Wissenswertes über Wasserstoff
Wasserstoff ist ein vielseitiges Element, das eine Schlüsselrolle in verschiedenen Bereichen wie Energie, Industrie und Transport spielt. Um ein grundlegendes Verständnis für Wasserstoff und seine Anwendungen zu entwickeln, ist es wichtig, einige häufig gestellte Fragen (FAQ) zu klären und auf weiterführende Informationen hinzuweisen.
Wasserstoff ist ein chemisches Element. Als das leichteste und kleinste chemische Element steht es im Periodensystem mit der Ordnungszahl 1 an erster Stelle und wird mit dem chemischen Symbol H (lateinisch für Hydrogenium „Wassererzeuger“) dargestellt.
Es ist das häufigste Element im Universum. Mehr als 90 % aller Atome im Universum sind Wasserstoff-Atome, die insgesamt rund 75 % der Masse des Universums bilden. Wasserstoff wird der Gruppe der Nichtmetalle zugeordnet und tritt als farb-, geruch- und geschmackloses Gas auf. Unter Normalbedingungen (25°C, 1 bar) besteht Wasserstoff-Gas aus einem Molekül mit zwei Wasserstoff-Atomen (H2).
Wasserstoff kommt auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor. Das chemische Element erhielt seinen Namen, da Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) reagiert und sich dabei Wasser (H2O) bildet. Wasserstoff ist also ein wesentlicher Bestandsteil unseres Wassers auf der Erde und in diesem gebunden. Weiterhin ist das Element Bestandteil aller lebenden Organismen auf der Erde sowie der meisten organischen Verbindungen wie z.B. fossile Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas.
[1], [2], [3], [4], [5]
Reiner Wasserstoff (H2) kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Grundsätzlich wird zwischen der Herstellung aus fossilen Brennstoffen (Kohlenwasserstoffverbindungen) und der Herstellung aus Wasser (H2O) unterschieden. Die wichtigsten Prozesse sind hierbei:
Dampfreformierung von Methan:
Dies ist der gängigste industrielle Prozess, um Wasserstoff herzustellen. Erdgas (Methan, CH4) wird mit Wasserdampf (H2O) bei hohen Temperaturen (700 - 1000 °C) und in Gegenwart eines Katalysators chemisch umgewandelt. Dieser Prozess erzeugt Wasserstoff (H2) und Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt.
Elektrolyse von Wasser:
Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten, indem elektrischer Strom über eine Kathode und Anode durch das Wasser geleitet wird. Dies kann mithilfe von Elektrolysegeräten oder Elektrolysezellen erfolgen. Wasserstoff sammelt sich an der Kathode und Sauerstoff an der Anode. Wenn erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- oder Windenergie zur Stromerzeugung verwendet werden, spricht man von „grüner Wasserstoffproduktion“, da sie keine Treibhausgasemissionen verursacht.
Es werden zurzeit weltweit rund 96 % des Wasserstoffs durch Dampfreformierung und rund 4 % durch Elektrolyse hergestellt.
[6]
Wasserstoff besitzt mit einem Brennwert von rund 142 MJ/kg die höchste gravimetrische Energiedichte von allen Brennstoffen. Verglichen mit Methan mit rund 55 MJ/kg ist die Energiedichte von Wasserstoff etwa 3-mal höher. Aufgrund der sehr geringen Dichte und des dadurch großen Volumens ist die volumetrische Energiedichte mit rund 13 MJ/m3 jedoch deutlich geringer. Methan besitzt mit einem Brennwert von rund 40 MJ/m3 eine etwa 3-mal höhere volumetrische Energiedichte als Wasserstoff.
Die Energiedichte ist ein Maß für die Verteilung von Energie E [Joule, J] auf eine bestimmte Größe X.
Es wird unterschieden zwischen der volumetrischen und der gravimetrischen Energiedichte:
- Volumetrische Energiedichte = Energie pro Volumen [Joule pro Kubikmeter, J/m3 ]
- Gravimetrische Energiedichte = Energie pro Masse [Joule pro Kilogramm, J/kg]
[7], [8]
Wasserstoff wird in der Regel in verschiedene Kategorien oder Typen eingeteilt, je nachdem, wie er produziert wird. Für eine schnelle Unterscheidung sind Farbcodes dienlich. Die wichtigsten sind:
Grauer Wasserstoff:
- Grauer Wasserstoff wird in der Regel durch Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Bei der Produktion von grauem Wasserstoff fallen klimaschädliche CO2-Emissionen an, die in die Atmosphäre gelangen.
