die Gase sich nicht vermischen, wird der Behälter mithilfe einer Membran (Separator) in zwei Hälften geteilt.

Das nun verwendete Grundprinzip ist: An den beiden Elektronen wird eine Spannungsquelle angelegt. Diese bildet mit den Elektronen und dem Wasser einen geschlossenen Stromkreis. Wenn die Gleichspannung (Zersetzungsspannung) groß genug ist, wird durch die Elektronenwanderung der Wasserstoff (H) und der Sauerstoff (O2) voneinander getrennt.[8]

Um diesen Ablauf zu verstehen betrachten wir den Ablauf mithilfe der physikalischen Flussrichtung des Stroms. Zusätzlich muss man sich bewusst sein das Wasser nicht immer in seiner natürlichen Form (H₂O) vorkommt, sondern auch in Form von Oxoniumionen (H₃O⁺) und Hydroxidionen (OH^-). Der physikalische Stromfluss vom Minuspol zum Pluspol bewirkt einen Elektronenüberschuss an der Kathode und einen Elektronenmangel an der Anode.

Deshalb wandern die Oxonium-Ionen (H₃O⁺) zur Kathode und die Hydroxidionen (OH^-) zur Anode. Diese müssen aber nicht immer der Ausgangsstoff für die Reaktion sein. Auch das reine Wasser kann mit den Elektronen reagieren. Diese Reaktionen sind im Folgenden unter dem Punkt b. als Alternative aufgeführt.[9]

Die Oxonium-Ionen können an der Kathode zwei Elektronen aufnehmen. Dadurch entsteht Wasserstoff und Wasser.

a. 2H₃O⁺ + 2e^- → H₂ + 2H₂O
b. 2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-

Die Hydroxidionen geben an der Anode Elektronen ab und wandeln sich zu Wasser und Sauerstoff um.

a. 4OH^- → O2 + 2H2O + 4e^-
b. 6 H₂O → O₂ + 4H₃O⁺ + 4e^-

Die Reaktionen der beiden Ionen kann man in einer Gesamtreaktion ausdrücken. Da die Elektronen bei der Redoxreaktion übertragen werden, führe ich sie in der Reaktionsgleichung nicht auf.

a. 4H₃O⁺ + 4OH^- → 2H₂ + O₂ + 6H₂O
b. 4H₂O + 6 H₂O → 2H₂ + 4OH^- + O₂ + 4H₃O⁺

Die Oxonium-Ionen und Hydroxidionen können zu Wasser zusammengefasste werden.

a. 8H₂O → 2H₂ + O₂ + 6H₂O
b. 10H₂O → 2H₂ + O₂ + 8H₂O

Nach der Zusammenfassung kann man die Reaktion vereinfachen, bzw. die Redoxreaktion aufstellen.

a.   2H₂O → 2H₂ + O₂
b.   2H₂O → 2H₂ + O₂

Zugaben zur Verbesserung der Leitfähigkeit, welche die Reaktion verändern können, wurden in diesen Beispielen nicht berücksichtigt.[10]

Aktuell gibt es für die Elektrolyse von Wasserstoff zwei gängige Verfahren.

Die AEL-Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse. Ersteres benötigt einen hohen Druck sowie hohe Temperaturen, was sich wiederum stark auf den Wirkungsgrad auswirken kann. Es bietet sich an, dieses Verfahren im Verbund mit Anlagen zu betreiben, welche eine hohe Abwärme besitzen. Die PEM-Elektrolyse erreicht lediglich einen Wirkungsgrad von 60-70%.

Das Unternehmen Hysata behauptet das ihre neue Kapillarelektrolyse ab dem Jahr 2025 eine effizientere und wirtschaftlichere Alternative zu den bereits vorhandenen Methoden bieten kann.

Während sich bei der AEL-Elektrolyse beide und bei der PEM-Elektrolyse eine Elektrode im Wasser befinden, kommt die Kapillarelektrolyse ganz ohne Elektroden im Wasser aus.

Die Elektroden befinden sich etwas über dem Wasser und zwischen ihnen befindet sich die Namensgebenden Kapillare (Haarröhrchen). Diese sorgen mit dem gleichnamigen Kapillareffekt dafür, dass Teile des unten befindenden Wassers zwischen die Elektroden gesaugt werden. Zur besseren Veranschaulichung: Pflanzen benutzen den Kapillareffekt um Wasser aus dem Boden zu saugen.

Dieses Verfahren soll die Produktion von grünem Wasserstoff vereinfachen und mit dem höheren Wirkungsgrad wirtschaftlich konkurrenzfähiger machen. Laut eigenen Angaben soll die neue Elektrolyse etwa 80% weniger Energie benötigen. Ob sich diese Technologie durchsetzen kann, muss die Zukunft zeigen.[11]

Bei der Überlegung ob Wasserstoff eine gute Energiespeicherung ist, muss man zwangsläufig die Lagerung von Wasserstoff mit einbeziehen. Wasserstoff ist bei Raumtemperatur gasförmig und etwa 14-mal leichter als Luft. Zusätzlich kann Wasserstoff viele Verbindungen mit der Umgebung, zum Beispiel mit Sauerstoff eingehen. Die Lagerung von Wasserstoff ist damit deutlich umständlicher und komplexer als feste oder flüssige Brennstoffe. Es ist aber auf keinen Fall unmöglich, was die folgenden Beispiele zeigen.[12]

