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Frequently Asked Questions
1. Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff steht an erster Stelle im Periodensystem und ist das einfachste Atom, da es aus nur einem Proton und einem Elektron besteht.. Atomarer Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig und verbindet sich zum Molekül H2 und mit fast allen anderen Elementen zu einer Vielzahl von anorganischen oder organischen Verbindungen (Hydriden).
Wasserstoff ist mit einer Häufigkeit von über 90 % der Atome das mit Abstand am häufigsten im Universum vorkommende Element. Die Urknall¬theorie geht davon aus, dass vor etwa 13,5 Mrd. Jahren Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium durch Kernfusion entstanden sind, die in weiterer Folge alle anderen Atome gebildet haben. Im Weltall kommt Wasserstoff aufgrund der niedrigen Werte von Temperatur und Druck in seiner atomaren Form vor. Das interstellare Gas besteht fast vollständig aus Wasserstoff, es ist mit ca. 1 Wasserstoffatom pro cm3 so stark verdünnt, dass es als Vakuum betrachtet wird. Wasserstoff bildet den Hauptbe¬standteil von Sternen, die ihre Energie aus der Fusion von Wasserstoff zu Helium beziehen.
Auf der Erde kommt Wasserstoff meist in gebundener Form vor, wie etwa gebunden in Kohlenwasserstoffen. Wasserstoff der in natürlichen Lagerstätten vorkommt nennt man weißen Wasserstoff. In der Erdkruste, den Ozeanen und der Atmosphäre beträgt der Massenanteil 0,9 %. Dabei macht der für den Menschen zugängliche Teil weniger als 1 % der Erdmasse aus. Der Anteil von Wasserstoff in der Erdatmosphäre beträgt nur 0,5 parts per million (ppm). Der größte Anteil des irdischen Wasserstoffs kommt in Verbindung mit Sauerstoff in Form von Wasser oder Wasserdampf vor. Im menschlichen Körper ist Wasserstoff mit über 60 % das mit Abstand am häufigsten vorkommende Element und macht etwa 10 % der Körpermasse aus.
2. Wie wichtig ist Wasserstoff für unsere Strategie für saubere Energie und unsere langfristigen Nachhaltigkeitsziele?
Der Ausbau der erneuerbaren Energien bringt erhebliche Herausforderungen mit sich, da diese für die Produktion nur für einige tausend Stunden (Sonnenenergie nur tagsüber und überwiegendim Sommer, Wind teilweise stark volatil) im Jahr und nicht an allen geographischen Standorten in der gleichen Menge zur Verfügung stehen. Wir benötigen aber eine ganzjährige sichere Energieversorgung. Der Energieträger Wasserstoff kann diese räumliche und zeitliche Lücke schließen, indem er die Integration erneuerbarer Energiequellen ermöglicht, natürliche Schwankungen des erneuerbaren Energieangebots ausgleicht und (saisonal) speichert. Mit Wasserstoff als Energieträger ist erneuerbare Energie immer dann verfügbar, wenn man sie braucht. Außerdem erfordern die Wasserstofftechnologien eine relativ geringe Infrastrukturanpassung und sind daher potenziell kostengünstig. Etwa zwei Drittel der in Europa verbrauchten Primärenergie werden unterirdisch über Pipelines transportiert. In Zukunft wird unsere Energie immer noch über Pipelines kommen, aber es wird hauptsächlich grüne Energie in Form von Wasserstoff sein. Diese grüne Energie wird dann in industriellen und/oder chemischen Prozessen genutzt, direkt in Hochtemperatur-Wärme gewandelt oder möglichst durch emissionsfreie Technologien wie Brennstoffzellen in Wärme und Strom oder Bewegung umgewandelt. Wasserstoff ist wesentlicher Baustein der grünen Energiewende, da er keinen Kohlenstoff enthält und bei seiner Wandlung oder Verbrennung nur Wasser entsteht. Die Unterstützung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft, die Wasserstoff nutzt, wird durch europäische Richtlinien und nationale Politiken, die zum Ausbau der erforderlichen Wasserstoffinfrastruktur führen, immer stärker.
3. Was sind die Eigenschaften von Wasserstoff?
4. Wie kann Wasserstoff hergestellt werden?
Wenn Wasserstoff in reiner Form in der Natur aufgefunden wird spricht man von weißem Wasserstoff. Diese Art des Wasserstoff ist derzeit noch selten, aber es wird vielfach danach gesucht.
Wasserstoff kommt weltweit meist in gebundener Form vor. Dazu werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die unterschiedliche Primärenergieträger und Wasserstoffverbindungen wie etwas Methan (CH4) oder reines Wasser (H2O) nutzen, wobei der Wirkungsgrad und der Ausstoß von Kohlendioxid wichtige Bewertungskriterien sind. Wasserstoff kann durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden. Die gängigsten sind:
- durch Methan/Erdgas Spaltung mit CO2 Emissionen (leichte Kohlenwasserstoffe) – durch Dampfreformierung (SMR).