Blauer Wasserstoff:
- Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff mit dem Unterschied, dass hier die CO2-Emissionen abgeschieden und gespeichert werden. Durch die Speicherung des anfallenden CO2 (CCS, engl. Carbon Capture and Storage; dt. Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) kann blauer Wasserstoff prinzipiell als CO2-neutral betrachtet werden. Eine großtechnische Anwendung von blauem Wasserstoff steht bislang jedoch noch aus.
Grüner Wasserstoff:
- Grüner Wasserstoff wird ausschließlich unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen wie z.B. Wind- oder Solarenergie und der Elektrolyse von Wasser hergestellt. Es fallen während der Herstellung keine klimaschädlichen CO2-Emissionen an, jedoch ist die Erzeugung aktuell kostenintensiv aufgrund des hohen Einflusses des Strompreises auf die Gesamtkosten zur Herstellung von Wasserstoff. Auch die gewählte Elektrolysetechnologie hat Einfluss auf die Kosten.
[9], [10]
Das Universum besteht zu mehr als 90 % aus Wasserstoffatomen, die damit das häufigste Element darstellen. Sterne leuchten nur deshalb, weil sie konstant durch den Prozess der Kernfusion Wasserstoff zu Helium umwandeln und dabei enorme Energiemengen freisetzen.
Wasserstoff kommt auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor, aber es gibt auch natürlich gebildeten freien Wasserstoff. Er wird entsprechend der eingeführten Farbcodes als weißer Wasserstoff bezeichnet.
1888 wurde erstmals von einem Gasaustritt in einer Kohlenmine in der Region Donezk (Ukraine) berichtet. Die entweichende Gasmischung bestand zu weniger als 10 % aus Wasserstoff. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wurden natürliche Wasserstoff-Vorkommen in der Literatur erwähnt, die teilweise hohe Wasserstoff-Konzentrationen aufweisen. Vor kurzem entdeckten zwei französische Wissenschaftler zufällig ein unterirdisches Wasserstoffvorkommen im Gebiet der Ortschaft Folschviller im ostfranzösischen Lothringen nahe der deutschen Grenze, welches sich in einem sedimentären Becken befindet (siehe auch Kategorie 3 natürliche Wasserstoffvorkommen). Eine Bohrung nach Methan zeigte in 1.100 m Tiefe eine Wasserstoff-Konzentration von 14 % und in 1.250 m Tiefe von 20 % an. Erste Berechnungen gehen von bis zu 46 Mio. Tonnen weißen Wasserstoff aus. Bestätigt sich dieser Fund durch weitere Untersuchungen, wäre es das bis jetzt größte Vorkommen der Erde.
Zur Einordnung: Je nach verwendeter Quelle liegt die weltweite Jahresproduktion von Wasserstoff bei ca. 70 bis 75 Mio. Tonnen. Das bedeutet, das Vorkommen in Lothringen entspräche ca. 61 - 65 % der Jahresproduktion. Für die angestrebte Energiewende, in der Wasserstoff ein Schlüsselelement sein wird, bleibt die industrielle Herstellung von Wasserstoff unerlässlich, da sie die ansteigenden Mengen skalierbar erzeugen kann und eine sichere Versorgung darstellt.
Natürliche Wasserstoffvorkommen wurden in drei geologischen Regionen entdeckt:
- Am Mittelozeanischen Rücken - in Extensionszonen, wo Ozeanböden auseinanderdriften.
Beispiel: Hydrothermale Schlote
- Ehemaliger Ozeanboden (Ophiolit), der in Kompressionszonen auf das Festland geschoben wurde.
Beispiele: Semail (Oman), Luzon (Philippinen), Sonoma (USA)
- Sedimentäre innerkontinentale (intrakratonische) Becken oberhalb von präkambrischem (ca. 4 – 0,54 Milliarden Jahre) Grundgebirge.
Beispiele: Sudbury (Kanada), Bourakebougou (Mali), Tartarstan (Russland)
Folgende Mechanismen zur Entstehung von natürlichem Wasserstoff werden diskutiert:
- Radiolyse: Wassermoleküle werden in der Gegenwart von natürlicher Strahlung im Gestein (Uran, Thorium und Kalium) aufgespalten. Dieser Prozess setzt Wasserstoff frei.
