Wasserstoff – Kraftstoff der Zukunft

Der Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element. Er ist hoch reaktiv und liegt somit fast ausschließlich in gebundener Form vor. Es gibt mehrere Verfahren, um den Wasserstoff in der reinen Form bereitzustellen.

Produktion und Bereitstellung von Wasserstoff

Einerseits ist die Produktion mittels Elektrolyse aus Wasser möglich, wobei die elektrische Energie hierfür aus fossilen oder erneuerbaren Energieträgern stammen kann. Andererseits ist die Gewinnung von Wasserstoff durch die Reformation aus wasserstoffhaltigen Verbindungen, meist aus Erdgas durch Erdgasreformation, denkbar.

Des Weiteren ist die Wasserstoffproduktion mit Biomasse als Ausgangsrohstoff durchführbar. Beim Vergasen wird aus Biomasse ein wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt. Bei der Vergärung entsteht aus geeigneten Ausgangsstoffen ein methanhaltiges Biogas, das zum Wasserstoff aufbereitet wird. Die folgende Abbildung zeigt die Wege der Wasserstoffbereitstellung im Einzelnen.

Die derzeitige jährliche Produktion beträgt 500 Mrd. m³, wobei 98 bis 99 Prozent davon aus dem fossilen Rohstoff Erdgas durch den Einsatz erschöpflicher Primärenergieträger hergestellt werden. Nur 1 bis 2 Prozent werden mittels Elektrolyse aus dem Rohstoff Wasser und elektrischem Strom aus regenerativen Quellen erzeugt.

Wasserstoff als alternativer Kraftstoff

Der Transport, die Verteilung und Speicherung des Wasserstoffs kann in flüssiger oder gasförmiger Form erfolgen. Der Flüssigwasserstoff, oder auch Liquid Hydrogen (LH₂) genannt, wird bei einer Temperatur von -253 °C gespeichert, wobei trotz der niedrigen Temperatur nur ein Zehntel der Benzindichte möglich ist.

Im gasförmigen Zustand, als Compressed Gaseous Hydrogen (CGH₂), wird Wasserstoff unter hohem Druck von 35 bis 70 MPa gespeichert. Durch die extrem niedrige Temperatur und den sehr hohen Druck erweist sich besonders die Speicherung von Wasserstoff als problematisch, da die Tanks eine komplexe Bauweise und den Einsatz teurer Materialien, wie Platin erfordern. Aufgrund der atomaren Eigenschaften von Wasserstoff ist grundsätzlich mit einem Schwund von etwa 1 Prozent am Tag zu rechnen. Wobei sich das hochentzündliche Gas in Hohlräumen ablagern und so die Gefahr einer Detonation entstehen kann.

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff für die Wirtschaft

Aus ökonomischer Sicht ist Wasserstoff als Kraftstoff einerseits durch die unbegrenzten Vorkommen vorteilhaft. Negativ wirkt sich aus, dass für die Verteilung der Einsatz von bestehenden Infrastrukturen, wie zum Beispiel von Erdgaspipelines, nicht möglich ist. Zusätzlich sind aufwendige Lagerungs- und Betankungsinfrastrukturen nötig, wodurch Investitionen in die gesamte Bereitstellungskette entstehen. Dem privaten Autofahrer steht Wasserstoff als Kraftstoff derzeit nicht zur Verfügung.

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff für die Umwelt

Bei der Verbrennung in einem Motor beziehungsweise der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entstehen praktisch keine direkten Schadstoffe. Das Versuchsfahrzeug von BMW emittiert beispielsweise hauptsächlich Wasser, nur geringe Mengen an NO_x und nur fünf Gramm CO₂ pro Kilometer. Die energieintensive Herstellung, aufwendiger Transport und Verteilung verursachen aber verglichen mit Benzin hohe indirekte Emissionen. Die Abbildung unterhalb zeigt einen Vergleich der durch die verschiedenen Herstellungspfade von Wasserstoff entstehenden CO₂-Emissionen, woraus ersichtlich wird, dass besonders die Herkunft des elektrischen Stromes für die ökologische Bilanz verantwortlich ist.

Wasserstoff für Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen

Der Wasserstoff kann einerseits als Kraftstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, wobei trotz des hohen Heizwertes aber aufgrund des hohen Luftbedarfs nur niedrigere Leistung verglichen mit Benzinkraftstoff erzeugt wird. Der Wirkungsgrad eines wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotors liegt demnach bei etwa 26 Prozent. Andererseits ist die Reaktion mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle möglich, wodurch elektrischer Strom entsteht und so ein Elektromotor angetrieben wird. Dabei werden Wirkungsgrade von über 37 Prozent erreicht.