- durch Wasserspaltung – mittels Wasser-Elektrolyse
- Methan-Elektrolyse/Plasmalyse/Pyrolyse – Spaltung von Methan ohne CO2-Emissionen
- Andere (schwere) Kohlenwasserstoffe – durch partielle Oxidation.
- Kohle oder Biomasse
5. Was ist blauer, grüner, brauner, rosa, türkiser und grauer Wasserstoff?
In der Energiewirtschaft werden Farbcodes (grüner, blauer, türkiser, gelber, pinker Wasserstoff) verwendet, um die verschiedenen Herstellmethoden und Herkünfte von Wasserstoff zu unterscheiden.. Wasserstoff ist unter normalen Umgebungsbedingungen ein farbloses (unsichtbares) Gas. Daher gibt es – trotz der bunten Bezeichnungen – keinen sichtbaren Unterschied zwischen den verschiedenen Arten von Wasserstoff. Um die Produktionsmethode und die zur Herstellung verwendete Energie oft auch den Ausgangsstoff anzugeben, wurde eine Zuordnung der Farben festgelegt. Es gibt jedoch keine allgemeingültige Namenskonvention, und diese Farbdefinitionen können sich im Laufe der Zeit und sogar von Land zu Land ändern.
- Weißer Wasserstoff, oder auch natürlicher Wasserstoff genannt, ist ein in natürlichen Lagerstätten vorkommender molekularer Wasserstoff.
- Grüner Wasserstoff wird zum Beispiel durch Wasser-Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt, die Wasserspaltung ist ein emissionsfreier Prozess. Daher ist grüner Wasserstoff derjenige, der ohne Treibhausgasemissionen hergestellt und geliefert wird. Darüber hinaus kann grüner Wasserstoff auch unter Verwendung von Biomasse durch Reformierung oder Pyrolyse hergestellt werden. Außerdem befinden sich mehrere Alternativen wie die direkte solare Wasserspaltung oder biologische Verfahren unter Verwendung von Grünalgen im Forschungsstadium.
- Grauer Wasserstoff wird zum Beispiel aus Erdgas bzw. Methan durch Dampfreformierung hergestellt, ohne dass die dabei entstehenden Treibhausgase abgeschieden werden. Dies ist derzeit die häufigste Form der Wasserstofferzeugung.
- Türkisfarbener Wasserstoff wird zum Beispiel durch Methanpyrolyse (thermische Spaltung von Methan) erzeugt, wobei anstelle von CO2 fester Kohlenstoff als Nebenprodukt entsteht.
- Brauner Wasserstoff wird zum Beispiel aus Kohle durch die Wassergasverschiebungsreaktion (engl. water gas shift reaction – WGSR) im letzten Schritt gewonnen, wobei das Nebenprodukt der Reaktion CO2 ist. Die ersten Schritte in diesem Prozess sind die partielle Oxidation und die Vergasung.
- Blauer Wasserstoff ist grauer oder brauner Wasserstoff, wobei der bei dem eingesetzten Verfahren entstehende Kohlenstoff durch industrielle Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (engl. carbon capture and storage – CCS) abgeschieden und gespeichert wird.
Quelle: Eigene Darstellung (HyCentA)
6. Wie wird Wasserstoff transportiert?
Im Rahmen des Projektes EnergyHyWay wird der Transport von großen Mengen Wasserstoff untersucht. Ein von HyCentA entwickeltes Tool ermöglicht die Berechnung der Energieeffizienz verschiedener Transportwege. Ziel der Sondierungsstudie ist eine Gesamtbewertung der vielversprechendsten Wasserstoffversorgungspfade für die Mobilität. Dies beinhaltet eine vergleichende energetische und ökologische Bewertung – beginnend mit grünem Wasserstoff und endend mit der endgültigen Anwendung in der Mobilität. Neben dem direkten Wasserstoffpfad werden auch verschiedene Wasserstoffträgersysteme wie flüssiger organischer Wasserstoffträger (LOHC) oder Ammoniak (NH3) bewertet.
Gemäß der AGGM – Austrian Gas Grid Management – ist eine Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur für die Versorgung mit Wasserstoff möglich. Bereits heute ist eine Beimengung von Wasserstoff bis zu 20% möglich, jedoch derzeit nicht wirtschaftlich. Auch der Transport von reinem Wasserstoff in Pipelines wurde bereits untersucht und teilweise umgesetzt. Die RAG Austria AG hat im Zuge des Wasserstoffspeicher-Projekts des Underground Sun Storage 2030 hat eine 8 km lange unterirdische reine Wasserstoffpipeline verlegt.