- Serpentinisierung: Wasser reagiert unter hohen Temperaturen und Drücken mit eisenreichen Mineralen unter Freisetzung von Wasserstoff.
- Bildung von Pyrit (Katzengold): Unter sauerstofffreien Bedingungen wird aus Eisen(II)-Sulfid (FeS) Pyrit (FeS2) gebildet.
- Tiefsitzende Wasserstoffströme: Es wird in Erwägung gezogen, dass ursprünglicher Wasserstoff aus dem Erdinneren entlang von Verwerfungen und in Beckenstrukturen aufsteigen könnte.
- Weiterhin ist nicht auszuschließen, dass durch Erdbeben verursachte Reibung an silikatischen mineralischen Oberflächen Wasserstoff erzeugt.
Austritte von natürlichem Wasserstoff können an der Erdoberfläche durch kreisförmige, meist vegetationslose Flächen, sogenannte Feenkreise, beobachtet werden.
Zunehmend rückt die Frage einer wirtschaftlichen Erschließung dieser Vorkommen in den Fokus, da natürliche Wasserstoff-Vorkommen weltweit verbreitet sind. Schwierigkeiten bestehen darin, dass es natürliche Abbauprozesse gibt (Verflüchtigung, Mikroorganismen, mineralogische Reaktionen), die die Bildung von natürlichem Wasserstoff limitieren und weiterhin muss Wasserstoff sich in förderwürdigen Strukturen ansammeln ähnlich wie Erdgas/-öl . Verschiedene Forschungs- und Industrieprojekte versuchen, das System „natürlicher Wasserstoff“ besser zu verstehen.
[11], [12], [13]
Feenkreis
Nein.
Das Einatmen von großen Mengen Wasserstoff (H2) verdrängt jedoch Sauerstoff (O2) in der Lunge und kann zur Erstickung führen. Akut gefährlich wird es erst bei einer Konzentration größer als 30 Volumen-% in der Atemluft.
Ja, aber nur unter bestimmten Bedingungen.
Entscheidend ist die Anwesenheit eines Oxidationsmittels (u.a. reiner Sauerstoff oder allgemein Luft), ein bestimmtes Volumenverhältnis des Oxidationsmittels zum Wasserstoff und eine Zündquelle.
D.h. reiner Wasserstoff ohne ein Zutun dieser Faktoren ist weder brennbar noch explosiv.
Ab einem Volumenverhältnis von ca. 4 bis 75 % Wasserstoff in der Luft ist das Gemisch explosiv.
Ab einem Volumenverhältnis von kleiner als 4 % und größer als 75 % Wasserstoff ist das Gemisch nicht explosiv.
[14]
Wasserstoff (H2) verbrennt mit Sauerstoff (O2) unter Freisetzung von Energie zu Wasser (H2O). Dieser Vorgang wird durch die folgende Reaktionsgleichung beschrieben:
2 H2 + O2 → 2 H2O
Wasserstoff kann auf verschiedene Arten transportiert werden. Der unter Normalbedingungen gasförmige Wasserstoff besitzt ein großes Volumen (ca. 11 m3/kg). Als leichtestes und kleinstes Element ist er sehr viel flüchtiger als andere Gase wie z.B. Erdgas. Während des Transports müssen das Volumen sowie die Dichtigkeit des Transportmittels berücksichtigt werden.
Um das Volumen zu verringern und dadurch den Transport ökonomischer zu gestalten, wird reiner Wasserstoff entweder unter hohen Drücken komprimiert (bis zu 700 bar) oder alternativ bei Normaldruck und Temperaturen unter - 252,9 °C verflüssigt. Verflüssigter Wasserstoff nimmt ein deutlich geringeres Volumen als Wasserstoffgas ein. Jedoch gilt die Faustformel, dass die benötigte Energie zur Abkühlung ca. 40 % des Energiegehalts von Wasserstoff selbst entspricht. Gleichzeitig muss die Temperatur konstant beibehalten werden.
Damit Wasserstoff möglichst nicht entweicht, haben sich teure rostfreie Stahlwerkstoffe etabliert, die nahtlos miteinander verbunden bzw. verschweißt werden müssen. Mittlerweile werden hochdichte Metall-Kunststoff-Verbundrohre (Composit-Material) und Polyethylen-Rohre erfolgreich getestet, welche im Vergleich zu Stahlrohren preiswerter sind.