Die Druckgasspeicherung ist wahrscheinlich die offensichtlichste Speichermöglichkeit für ein Gas. Hierbei wird der Wasserstoff unter hohem Druck in einem speziell dafür konstruierten Behälter gelagert. Der dafür verwendete Druck ist je nach Verwendung unterschiedlich. Damit in dem Speicher eine annehmbare Menge aufbewahrt werden kann, sollte der Druck deutlich über den Druck der Umgebung legen. Gerade bei mobilen Speichern ist oft das Volumen des Speichers wichtig. So sollte beispielsweise bei einem Wasserstoffauto kein unnötig großer Tank den Großteil des Wagens ausmachen. Die logische Konsequenz aus dem Begrenzen des Volumens ist die Erhöhung des Druckes, um eine relevante Menge speichern zu können. Um das notwendige Speicherniveau zu erreichen, werden Tanks mit einem Druck von bis zu 700 bar (70MPa) verwendet. Um den hohen Druck sicher standhalten zu können, werden bei neueren Tanks Verbundmaterialien verwendet, da diese einen großen Druck standhalten können und gleichzeitig eine geringere Masse haben. Bei stationären Gasspeichern, wo das Volumen kein wichtiger Faktor ist, kann man große Tanks mit geringerem Druck verwenden.

Bei der Energiewende, kann die Speicherung großer Mengen an Wasserstoff einen wichtigen Beitrag leisten. Um nicht eine riesige Menge an Tanks bauen und betreiben zu müssen, kann man auf die bewehrten Kavernenspeicher zurückgreifen. Bei diesen handelt es sich um große, nicht natürliche Hohlräume in Salzstöcken. Diese können beachtliche Volumen an Flüssigkeit oder Gas, wie Wasserstoff, aufnehmen. In diesen kann der Wasserstoff mit bis zu einem Druck von 50 Bar gespeichert werden.

Andere Länder benutzen bereits Kavernenspeicher zur Wasserstoffspeicherung, während wir diese nur zur Speicherung von fossilen Energieträgern nutzen.[13]

In Kryotanks werden Gase in verflüssigter Form gespeichert. Damit Wasserstoff in seinen flüssigen Aggregatzustand kondensiert, muss dieser auf etwa -253 °C heruntergekühlt werden. Wenn der Wasserstoff sich über seinen Siedepunkt erwärmt und damit Gasförmig wird entstehen die Abdampfverluste. Um diese möglichst gering zu halten ist es also wichtig die im Tank herrschenden Temperaturen möglichst gut von der Außenwelt zu isolieren. Ein Vorteil der flüssigen Lagerung von Wasserstoff besteht darin, dass in dieser Form die Energiedichte am höchsten ist. Aufgrund des dadurch reduzierten Gewichts, bieten sich Kryotanks für kurze Transportwege und für die Raumfahrt an. Die benötigte Isolierung, sorgt aber wiederum für ein Verhältnismäßig großes Volumen des Tanks. Obwohl wir mittlerweile über gute Isolierungsmöglichkeiten verfügen, sind diese noch lange nicht perfekt. Über eine gewisse Zeit erwärmt sich immer mehr Wasserstoff und geht verloren. Deshalb sind Kryotanks nicht für lange Standzeiten geeignet und ihre Verwendung konzentriert sich auf bestimmte Einsatzgebiete.[14]

Beim Aufkommen weniger verbreiteter Technologien, entstehen schnell Fragen über die möglichen Gefahren die dadurch entstehen. Dies wird noch einmal deutlich verstärkt, wenn diese, im Fall von Wasserstoff bei der E-Mobilität, das Privatleben und damit Leien erreicht. Diese möglichen Gefahren unterteilen sich in verschiedene Punkte, wobei ich mich auf einige wenige beschränke.

Bei den Gefahren von Wasserstoff denken viele zurück an Experimente mit Knallgas im Chemieunterricht oder an das Unglück der Hindenburg. Diese Ängste werden durch die Tatsache verstärkt, dass Wasserstoff von Menschen nur schwer entdeckt werden kann. So ist gasförmiger Wasserstoff sowohl farb- als auch geruchslos. Der entwichene Wasserstoff wird in Verbindung mit verbreiteten Gasen wie Sauerstoff zu dem bekannten und hochentzündlichen Knallgas. Reiner Wasserstoff brennt hingegen nicht. Jetzt wird je nach Wasserstoffkonzentration zwischen Entzünden und Explodieren des Gases unterschieden. Eine Explosionsgefahr besteht bei einer Wasserstoffkonzentration von 18-75%, da bei zu hohem Anteil zu wenig Sauerstoff vorhanden ist. Diese hohen Konzentrationen werden meist in geschlossenen Räumen erreicht, da Wasserstoff viel leichter ist als Luft. So kann die Explosionsgefahr durch eine einfache Luftzirkulation stark verringert werden. Eine weitere wichtige Maßnahme zur Gefahrenprävention ist die Vermeidung von Zündquellen, wie beispielsweise herkömmliche Lichtschalter. Um das Austreten von Gas im Vorfeld zu verhindern bieten sich regelmäßige Wartungen und automatische Überwachungsanlagen an. Bei einer erhöhten Beschädigungsgefahr, wie bei mobilen Wasserstoffdrucktanks müssen mögliche Unfälle bedacht und im Design berücksichtigt werden.[15]

Wasserstoff lässt sich aufgrund seiner Vielseitigkeit zur Veranschaulichung in verschiedene Anwendungsmöglichkeiten unterteilen. Der Wasserstoff ist dabei als chemisch gespeicherte Energie zu verstehen. Dieser kann sowohl als Ersatz für fossile Energieträger als auch als Speicher für elektrischen Strom dienen.

