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H2-Wissen-Neu

Ein Element für alle Fälle

Technische und physikalische Grundlagen von Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, auf ihn entfallen rund 70 Prozent der gesamten Materie. Auch auf der Erde begegnet uns Wasserstoff nahezu überall. Jedoch in der Regel nicht pur, sondern in Verbindung mit anderen Elementen – etwa mit Sauerstoff als Wasser. Mit Kohlenstoff bildet er Kohlenwasserstoffe, Grundbestandteil von fossilen und erneuerbaren Brennstoffen und zahlreichen Chemikalien. Wasserstoff ist zentrales Element der organischen Chemie. Ohne Wasserstoff kein Leben!

Seine Eigenschaften

Im Periodensystem trägt Wasserstoff das Elementsymbol H. Mit seiner Ordnungszahl 1 steht er dort an erster Stelle. Die Ordnungszahl beziffert die Protonen in einem Atomkern. Wasserstoff hat das geringste Gewicht unter allen Elementen. Verglichen mit Luft ist er 14,4 mal leichter. Auf der Erde liegt Wasserstoff als Element in der Regel nicht in atomarer, sondern in molekularer Form vor. Dabei bilden je zwei H-Atome ein H2-Molekül. Wasserstoff ist farb-, geruchs- und geschmacklos, zudem weder giftig noch radioaktiv noch korrosiv. Dafür aber voller Energie: Bezogen auf die Masse hat kein anderer Brenn- oder Treibstoff eine solch hohe Energiedichte! Bei den auf der Erde natürlicherweise vorherrschenden Temperaturen ist Wasserstoff gasförmig. Will man ihn verflüssigen, muss er unter geringem Druck auf -253 Grad heruntergekühlt werden – ein sehr energieintensiver Vorgang. Fest wird er erst bei -259 Grad.

Facts: Wasserstoff...

  • ist das leichteste aller chemischen Elemente
  • ist ungiftig
  • ist geruchs-, geschmacks- und farblos
  • ist leicht entzündlich und explosiv
  • ist energiereich: Der Energiegehalt von einem Kilogramm Wasserstoff entspricht etwa dem von drei Kilogramm Benzin
  • nimmt in gasförmigem Zustand im Vergleich zu flüssigen Brennstoffen wie Benzin und Diesel viel Raum ein
  • wird daher für Speicherung oder Transport unter hohen Druck gesetzt oder verflüssigt, um den Platzbedarf zu verringern. 
  • ist mit einen Masseanteil von rund 70 Prozent das am häufigsten vorkommende Element im Universum
  • ist 14,4-mal leichter als Luft
  • geht bei -253 Grad vom gasförmigen in flüssigen Zustand über
  • ist als Energieträger und Rohstoff flexibel einsetzbar – in der Mobilität und Industrie sowie im Wärme- und Stromsektor
  • eignet sich daher als Bindeglied zur Kopplung dieser Sektoren

Wasserstoff ist unverzichtbar für die Herstellung vielfältiger industrieller Schlüsselprodukte: für Ammoniak und Methanol zum Beispiel, für Salzsäure, Kunststoffe oder Amine. In der Metallindustrie benötigt man ihn unter anderem als Reduktionsmittel für die Stahlherstellung. Auch als Energieträger lässt sich Wasserstoff nutzen, vor allem als Treibstoff für die Mobilität oder als Brennstoff für Kraftwerke. Sein besonderer Charme liegt darin, dass er als eine Art Speicher für erneuerbare Energien dienen kann: Hergestellt per Elektrolyse mit Wind- oder Solarstrom, gibt er die grüne Energie ganz nach Bedarf wieder ab – etwa in einem Kraftwerk, das mit dem Wasserstoff Strom erzeugt. So schafft er Flexibilitäten, die ein auf Windenergie und Photovoltaik basierendes Energiesystem zwingend benötigt. Darüber hinaus können Wasserstoff und seine Folgeprodukte fossile Energieträger im Verkehr ersetzen, wo batterieelektrische Antriebe angesichts der großen zu bewegenden Massen und der langen Strecken meist keine Alternative sind.

Herstellungsverfahren und Farbenlehre

Um Wasserstoff nutzbar zu machen, muss er mithilfe chemischer, elektrischer, thermischer oder solarer Energie aus Verbindungen wie Wasser oder Methan abgespalten werden. Je nach Herstellungsverfahren – und der damit zusammenhängenden Klimabilanz – wird dem Wasserstoff eine Farbe zugeordnet. Die Farbenlehre befindet sich jedoch derzeit in der Fortschreibung, somit sind einige Farben noch nicht einheitlich definiert.

  • Grauer Wasserstoff: wird aus Erdgas gewonnen. Das geschieht per Dampfreformierung. Bei diesem Prozess reagiert das im Erdgas enthaltene Methan mit heißem Wasserdampf. Dabei entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid. Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Der heute in Chemieunternehmen und Raffinerien eingesetzte Wasserstoff wird fast ausschließlich auf diese Weise produziert.
  • Grüner Wasserstoff: wird mithilfe erneuerbarer Energien erzeugt, üblicherweise über eine Wasserelektrolyse. Dabei wird Wasser unter Strom aus regenerativen Quellen gesetzt, sodass sich Wasser- und Sauerstoff voneinander trennen. Grüner Wasserstoff gilt als klimaneutral.
  • Blauer Wasserstoff: wird wie grauer Wasserstoff durch eine Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt. Allerdings wird das entstehende Kohlendioxid nicht in die Atmosphäre entlassen, sondern abgeschieden und dauerhaft gespeichert. Alternativ kann man das CO2 stofflich nutzen, etwa für Polyurethan-Schäume.
  • Türkiser Wasserstoff: wird aus Erdgas gewonnen – aber nicht per Dampfreformierung, sondern mit einer Methanpyrolyse, bei der sich neben Wasserstoff auch fester Kohlenstoff bildet. Der Kohlenstoff kann dann zum Beispiel in der Bau- oder Chemieindustrie eingesetzt werden.
  • Roter Wasserstoff: wird mit Kernenergie produziert, die Strom für eine Elektrolyse liefert.
  • Schwarzer Wasserstoff: wird aus Steinkohle erzeugt. Das geschieht durch die Kohlevergasung – ein Verfahren, das bereits im 19. Jahrhundert angewandt wurde, um so genanntes Stadtgas für die Straßenbeleuchtung zu gewinnen
  • Brauner Wasserstoff: wird aus Braunkohle hergestellt, ebenfalls per Kohlevergasung.
  • Oranger Wasserstoff: wird per Dampfreformierung aus Biogas, mit biochemischen Verfahren aus Biomasse oder aber durch eine Elektrolyse mit Strom aus einem Müllheizkraftwerk erzeugt. Bei letzterem zählt nur derjenige Anteil des produzierten Wasserstoffs als orange, der dem Anteil des eingesetzten Biomülls entspricht.
  • Gelber Wasserstoff: meint, dass für die Wasserstofferzeugung sowohl erneuerbare als auch fossile Energien genutzt werden.

Die Farbenlehre zeigt: Viele der aufgeführten Verfahren sind nicht klimagerecht. Daher ist für Energiewende und Klimaschutz entscheidend, wie der in den einzelnen Sektoren eingesetzte Wasserstoff produziert worden ist.  

Die Zielvorgaben sind klar definiert: Laut Klimaschutzgesetz soll Deutschland bis zum Jahr 2045 klimaneutral werden. Das verlangt, die fossilen Energien vollständig durch erneuerbare zu ersetzen. Wasserstoff übernimmt dabei eine tragende Rolle. 

Quellenangaben:

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