Weiterhin werden Möglichkeiten untersucht, Wasserstoff für den Transport in ein Trägermedium wie Ammoniak (NH3) oder Methanol (CH3OH) umzuwandeln. Diese Verbindungen bieten für den Transport günstigere physikalische Eigenschaften. Die Rückumwandlung nach dem Transport ist dafür sehr energieintensiv.
LKW oder Bahn:
Wasserstoff wird auf der Straße und der Schiene in komprimierter als auch flüssiger Form transportiert. Letztere Variante bietet sich v.a. bei längeren Strecken an. LKW oder Zug sind gut geeignet, kleine Mengen Wasserstoff zielgenau dorthin zu transportieren, wo sie benötigt werden.
Schiffe:
Der Transport auf Schiffen findet aufgrund des volumetrischen Vorteils in flüssiger Form statt. Hier wird die Möglichkeit zur Umwandlung in ein Trägermedium diskutiert. Die Variante per Schiff wird zukünftig besonders wichtig, da Deutschland zur Erreichung der nationalen Wasserstoffstrategie auf Wasserstoff-Importe angewiesen sein wird. Entsprechende Kooperationen gibt es z.B. mit Australien.
Pipeline:
Wasserstoff wird in Pipelines im gasförmigen Zustand transportiert. Während die Kosten für den Neubau von Pipelines hoch sind, sind die laufenden Kosten eher gering. Der klare Vorteil besteht darin, dass über diesen Weg die größten Mengen Wasserstoff transportiert werden können. Bisher gibt es in Deutschland zwei bestehende Wasserstoff-Netze. Ein ca. 240 km langes Pipeline-System verbindet im Ruhrgebiet die Städte Köln, Leverkusen und Düsseldorf und ein ca. 100 km langes Pipeline-System verbindet im mitteldeutschen Chemiedreieck die Städte Merseburg, Leuna, Bohlen, Bitterfeld und Rodleben.
Europäische Gasunternehmen planen ein Pipeline-System, das als „Wasserstoff-Rückgrat“ mehrere europäische Länder miteinander verbinden soll. Um Kosten zu sparen, sollen bestehende und nicht mehr benötigte Erdgasleitungen für den Einsatz von Wasserstoff genutzt werden. Grundsätzlich können Erdgas-Pipelines auch für Wasserstoff genutzt werden. Sie sollten jedoch für Wasserstoff optimiert werden.
Der Wasserstoffrat der Bundesrepublik Deutschland stellt fest, dass „vorhandene Erdgasfernleitungen, bestätigt durch ein Gutachten des TÜV Nord, grundsätzlich für den sicheren Transport von Wasserstoff geeignet sind und von Erdgas auf Wasserstoff umgestellt werden können. Ein solcher Vorgang wurde praktisch bei der Umstellung einer Erdgasfernleitung im Südwesten der Niederlande demonstriert. Dabei werden einzelne, nicht für die Verwendung in Wasserstoffnetzen geeignete Komponenten, wie z. B. Mess- und Regelanlagen oder auch Verdichter, ausgetauscht und die umzustellende Leitung auf ihre Integrität überprüft. Weitergehende technische Maßnahmen, wie z. B. das Anbringen einer Innenauskleidung, sind für die Transportanwendung nicht erforderlich. Für die auszutauschenden Komponenten, insbesondere die Verdichter, sind bereits heute etablierte Lösungen vorhanden und werden kontinuierlich weiterentwickelt.“
(Zitat: Nationaler Wasserstoffrat: Wasserstofftransport)
[15], [16], [17]
Wasserstoff und Wasser reagieren chemisch nicht miteinander.
Auch die Löslichkeit in Grundwasser ist sehr gering:
Sie beträgt nur ca. 1,6 Milligramm Wasserstoff (bei Raumtemperatur 25 °C und normalem Druck ca. 0,019 Liter) pro 1 Liter Wasser. Sauerstoff im Vergleich dazu hat eine Löslichkeit von 40 mg pro Liter Wasser unter denselben Bedingungen.
Es gibt bisher keine fundierten Untersuchungsergebnisse, ob große Mengen Wasserstoff z.B. bei einer Leckage des Untergrundspeichers durch Reaktionen mit Sauerstoff in der Bodenluft und Mikroorganismen indirekt negative Auswirkungen auf Grundwasser haben. Es ist daher davon auszugehen, dass Grundwasser unbeeinflusst bleibt.