Die warme Verbrennung beschreibt lediglich die herkömmliche Verbrennung wie wir sie bereits von anderen Gasen kennen. Die Benennung beruht auf der großen Menge an entstandener Wärme, es existiert aber ebenso eine kalte Verbrennung. Diese wird später noch genauer behandelt.

Eine Anwendungsmöglichkeit der warmen Verbrennung ist das Power to Gas Verfahren. Dieses Verfahren beschreibt die Erzeugung von Wasserstoff mithilfe einer Elektrolyse, mit optionaler Weiterverarbeitung zu Methan. Das mithilfe von CO₂ erzeugte Gas, kann direkt in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen werden. Der Anteil an Methan in dem entstehenden Gasgemisch, darf aufgrund technischer Beschränkungen in der Infrastruktur und bei den Verbrauchern nicht beliebig hoch sein. Es geht also darum einen Brennstoff wie beispielsweise Erdgas zumindest teilweise durch eine erneuerbare Energieform zu ersetzen.[16]

Wasserstoff wird seit längerem in der Industrie verwendet. In der herkömmlichen Verwendung macht man sich aber primär die chemischen Eigenschaften zu nutzen. Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff bekommen aufgrund der veränderten politischen Lage eine neue Popularität. Der Versuch die Menge an ausgestoßenen Treibhausgasen durch Elektrifizierung zu reduzieren, scheitert spätestens in der Großindustrie. Um den CO₂ Ausschuss beispielsweise in der Stahlindustrie zu minimieren, gibt es aktuell keine bessere Alternative als Wasserstoff. Das Potenzial von Wasserstoff lässt sich nicht nur auf die Grundstoffindustrie begrenzen. Es gibt Arbeitsprozesse, bei denen man zwangsläufig Kohlenstoff benötigt. Bei der Wahl des verwendeten Kohlenstoffs gibt es aber einen wichtigen Unterschied. Stammt dieser aus einem langfristig gebundenen Stoff, wie beispielsweise aus einem fossilen Brennstoff oder aus einer erneuerbaren Quelle. So kann man Kohlenwasserstoffe wie Methan aus grünem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, welches mithilfe von Biogasanlagen gewonnen wird, herstellen. Dieses kann dann verwendet werden, ohne fest gebundenes CO₂ freizusetzen.

In manchen Fällen verwendet die Industrie bereits grauen Wasserstoff. So beispielsweise in der chemischen Industrie, bei der Produktion von Ammoniak. In solchen Fällen kann bereits mit dem Wechsel auf grünen Wasserstoff viel CO₂ einspart werden. Der entscheidende Faktor hier ist die Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff.[17]

Die Brennstoffzelle ist wohl eine der ältesten Zukunftstechnologien, welche nie aus dem Diskurs verschwindet. Die Grundidee ist einfach: man wandelt Wasserstoff mittels eines technischen Prozesses in elektrischen Strom um. Das verwendete Gas muss nicht aus reinem Wasserstoff sein, sondern kann auch in Verbindung mit anderen Gasen verwendet werden. Jedoch wer- den bei der Verwendung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen wie Erdgas und Methan Treibhausgase ausgestoßen. Bei der Verwendung von reinem Wasserstoff werden keine ausgestoßen.

Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits im 19. Jahrhundert von Sir William Grove und Christian Friedrich Schönbein erforscht. Die Entdeckungen von Sir William Grove basierten auf Versuchen mit der bereits bekannten Elektrolyse. Dieses Verfahren konnte sich jedoch nicht gegen die anderen aufkommenden Technologien, wie den Verbrennungsmotor, durchsetzen. Ein Comeback hatte die Brennstoffzelle in den Sechzigern, als die Amerikaner ihre Raumfahrttechnik vorantrieben. Die Brennstoffzelle ist klein und erzeugt bei der Reaktion reines Wasser, welches die Astronauten problemlos trinken konnten und Wärme, welche man zum Heizen verwendete.

Heutzutage gilt die Brennstoffzelle als ein wichtiger Baustein für die Energiewende. So kann Wasserstoff nicht nur in der Industrie verwendet werden, sondern auch als Speicher für elektrischen Strom. So kann man bei Überschuss gespeicherten und aus dem Ausland importierten Wasserstoff, mithilfe von Brennstoffzellen bei Bedarf in Strom umwandeln. Die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle hat mittlerweile wieder etwas an Fahrt aufgenommen, bleibt aber um- stritten. Gerade wenn es um die Elektrifizierung unserer Welt geht, wird die Brennstoffzelle als Alternative zur Batterie gesehen. Die Vor- und Nachteile beider Technologien werde ich später in einem Gesondertem Kapitel behandeln.[18]

Der Aufbau einer Brennstoffzelle erinnert zu Beginn an den einer herkömmlichen Elektrolyse. Da es verschiedene Varianten gibt, werde ich mich im Folgenden auf die Membran Brennstoffzelle (PEM) begrenzen. Die Brennstoffzelle ist in zwei Abschnitte unterteilt, welche mithilfe einer Membran getrennt werden. Durch diese Membran können nur Ionen gelangen, was für den Funktionsaufbau wichtig ist. Wie bei der Elektrolyse befindet sich in jedem Abschnitt eine Elektrode. Die Elektroden bestehen in der Regel aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren. Damit diese besser mit den Ausgangstoff reagieren können, beschichtet man sie mit speziellen Stoffen (Katalysatoren) wie Platin oder Palladium.