7. Wie wird Wasserstoff gespeichert?
Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff stellen die Speicherung und der Transport mit ausreichender Energiedichte eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Die Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung lassen sich in physikalische Speichermethoden und chemische Speichermethoden unterteilen. Physikalische Speichermethoden sind komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2), flüssiger Wasserstoff (LH2) und kryogener komprimierter Wasserstoff (cCH2):
• Gasförmiger komprimierter Wasserstoff wird mit einem Druck von 300 bis 700 bar in Druckbehältern gespeichert und transportiert
• Flüssiger kryogener Wasserstoff bei Temperaturen unter -252,85 °C (20,3 K) und LH2 (flüssiger Wasserstoff) werden in kryogenen Behältern gespeichert und transportiert
Chemische Speichermethoden sind flüssige Hydride (flüssige organische Wasserstoffträger, LOHC), feste Hydride (Metallhydride, MH) oder Ammoniak (NH3), derzeit vorwiegend im Laborstadium.
Kleine Mengen von Wasserstoff werden in der Regel in Druckbehältern gespeichert. Größere Mengen, zum Beispiel für die saisonale Speicherung erneuerbarer Energien, können in unterirdischen Gasspeichern gelagert werden. Das Projekt Underground Sun Storage 2030 zielt auf die sichere, saisonale und großtechnische Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von 100% Wasserstoff in unterirdischen Gasspeichern ab. RAG Austria betreibt bereits eine Anlage in Pilsbach nahe Attnang in der Wasserstoff gemischt mit Methan (bis 20%) eingespeichert wird.
8. Wie funktioniert die Elektrolyse?
Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, was bedeutet, dass Elektrizität in einer so genannten elektrochemischen Zelle angelegt wird, was zur Spaltung der Moleküle in dieser Zelle führt. Eine elektrochemische Zelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch ein ionenleitendes Material (Elektrolyt) getrennt sind. Im Falle der Wasserelektrolyse führt die Zufuhr von Strom zur Aufspaltung von Wassermolekülen (H2O – flüssig oder gasförmig) in H2 (gasförmig) und O2 (gasförmig). Die beiden Produktgase verlassen die Zelle getrennt und können separat genutzt werden. Durch Elektrolyse kann elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt werden.
Quelle: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, M. Klell, H. Eichlseder, A. Trattner; Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018
9. Welche verschiedenen Arten von Elektrolyseuren gibt es?
Elektrolyseverfahren werden in der Regel nach dem verwendeten Elektrolyten und der Betriebstemperatur unterschieden. Die alkalische Elektrolyse (AEL) verwendet Kaliumhydroxid als Elektrolyt und arbeitet bei niedrigen Temperaturen um 60-70 °C. Es handelt sich um eine industrialisierte Technologie und es sind mehrere hundert MW installiert.
Die Polymerelektrolytmembran Elektrolyse (engl. proton exchange membrane electrolyis – PEMEL) ist eine Technologie, die durch eine Membran gekennzeichnet ist, die Anode und Kathode trennt. Diese Membran kann H+-Ionen (Protonen) transportieren und dient als Elektrolyt in der Zelle. PEM-Elektrolyseure sind auf dem Markt bis zur Multi-MW-Größe erhältlich. Hohe Leistungsdichte, kompakte Bauweise und Betrieb unter Differenzdruck (Wasserstoff wird unter einem Druck von bis zu 160 bar erzeugt) sind die Hauptmerkmale von PEM-Elektrolyseuren. Die Technologie ist jedoch teuer und benötigt kritische Rohstoffe, wie Platin.
Das alkalische Gegenstück zu PEM-Elektrolyseuren ist der Anionenaustauschmembran Elektrolyseur (engl. Anion exchange membrane electrolyis – AEMEL). Er verwendet verdünntes Kaliumhydroxid als Elektrolyt und eine anionenleitende Membran zur Trennung von Anode und Kathode. AEM-Elektrolyseure können unter Differenzdruck (30 bar) betrieben werden und lassen sich aus reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien herstellen. Diese Technologie befindet sich derzeit auf dem Weg zur Marktreife.
Die Festoxid-Elektrolyse (engl. Solid oxide electrolysis – SOEL) ist eine so genannte Hochtemperaturtechnologie, die bei bis zu 1000 °C arbeitet, während alle anderen Elektrolyseurtechnologien Niedertemperaturanwendungen sind. Als Elektrolyt werden O2–Ionen leitende Materialien verwendet. Diese Technologie verspricht einen sehr hohen Wirkungsgrad und einen Betrieb bei bis zu 30 bar. Bislang befindet sich diese Technologie jedoch noch im Stadium der Forschung und Entwicklung.