Bei der Untergrundspeicherung von Wasserstoff, wie bei jeder Technologie, bestehen potenzielle Risiken, die sorgfältig bewertet, überwacht und berücksichtigt werden müssen.
Hauptursachen für diese Risiken sind mögliche Undichtigkeiten in den Speicherstätten sowie Leckagen in der Infrastruktur, die durch eine unzureichende geologische Eignung, Materialermüdung, Korrosion oder menschliches Versagen verursacht werden können. Dadurch besteht die Gefahr von Bränden und Explosionen, wenn austretender Wasserstoff in ausreichender Konzentration mit Luft vermischt wird und eine Zündquelle vorhanden ist.
Studien legen nahe, dass bei einem großflächigen Austritt von Wasserstoff in die Atmosphäre eine indirekte Treibhausgaswirkung auftreten kann. Trotzdem wird angenommen, dass die Vorteile in Bezug auf die Klimawirkung die Nachteile überwiegen (Umweltbundesamt).
Die Kontrolle des Drucks ist entscheidend, wenn ein Gas oder eine Flüssigkeit in den Untergrund injiziert wird, um das Risiko von Brüchen in der gasundurchlässigen Deckschicht und möglichen Erdbeben zu minimieren. Bewährte Injektionsverfahren können dies verhindern (BGR).
Um potenziell negative Auswirkungen zu minimieren und eine sichere Anwendung der Untergrundspeicherung von Wasserstoff zu gewährleisten, sind ausgereifte Monitoring-Konzepte unerlässlich.
[18], [19]
- Die Bundesregierung: Wasserstoff – Energieträger der Zukunft
- Bundesministerium für Bildung und Forschung: Wissenswertes zu Wasserstoff - BMBF
- Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz: BMWK - FAQ zum Wasserstoff-Kernnetz
- Umweltbundesamt: Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem | Umweltbundesamt
- Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe
- Nationaler Wasserstoffrat
- Deutscher Wasserstoff-Verband
- NOW-GmbH Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie: Wasserstoff und Brennstoffzellen: Antworten auf wichtige Fragen
- National Renewable Energy Laboratory (NREL), USA. Hydrogen 101: Frequently Asked Questions About Hydrogen for Decarbonization
[1] Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
[2] https://www.webelements.com/hydrogen/
[3] https://www.chemie.de/lexikon/Wasserstoff.html
[4] https://www2.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/10/0.html
[5] https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Abundance_of_the_chemical_elements.html
[6] Roy, S. (2023): Literature Review - Underground Hydrogen Storage. Technische Universität Darmstadt.
[7] https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/e/energiedichte
[8] https://gammel.de/de/lexikon/Heizwert---Brennwert/4838
[9] https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/w/wasserstoff
[10] https://www.wasserstoff-leitprojekte.de/wissenswertes
[11] Zgonnik, V., “The occurrence and geoscience of natural hydrogen: A comprehensive review,” Earth-Science Reviews, vol. 203, no. 8, p. 103 140, 2020, issn: 0012-8252. doi: 10.1016/j.earscirev.2020.103140.
[12] Franke, Dieter, Martin Blumenberg und Martin Pein, Wasserstoffvorkommen im geologischen Untergrund, Commodity TopNews 63, 2023
[13] Prinzhofer, A. and Deville, E., Hydrogène naturel: La prochaine révolution énergétique ? : [une énergie inépuisable et non polluante, ça existe !] Paris: Belin, 2015, isbn: 978-2-7011-8384-8.
[14] https://www.tuev-nord.de/de/unternehmen/energie/wasserstoff/wasserstoff-eigenschaften-sicherheit-gefahren/
[15] https://www.ptj.de/fokusthemen/gruener-wasserstoff/wasserstoff-transportieren
[16] https://www.ffe.de/veroeffentlichungen/beitragsreihe-wasserstoff-wie-wird-wasserstoff-transportiert/
[17] https://www.uni-augsburg.de/de/forschung/einrichtungen/institute/amu/wasserstoff-forschung-h2-unia/h2lab/h2-sp/transport/
[18] https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/479/dokumente/uba_ist_wasserstoff_treibhausgasneutral.pdf
[19] https://www.bgr.bund.de/EN/Themen/Nutzung_tieferer_Untergrund_CO2Speicherung/CO2Speicherung/FAQ/faq_node_en.html;jsessionid=DFABA9EB53F2B92C64AF6C05576A4C5C.internet941#doc1559834bodyText10