Die Anode ist bei der Brennstoffzelle mit dem Brennstoff (Wasserstoff) umgeben. Bei der Katode befindet sich der Stoff mit dem der Brennstoff reagieren soll, in unserem Fall Sauerstoff. Die Elektroden werden als Stromquelle, ähnlich wie bei einer Batterie, an einen Stromkreis angeschlossen.

Die Reaktion beginnt auf der Seite der Anode mit dem Wasserstoff. Das Wasserstoffmolekül (H₂) spaltet sich in Elektronen und Kation (positiv geladene Atome). Die Elektronen werden von der Anode aufgenommen und fliesen durch den angeschlossenen Stromkreis zur Katode. Die Wasserstoffkationen gelangen durch die Membran in die Kammer mit dem Sauerstoff. Nun kann der Sauerstoff mit den Elektronen und den Wasserstoffkationen zu Wasser reagieren. Aufgrund der entstehenden Wärme wird das Wasser gasförmig ausgegeben.

Zur Veranschaulichung werde ich den Reaktionsablauf mithilfe der chemischen Gleichungen darstellen. Ergänzend muss noch gesagt werden, dass die Reaktion nur funktioniert, wenn sich auf der Seite der Anode Wasser befindet. Die Gleichungen mit Wasser sind im Folgendem unter dem Punkt a. und die vereinfachten ohne Wasser unter Punkt b. angegeben.[20]

Auf der Seite der Anode, mit zwei Wasserstoffmolekülen (H₂) und vier Wassermolekülen (H₂O) kommt es zu einer Oxidation. (Elektronenabgabe)

a. 2H₂ + 4H₂O → 4H₃O⁺ + 4e^-
b. 2H₂ → 4H⁺ +4e^-

Der Sauerstoff auf der Katoden Seite reagiert mit den Elektronen und dem Kation. Es kommt zu einer Reduktion (Elektronenaufnahme). Das Resultat der Reaktion ist Wasser.

a. O₂ + 4H₃O⁺ + 4e^- → 6H₂O
b. O₂ + 4H⁺ +4e- → 2H₂O

Die Gesamtreaktion lässt sich wie folgt zusammenfassen.

a. 2H₂ + 4H₂O + O₂ → 6H₂O
b. 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Bei der ersten Reaktion(a.) lässt sich das Wasser zusammenfassen, wodurch dieselbe Gleichung wie bei der zweiten Reaktion (b.) rauskommt.

Die durch die Reaktion gelieferte Spannung kann in der Theorie, bei einer durchschnittlichen Rautemperatur, etwa 1,23 Volt erreichen. In der Realität wird lediglich eine Spannung von 0,5 – 1 Volt erreicht. So hat die Betriebs-/ Umgebungstemperatur, der Brennstoff und die Verarbeitung der Zelle einen Einfluss auf die Spannung.

Für die meisten Anwendungen ist eine Gleichspannung von etwa 1V viel zu wenig. Brennstoffzellen sind vergleichsweise klein, weshalb man sie gut miteinander verschalten kann. Bei der Reihenschaltung von Gleichstromquellen gilt, die Gesamtspannung ist die Summe aller Teilspannungen. Bei Parallelschaltungen werden die Teilströme zu einem Gesamtstrom addiert. Um also eine höhere Spannung zu erlangen, schließt man die Brennstoffzellen in Reihe an. Diese verschalteten Brennstoffzellen nennt man dann ein Stack, welche dann im Verbund eingesetzt werden.[21]

Alkalische Brennstoffzellen (AFC) haben viele Gemeinsamkeiten mit Membran Brennstoffzellen (PEM). So ist der Grundbau in zwei Teile mit jeweils einer Elektrode identisch. Ein zentraler Unterschied besteht in dem verwendeten Elektrolyt welches die beiden Hälften trennt. Wie der Name es bereits andeutet, besteht der Elektrolyt bei der alkalischen Brennstoffzelle aus einer Kalilauge. Die verwendeten Ausgangsstoffe sind identisch mit PEM-Brennstoffzelle, jedoch ist hier die Reinheit besonders wichtig, weshalb bei der Kathode möglichst reiner Sauerstoff anstatt Luftsauerstoff verwendet werden muss. Die Gesamtreaktion ist mit 2H2 + O2 → 2H2O identisch zu den PEM-Brennstoffzellen.

Die AFC-Brennstoffzellen wurden primär in der Raumfahrt eingesetzt, wurden aber von Akkumulatoren abgelöst. Die aktuellen Anwendungsbereiche sind relativ rar. So bietet sich deren Anwendung in autarken Systemen an, bei denen man den Sauerstoff zwangsläufig mitführen muss. Ein Beispiel hierfür sind U-Boote. Diese müssen den Sauerstoff Unterwasser sowieso mitführen. Im Prinzip könnte man auch PEM-Brennstoffzellen verwenden. Diese haben aber in der Regel einen etwas geringeren Wirkungsgrad. AFC-Brennstoffzellen haben eine niedrigere Lebensdauer als andere Arten, da das Elektrolyt mit jeder kleinen Verschmutzung (CO₂) zu einem Feststoff reagiert. Ein Vorteil besteht in den verwendeten Katalysatoren, welche die Reaktion verbessern. Diese bestehen aus Nickel oder Silber und sind damit billiger als bei PEM- Brennstoffzellen, was die gesamte Zelle billiger macht.

Bei der Betrachtung von Energie Technologien ist der Wirkungsgrad von fundamentaler Wichtigkeit. Technologien mit zu geringem Wirkungsgrad sind weniger wirtschaftlich. Zusätzlich kann ein zu hoher Verlust von Energie, während die Nachfrage stark wächst, zu Versorgungsproblemen führen.

