Wasserstoff als Energiespeicher

Wasserstoff ist ein Gas, das aus zweiatomigen Molekülen (H₂) besteht. Wasserstoff-Moleküle sind im Vergleich zu den meisten Wasserstoffverbindungen - besonders im Vergleich zu Wasser (H₂O) - energiereich. Verbindet sich Wasserstoff mit anderen Elementen, wird (meistens) Energie frei. Diese Energiedifferenz macht es möglich, Wasserstoff zur Speicherung von Energie einzusetzen. Am Beispiel von Wasser lässt sich dies so veranschaulichen:

Wasser + Energie → Wasserstoff + Sauerstoff
Wasserstoff + Sauerstoff → Energie + Wasser

Die Freisetzung von Energie bei der Bildung von Wasserstoffverbindungen ist auch die Ursache dafür, dass molekularer Wasserstoff in der Natur nur in minimalen Konzentrationen vorkommt. Er ist deshalb kein Primärenergieträger wie Kohle, Erdgas oder Erdöl, sondern - wie elektrischer Strom - ein Sekundärenergieträger, der in Umwandlungsprozessen aus wasserstoffhaltigen Verbindungen gewonnen werden muss.

Konventionelle Verfahren zur Erzeugung von molekularem Wasserstoff basieren meist auf der thermischen Abspaltung von Wasserstoff aus Erdgas (Methan) und anderen fossilen Kohlenwasserstoffen. Ökologisch vorteilhafter ist die Wasserstoffgewinnung aus Biomasse oder durch den Einsatz von elektrischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen.

Das Standardverfahren zur Wasserstofferzeugung durch Strom ist die Wasser-Elektrolyse. Wasser wird in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und so die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Allerdings entstehen bei diesem Prozess unvermeidlich Verluste von etwa 35 % in Form von (Ab-) Wärme, sofern diese nicht zu anderen Zwecken genutzt werden kann.

Elektr. Energie + Wasser → Wasserstoff + Sauerstoff + Wärme

Die im Wasserstoff gebundene Energie kann durch Verbrennung in Motoren oder Turbinen oder durch Rückwandlung in Brennstoffzellen wieder nutzbar gemacht werden.

Beim Einsatz in Brennstoffzellen wird unmittelbar elektrischer Strom erzeugt (Umkehrung der Elektrolyse). Als weitere Produkte entstehen Wasser und wiederum Wärme - in der Regel als Wasserdampf - jedoch keine Schadstoffe.

Wasserstoff + Sauerstoff → elektr.Energie + Wasser + Wärme

Trotz der Umwandlungsverluste - in der Summe beider Wandlungschritte etwa 50% - kann diese Form der Energiespeicherung in vielen Fällen sinnvoll sein: Die Entkopplung von Erzeugung und Nutzung schafft für erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind bessere Möglichkeiten zur Integration in die bestehenden Energieversorgungsstrukturen.

Bei der stationären Nutzung von Wasserstoff kann ein großer Teil der (Ab-) Wärme in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen genutzt werden. Auch bei der Elektrolyse ist eine Nutzung der Abwärme im Prinzip möglich, technisch jedoch noch nicht erprobt.

Wasserstoff besitzt eine hohe massebezogenene Energiedichte:

• 1 kg enthält fast soviel Energie wie 3 kg Benzin (33,33 kWh/kg Wasserstoff).

Jedoch ist Wasserstoff ein leichtes Gas. Daher ist seine volumenbezogenen Energiedichte sehr gering:

• Rund 12 Kubikmeter unverdichteter Wasserstoff enthalten gerade die gleiche Menge nutzbarer Energie wie 1 Liter Benzin.

Durch Kompression oder Verflüssigung von Wasserstoff oder in Form von Metallhydriden  können Energiedichten in der Größenordnung von Benzin erreicht werden:

• 1 Liter flüssiger Wasserstoff entspricht rund 0,27 Liter Benzin

Jedoch sind Speicherbehälter für Wasserstoff weitaus schwer als Tank für Benzin oder Diesel.

Wasserstoff besitzt gegenüber herkömmlichen Formen der Speicherung von elektrischem Strom (z.B. in Batterien oder Pumpspeichern) klare Vorteile:

• Speichervolumina in Größenordnungen von Gramm bis mehrere tausend Tonnen sind möglich;
• verschiedene Möglichkeiten zur Speicherung (Druckwasserstoff, flüssiger Wasserstoff, Bindung in Metallhydriden) können bedarfsgerecht gewählt werden;
• Druck- und Metallhydridspeichern bieten eine verlustfreie Lagerung auch über lange Zeiträume.

Auch bei Verteilung des Wasserstoffs gibt es Optionen: Der Transport per Pipeline und mit LKW findet schon heute täglich statt, in Zukunft können auch Schiffe eingesetzt werden.

Wasserstoff ist multifunktional und dient nicht nur als stationärer Stromspeicher, sondern unter anderem auch als Kraftstoff für Pkw und Busse.

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