10. Was sind Power-to-Gas, Power-to-Hydrogen, Power-to-Heat, Power-to-Liquid und Power-to-X?
Power-to-Gas (P2G): Erneuerbare Elektrizität (Strom, engl. Power) wird zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffs verwendet. Power-to-Gas (P2G) ist die einzige Technologie, die eine Speicherung im Terawattstunden-Maßstab ermöglicht. Wasserstoff wird in einem Speichersystem wie Tanks, Kavernen oder dem Erdgasnetz gelagert. Die Nutzung des Erdgasnetzes würde es ermöglichen, sehr große Mengen an erneuerbarem Wasserstoff sehr kostengünstig zu speichern, da nur sehr wenig neue Infrastruktur gebaut werden muss. Power-to-Hydrogen (P2H2) bezeichnet eine Technologie, bei der Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt wird. Wasserstoff wird zum Träger von erneuerbarer Energie, wenn erneuerbarer Strom für diesen Prozess verwendet wird. Power-to-Liquid (P2L) ist ein Verfahren, bei dem die Produkte aus dem P2G-Prozess anschließend in flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden, zum Beispiel durch das Fischer-Tropsch-Verfahren, bei dem H2 und CO2 zu flüssigen Kohlenwasserstoffen (Diesel, Kerosin) reagieren. Power-to-Heat (P2H) ermöglicht die Nutzung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Form von Wärme.
Power-to-X (P2X) ist eine Reihe von Technologien, die die Umwandlung von Strom in Energieträger, Chemikalien und Wärme ermöglichen. Der Begriff fasst verschiedene in diesem Zusammenhang eingesetzte Techniken zusammen, wobei sich X auf das Ergebnis der Umwandlung bezieht.
Im Rahmen von Renewable Gasfield wird in der Südsteiermark eine Power-to-Gas-Anlage errichtet. Eine PEM-Elektrolyse erzeugt grünen Wasserstoff aus regenerativen Ressourcen, hauptsächlich aus einem 1,5 MW PV-Feld vor Ort. Das H2 wird entweder für eine 350 bar Wasserstofftankstelle oder für einen Methanisierungsprozess von kohlenstoffreichem Biogas verwendet. In der südlichen Steiermark (Österreich) wird eine bestehende Biogasanlage mit halber Kapazität betrieben. Die Kopplung mit einer lastflexiblen Methanisierung wird die Erzeugung und Speicherung von synthetischem Erdgas (engl. Synthetic natural gas – SNG) im Gasnetz ermöglichen.
Quelle: WIVA Projekt Renewable Gasfield
11. Wie wird Wasserstoff die anspruchsvollen Sektoren für grüne Energie wie Chemie, Zement und Stahl unterstützen?
Für die meisten Hochtemperaturprozesse wie Zement oder Glas ist die Elektrifizierung keine Option, da für die Prozesse selbst ein gasförmiger Raum und manchmal auch ein chemisches Reagens notwendig ist, wie etwa bei der Eisenverhüttung. Heute werden diese Prozesse meist mit Erdgas betrieben. Auch im Mobilitätssektor bestehen aufgrund fehlender effizienter Alternativen, sehr sinnvolle Einsatzbereiche von Wasserstoff, zum Beispiel im Schwerlastverkehr und in der Schifffahrt.
Wasserstoff ist der Schlüssel zur Ökologisierung all dieser hochintensiven energetischen Prozesse.
12. Ist es sicher, Wasserstoff zu verwenden?
Wasserstoff ist genauso sicher wie jeder andere Kraftstoff für den Verkehr (d.h. Benzin, Diesel und Erdgas). Die Tanks werden strengen Tests unterzogen, darunter Crash-Tests, Beschuss- und Leistungstests. Außerdem werden sie aus hochfesten Verbundwerkstoffen hergestellt, die viel stärker sind als Stahl. So werden die Testtanks beispielsweise mehr als dem Doppelten des maximalen Drucks ausgesetzt, dem sie unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, um eine hochwertige Qualität zu gewährleisten. Darüber hinaus verfügen die Wasserstofftankstellen über redundante Schutzsysteme, so dass ein Überdruck im Kraftstoffsystem eines Fahrzeugs praktisch unmöglich ist. Brennstoffzellen-Fahrzeuge (engl. Fuel cell electric vehicles – FCEV) und die Tankstellen, die den Wasserstoff liefern, sind heute genauso sicher wie herkömmliche Systeme. Alle FCEVs müssen dieselben strengen staatlichen Sicherheitsstandards erfüllen, die für alle Verbraucherfahrzeuge gelten.
Wasserstoff wird seit mehr als 50 Jahren sicher hergestellt und in der Industrie verwendet. Wie bei jedem anderen Kraftstoff ist ein sicherer Umgang unerlässlich, aber Wasserstoff ist ungiftig und stellt keine Gefahr für die Gesundheit von Mensch und Umwelt dar, wenn er freigesetzt wird.
13. Was ist der Unterschied zwischen Elektrizität und Wasserstoff als Energieträger?
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