Die Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) verwendet eine Alkalicarbonat-Mischschmelze als Elektrolyt, welches aus Lithium und Kaliumcarbonat besteht. Sie gehört zu den Hochtemperatur-Brennstoffzellen und arbeitet mit einer ungefähren Betriebstemperatur 650°C. Die Ausgangsstoffe unterscheiden sich von den bereits genannten PEM- und AFC-Brennstoffzellen. Anodenseitig wird ein Mischgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet. Der Wasserstoff wird per interner Reformierung gewonnen. Das bedeutet, dass man nicht Wasserstoff, sondern Bio oder Erdgas als Brennstoff verwendet. Kathodenseitig kommt Sauerstoff und Kohlendioxid zum Einsatz. Das Anodengas reagiert, im Gegensatz zu den bereits genannten Brennstoffzellen, nicht zu einem Ion, sondern zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Letzteres verbleibt jedoch in der Zelle und wird für die kathodenseitige Reaktion verwendet. Durch dieses Prinzip entsteht ein Kreislauf, wodurch der Kohlenstoff (in den Verbindungen CO₂ und CO ^-) nicht abgegeben wird.

Durch den vorteilhaften Temperaturbereich der Brennstoffzelle können Reaktionen relativ gut ablaufen, ohne das kostspielige Materialien verwendet werden müssen. Dies drückt die Herstellungskosten und damit den Preis dieses Typs. Die Anwendung unterscheidet sich stark von an- deren Zelltypen. MCFC-Brennstoffzellen eignen sich als Kraftwerk, welches Gas in Strom und Wärme umwandeln. Der Wirkungsgrad beträgt, bei Mitnutzung der Wärme bis zu 90%. Der rein elektrische würde jedoch nur 45 -50% betragen.[23]

Ein weiterer neuer Brennstoffzellentyp ist die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Sie ist wie die MCFC eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, befindet sich aber noch in Entwicklung. Das Elektrolyt besteht aus einem keramischen Werkstoff wie Zirconiumdioxid. Wie bei der MCFC- Zelle kann die SOFC auch direkt mit Erdgas angetrieben werden. Es eignen sich aber auch andere Kohlenwasserstoffe wie Benzin oder Diesel. Die Betriebstemperatur hängt von dem verwendeten Brennstoff ab, so bewegt sich die SOFC im Bereich von 800-1000°C. Sie kann eben- falls zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt werden, hat aber auch noch andere potenzielle Anwendungsgebiete. So könnte man sie im kleinen Format zur Stromerzeugung verwenden, auch wenn der Motor nicht läuft. Es gibt auch Überlegungen diese in der Schifffahrt einzusetzen. Diese Technologie ist jedoch noch am Anfang seiner Entwicklung.[23]

In den vergangenen Jahren gab es ein stark wachsendes politisches und gesellschaftliches Interesse für Elektroautos. Ihre deutlich bessere CO₂ Bilanz gilt als wichtiger Schritt für eine klima- freundliche Zukunft. Doch schon seit Jahrzehnten wird das Brennstoffzellenauto als bessere Alternative gehandelt. Bereits im Jahr 1966 baute General Motors das erste Brennstoffzellenauto. Bei diesem handelte es sich lediglich um einen zum Konzeptwagen umgebauten Kleinbus. Dieser war weit entfernt von einer Serienreife. Es dauerte etwa drei Stunden um ihn zu starten und dann war er äußerst schwer zu fahren.[25]

Die Funktionsweise eines Brennstoffzellenautos ähnelt in vielen Aspekten dem eines E-Autos mit Akkumulator. Beide Fahrzeugtypen werden mit einem Elektromotor betrieben und stoßen beim Betrieb keine Schadstoffe aus. Der Hauptunterschied ist der verwendete Energieträger. Die meisten verwendeten Technologien wurden bereits genauer erklärt. Für die Lagerung wird normalerweise ein Gasdrucktank verwendet. Der Wasserstoff wird dann via Brennstoffzellen in elektrischen Strom umgewandelt und vom Elektromotor wiederum in Bewegungsenergie. Da eine Brennstoffzelle relativ träge ist, integriert man zusätzlich einen Akkumulator ins System. Dieser kann nicht nur schnell Spannungsspitzen ausgleichen, sondern auch zurückgenommene Energie speichern. Das Brennstoffzellenauto hat mehrere Probleme. So gibt es aktuell nur wenige serienreife Fahrzeuge und nur wenige Tankstellen. Zusätzlich ist die Brennstoffzellentechnologie aktuell noch vergleichsweise teuer und der Wirkungsgrad ist merklich schlechter als bei einem Akkumulator. Wenn der Herstellungsprozess mitbedacht wird, sinkt dieser nochmal zusätzlich stark ab. Die Popularität leidet auch stark durch die großen Entwicklungs- und Anwendungserfolge der Batterietechnologien. Diese hat sich in den vergangenen Jahren viel schneller entwickelt und wird bereits in einem größeren Maßstab gefertigt. Der Umstieg von fossil betriebenen auf elektrische Autos würde mit Brennstoffzellen deutlich länger dauern und wahrscheinlich auch kosten.[26]

Nach fast 60 Jahren ist die Technologie zwar deutlich vorangekommen, aber trotzdem hat kaum ein Modell die Serienreife erreicht. Viele etablierte Hersteller und neue Marken wie Tesla setzen hingegen auf Autos mit einem Akkumulator. Jedoch verschwindet die Idee unsere Fahrzeuge mit Wasserstoff zu betreiben nie vollständig. Aktuell sind vor allem asiatische Hersteller wie Hyundai und Toyota dafür bekannt diese Technologie weiterzuführen. Zu den bereits in Serie produzierten asiatischen Brennstoffzellenautos, kommen mehr oder weniger große Entwicklungsprojekte anderer Hersteller. Es gibt auch kleinere Firmen, mit teils großer Förderung, wie die Nikola Corporation, welche sowohl Lösungen für Brennstoffzellen als auch für Akkumulatoren-LKWs anbietet.[27]

Auch wenn es um den Antrieb von großen LKWs geht, hat die Brennstoffzelle einen schweren Stand. Dabei hat dieser im Vergleich zu LKWs mit Akkumulator auch einige Vorteile. So ist der Tankvorgang merkbar schneller, das Gewicht geringer und die Reichweite höher. Ein zentraler Faktor ist jedoch die Wirtschaftlichkeit. Durch seine weniger effiziente Energieumwandlung verursacht ein Brennstoffzellen-Lkw, über seinen gesamten Lebenszyklus etwa das doppelte an Energiekosten. Ob sich nur ein System sich auf lange Zeit durchsetzen wird, kann aktuell nicht eindeutig gesagt werden. Gerade bei Langstreckentransporten hat die Brennstoffzelle deutlich bessere Chancen als bei PKWs.[28]

Neben den Lösungen mit Brennstoffzellenantrieb gibt es auch Versuche, Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff anzutreiben. Ein Beispiel hierfür ist das Konzeptauto Corolla Cross H2 von Toyota, welches angeblich klimafreundlich sein soll. Ob dieses Auto die Umgestaltung der Mobilität vorantreiben oder überhaupt jemals in Serienproduktion gefertigt wird, steht noch offen. Ein Vorteil gegenüber Brennstoffzellenautos besteht darin, dass der Bedarf an seltenen Rohstoffen verkleinert wird. Der tatsächliche Ausstoß an schädlichen Gasen wie Stickoxide lässt sich aufgrund der warmen Verbrennung schwer vermeiden. Wie stark diese dann ins Gewicht fällt, muss mit Versuchen an einem entsprechendem Auto abgewogen werden.[29]

Bei normalem Landtransport wirkt die Umsetzung von Umweltschonenderen Technologien relativ einfach. Beim Lufttransort sieht es aber wieder ganz anders aus. Die Umsetzung von batteriebetriebenen Flugzeugen erweist sich bei größeren Modellen aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Energiedichte als wenig geeignet. Um den Ausstoß bereits vorhandener Gasturbienen zu minimieren wird bereits an Hybridantrieben mit einem elektrischen und einem konventionellen Gasantrieb gearbeitet. Für die berühmten und gerügten Kurzstreckenflüge wird während- dessen an einer separaten Lösung gearbeitet. So gibt es mittlerweile Erprobungen mit kleinen, voll elektrischen Flugzeugen, welche durch eine Brennstoffzelle mit Strom versorgt werden.³ Ob diese global die Inlands- und Kurzstreckenflüge ablösen können, ist jedoch zu bezweifeln, da Länder wie Frankreich bereits ein konkurrenzfähiges Netz an Hochgeschwindigkeitszügen aufgebaut hat.[30]

Für längere Flüge mit größeren Transportkapazitäten wie wir sie aus der konventionellen Flugindustrie kennen gibt es aktuell keine klimaneutrale Lösung. Die Besten greifbaren Lösungen bieten zumindest eine starke Reduzierung von klimaschädlichen Stoffen. Dies soll durch eine zukünftige Verwendung von nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) oder Wasserstoff erreicht wer- den. Für diese Kraftstoffe werden gezielt Turboprop- und Turbofantriebwerke entwickelt, wobei aktuell versucht wird die Effizienz weiter zu steigern. Ein Beispiel hierfür ist das Water-Enhanced Turbofan Konzept (WET) welches die Wärmeenergie des Abgases nicht einfach in die Umwelt bläst, sondern durch ein Verfahren in Dampf umwandelt und in die Brennkammer spritzt. Laut MTU ist dieses Verfahren noch lange nicht ausgereift. Bei der Erforschung und Erprobung sind mittlerweile viele bekannte Konzerne und Startups vertreten. So testete Rolls-Royce bereits eine auf Wasserstoff umgerüstete Turbine. Die Verwendung von Wasserstoff ist technisch durchaus machbar, jedoch führt die Verbrennung in Turbinen zu einem Ausstoß von Stickoxiden. Zusätzlich werden verhältnismäßig große Mengen an Wasserdampf in großer Höhe ausgestoßen. Die daraus entstehenden klimatischen Auswirkungen sind aktuell noch nicht eindeutig erforscht.

Aus technischer Sicht stellt sich vor allem die Lagerung als Problem dar. Bei der Konstruktion von Flugzeugen muss sowohl das Gewicht als auch das Volumen des Flugzeuges möglichst geringgehalten werden. Die aufgrund der benötigten Eigenschaften möglichen Drucktanks, bieten, im Verhältnis zu herkömmlichen Kerosintanks, eine deutlich geringere mitführbare Energie. Aufgrund dieser Probleme gibt es auch Versuche Flugzeuge mit einem Kryotank zu betreiben. Ob diese sich aufgrund ihrer höheren Energiedichte durchsetzen können, ist momentan unklar. Zusätzlich muss beachtet werden das die vorhandenen Brennstoffzellentechnologien nicht für die Verwendung in Flugzeugen angepasst sind. Diese sind in ihren Eigenschaften meist auf stationären betrieb oder für die Verwendung in LKWs und Autos ausgelegt.[31]

Da Deutschland für die Erzeugung von erneuerbaren Energien nur bedingt geeignet ist, gibt es bereits seit längeren Überlegungen diese aus dem Ausland zu importieren. Eine Potentialanalyse des Bundesforschungsinstitutes kam zu dem Ergebnis, dass Westafrika eine theoretische Produktionskapazität für Wasserstoff von bis zu 165.000 Terrawattstunden besitzt. Dies entspricht in etwa 110-mal der Menge, welche Deutschland im Jahr 2050 zusätzlich aus dem Ausland importieren muss. Das Potenzial für eine Wasserstoffproduktion in Nordafrika scheint fast grenzenlos zu sein. Bei diesem Vorhaben erinnern sich viele, wenn auch nicht namentlich, an die Desertec Initiative, welche in Zusammenarbeit mit dem Physiker Gerhard Knies eine berühmte Behauptung aufstellte. Es ging darum, dass die komplette Welt von lediglich 100 km² Sahara (stand 2005) mit erneuerbarer Energie versorgt werden kann.¹ Das Konzept von Desertec setzt auf verschiedene erneuerbare Technologien. In sonnenstarken Regionen setzen sie auf Solarthermie, da Photovoltaik-Anlagen in der Gesamtrechnung teuer waren. Das ursprüngliche Konzept sah für den Energietransport ein Hochspannungs-Gleichstromnetz vor. Diese hätten laut Berechnungen einen Verlust von 3% auf 1000 km.[32]

Dies bedeutet jedoch nicht das Aus für importierten grünen Wasserstoff. Die Initiative Desertec erzielte trotz kapitalstarker Partner keine bemerkenswerten Ergebnisse. Das daraus folgende Desertec 2.0 blieb von den Ausmaßen relativ bescheiden. Der Export von Energie nach Europa wurde vorerst verworfen und man konzentrierte sich auf die Förderung von Wind- und Solar- anlagen in besonders geeigneten Produktionsländern im Nahen Osten und Nordafrika. Mittlerweile gibt es Desertec 3.0 welches den Focus erneut verändert. Nun geht es vermehrt auch darum, billig produzierten grünen Wasserstoff erst regional zu verwenden und dann Inter- national zu verkaufen. Man baut darauf, dass Länder in der ersten Welt einen großen Bedarf an Wasserstoff haben werden und diesen nur kaum selbst stemmen können. Laut des Deutschen Forschungsministeriums wird die Abhängigkeit von Wasserstoffimporten sehr hoch sein. Zur Veranschaulichung: das Max-Plank-Institut gibt eine Bedarfsprognose von 45 Millionen Tonnen Wasserstoff für das Jahr 2050. Aufgrund der beschränkten Produktionskapazitäten und den höheren Produktionskosten, könnte sich der Import lohnen. Es gibt bereits Förderprogramme für Probeanlagen, welche die Umsetzbarkeit in den geografischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Umständen testen sollen. Ein großes Problem stellt aktuell der Transport dar. Damit der Import wirtschaftlich Sinn ergibt, muss ein funktionierendes und sicheres Pipelinesystem verwendet werden. Die Alternative währen große Tanker, welche den Wasserstoff in Kryotanks transportieren. Diese verbrauchen aber deutlich mehr Energie und sind deshalb auch deutlich teurer. Das ganze Konzept bringt noch weitere Probleme mit sich. Die theoretisch benötigte Fläche wird wahrscheinlich, im Vergleich zur verfügbaren, überschaubar wirken. Trotz- dem darf das Ausmaß des Ganzen nicht unterschätzt werden. Zu einem handelt es sich trotz allem um viele Quadratkilometer zum anderen muss man bedenken, dass die Produktion auf verschiedene Orte verteilt werden muss. Zum Vergleich: das von Desertec entworfene Strom- netz erstreckte sich von Nordafrika, zur arabischen Halbinsel über Mitteleuropa bis nach Skandinavien. Natürlich bringt eine entsprechende Infrastruktur auch Vorteile, so könnte dann bei steigendem Bedarf die Produktion modular erweitert werden. Aber unabhängig davon, wie und in welcher Form die Energie transportiert wird, treten mehrere Probleme auf. Bei einer Umsetzung würde sich Europa stark abhängig von den Produktions- und Transitländern machen. Dies ist auf mehreren Ebenen problematisch. So sind die Beziehungen zu vielen Ländern mehr pragmatisch als auf Basis gleicher Werte. Zudem verändern sich in manchen Ländern die Machtverhältnisse relativ schnell. So gab es in Mali innerhalb von nur neun Monaten zwei Mal einen Militärputsch. Vergleichbare sicherheitspolitische Situationen würden zu großen Problemen in Europa sorgen. In der jüngeren Vergangenheit gab es bereits starke diplomatische Probleme zwischen Deutschland und dem potenziell wichtigem Transitland Marokko. Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Wasserstoff ist, dass die Photovoltaik und die Solarthermie Anlagen sich in sehr trockenen Gebieten (Wüste) befinden und die bereits begrenzten Wasservorräte belasten. Zusätzlich würde die Produktion durch Wetterereignisse, wie Sandstürme und der Transport durch Terrorgruppen behindert.[33]

Die Frage, ob sich Wasserstoff langfristig sinnvoll einsetzen lässt, muss je nach Einsatzgebiet abgewägt werden. Das schnelle Voranschreiten des Klimawandels und die aktuelle geopolitische Lage zwingt uns schnelle Lösungen für unsere Energieprobleme zu finden. Nachteile, welche zuvor zum Ausschluss gewisser Technologien führten, müssen jetzt trotz der Nachteile verwendet und zielgerichtet weiterentwickelt werden. Je nach Einsatzgebiet muss sich die spezifische Wasserstofftechnologie gegen andere Lösungsmöglichkeiten durchsetzen. So steht der Wasserstoff bei der E-Mobilität in direkter Konkurrenz zur Akkumulator Technik. Im Bereich von PKWs und anderen kleinen Fahrzeugen, sind Wasserstofftechnologien den Produktions- mengen und dem schnellen Fortschritt der Konkurrenztechnologie unterlegen. Wenn es jedoch um Lastenverkehr über größere Strecken geht, hat die Brennstoffzelle eine reale Chance.

Die Verwendung von Wasserstoff macht insbesondere dann Sinn, wenn die gespeicherte Energie direkt verwendet werden kann und nicht vorher in elektrischen Strom umgewandelt werden muss. Dies zeigt sich in der Industrie, wo Wasserstoff bereits im Einsatz ist und noch weiter ausgebaut werden kann. Wasserstoff kann auch durch dosiertes Beimengen in das vorhandenen Erdgasnetz die Reduzierung der importierten Mengen entgegenwirken. Auch bei Antriebstechnologien, welche keine elektrische Alternative haben, kann Wasserstoff eine gute Lösung bieten. In der Luftfahrtindustrie werden bereits modifizierte Triebwerke getestet welche an Stelle von Kerosin Wasserstoff verbrennen. Diese können den CO₂-Ausstoß der Luftfahrtindustrie drastisch senken, dies gilt insbesondere für Langstreckenflüge. Bei kürzeren Strecken ist der Erfolg davon abhängig wie gut das Netz für Hochgeschwindigkeitszüge ausgebaut ist.

Ein hohes Potential der Wasserstofftechnologie besteht darin, Energie in Form von Wasserstoff zu speichern, um damit Schwankungen auszugleichen. Hierbei kann Wasserstoff, je nachdem in welchem Bereich und in welcher Form die Energie benötigt wird, flexibel eingesetzt werden. Wasserstoff besitzt zwar eine vielseitige Palette an Anwendungsmöglichkeiten, jedoch hakt es an mehreren Punkten. So ist die Effizienz der Umwandlung im Vergleich zu anderen Techno- logien noch schlecht. Sowohl bei der Herstellung von grünem Wasserstoff als auch bei der Umwandlung geht viel Energie verloren, was in einer Zeit von hohen Energiepreisen besonders kritisch ist. Um die Probleme zu verbessern und Wasserstoff zu etablieren sind schnelle und große Technologieentwicklungen wie bei der Batterietechnik von Nöten. Hierfür existieren bereits Ansätze. Wenn neue Technologien wie die Kapillarelektrolyse ihre Versprechen halten können, kann die Industrie aufgrund dessen neue Gesamtkonzepte entwickeln. Bei der Entwicklung neuer Brennstoffzellentypen geht der Trend stark zu Modellen mit hoher Betriebstemperatur. Diese haben deutlich geringere Materialkosten und bei richtiger Verwendung einen sehr hohen Wirkungsgrad. Um diesen aber voll auszunutzen zu können muss die entstehende Wärme mitgenutzt werden was in vielen Anwendungen nicht möglich ist. Zudem können sie mit Erdgas betrieben werden, was besonders bei der Umrüstung praktisch ist.

Um grünen Wasserstoff sinnvoll in unser Leben zu integrieren, benötigen wir eine gute und preiswerte Versorgung. Einen Teil davon können wir selbst mithilfe unserer Windparks produzieren, wie Versuche zeigen.[34]

Diese Produktionskapazitäten können dann aktiviert werden, wenn zu viel Strom produziert wird. Größere Mengen können in dafür gebauten oder umgebauten Kavernenspeicher gelagert werden, um sie bei Bedarf nutzen zu können.

Jedoch sind wir bei steigendem Wasserstoffbedarf und nicht effizienter werdenden Elektrolyse verfahren zwangsläufig von Importen abhängig. Der Versuch von Desertec, ein Energienetz über Nordafrika, Europa und der arabischen Halbinsel aufzubauen, ist gescheitert. Aufgrund der finanziellen und geopolitischen Lage halte ich die Umsetzung von einem vergleichbaren Ansatz für unwahrscheinlich. Europa muss es auch bei der Energiefrage schaffen unabhängig zu werden und keine neuen Abhängigkeiten schaffen. Hierfür kann Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen, jedoch wäre eine starke Fokussierung, aufgrund der vielen Nachteile, kein funktionierendes Konzept.

[1] Statista
[2] teck-for-future
[3] ENBW
[4] Iwd
[5] H2-News
[6] Sfc
[7] chemie.de, Tüv Nord
[8] ebd.
[9] ebd.
[10] Cleanthinking, Chemie.de
[11] Tüv Süd
[12] VNG-Gasspeicher
[13] Tüv Süd, VNG-Gasspeicher
[14] Tüv Süd
[15] ebd.
[16] bdew
[17] ebd.
[18] diebrennstoffzelle.de, heizung.de
[19] heizung.focus.de
[20] chemie.de
[21] ebd.
[22] ebd.
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[24] efahrer.com
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[26] efahrer.com, adac.de
[27] nikolarmotor.com
[28] zeit.de
[29] spektrum.de, toyota.de
[30] tagesschau.de
[31] flugrevue.de, faz.net
[32] Baustoffwissen.de
[33] n-tv
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Gastbeitrag von: Silas Heinle

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