Wasserstoff: Leichter als Luft

So funktioniert's

Wasserstoff (H) ist das häufigste im Universum vorkommende Element – er ist Bestandteil des Wassers (H2O) und praktisch aller organischen Verbindungen.

Des Weiteren ist Wasserstoff das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Der atomare Wasserstoff H kommt in unserem Alltag allerdings nicht vor, hingegen der molekulare Wasserstoff schon: H2, ein unsichtbares, farb- und geruchloses Gas (mehr zum chemischen Element auf Wikipedia). Es ist 14x leichter als Luft und hat eine sehr tiefe volumetrische Energiedichte (Energie pro m3). Wasserstoff enthält pro Masse sehr viel Energie (Brennwert), etwa 3x mehr als Benzin oder 7x mehr als Holzpellets.

Wasserstoff kann über zwei Wege gewonnen werden. Die heute weitverbreitetste Methode ist die Dampfreformierung von Erdgas. Dabei wird Erdgas aufgespalten und reagiert mit der Umgebungsluft; es entsteht dabei sogenannter grauer Wasserstoff und es wird CO2 emittiert. Wird das anfallende CO2 eingefangen und permanent gelagert, nennt man den Wasserstoff blau und er ist entsprechend CO2 arm. Heute erfolgt dies sehr selten. Die zweite Methode brauch Wasser und nicht Erdgas als Ausgangsstoff. Das Wasser wird mittels Elektrolyse in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Ist der dazu verwendete Strom erneuerbar nennt sich der so gewonnene Wasserstoff grün.

Da sowohl Transport wie auch Lagerung von Wasserstoff umständlich sind, kann dieser zu einfacher handzuhabenden Produkten weiterverarbeitet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, der Umgebungsluft Stickstoff zu entnehmen und den Wasserstoff mit diesem zu Ammoniak zu verarbeiten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, der Umgebung CO2 zu entnehmen und den Wasserstoff damit entweder zu Methan oder Methanol zu verwandeln. Diese Derivate können als Energieträger oder als chemische Ausgangsstoffe verwendet werden. 

Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Wasserstoff wieder in Strom umzuwandeln, was im nächsten Abschnitt erklärt ist. Es ist jedoch hervorzuheben, dass jeder Umwandlungsschritt mit Effizienzverlusten verbunden ist.

Umwandlung in Elektrizität

Die erneute Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität kann entweder thermomechanisch erfolgen oder in einer Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Apparat zur direkten Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität.

Ähnlich wie Batterien produzieren Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Eine Batterie verbraucht dabei einen chemischen Stoff, der in dem Zellenblock selbst enthalten ist. Bei den Brennstoffzellen dagegen wird der Brennstoff dem Zellenblock kontinuierlich zugeführt, ähnlich wie Benzin- oder Dieselkraftstoff bei einem Verbrennungsmotor.

Unser Wasserstoff

Grüner Wasserstoff, welcher mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird, gilt als Pfeiler der Energiewende, im Ausland wie auch in der Schweiz. Axpo hat entschieden, sich in dieser Aktivität zu engagieren und entwickelt folgende Projekte: 

Kraftwerk Eglisau-Glattfelden (bis 5 MW)

Aus der Wasserkraft des Rheins plant Axpo künftig grünen Wasserstoff herzustellen. Die Produktionsanlage beim Wasserkraftwerk Eglisau-Glattfelden wird eine der ersten von mehreren Anlagen sein, die Axpo in den kommenden Jahren schweizweit in Betrieb nehmen wird.
Die 2.5-Megawatt-Wasserstoffproduktionsanlage soll jährlich rund 350 Tonnen grünen Wasserstoff produzieren. Damit werden über 1.5 Mio. Liter Diesel für den Strassenverkehr eingespart.
Steigt die Nachfrage nach grünem Wasserstoff wie erwartet, kann die Anlage auf 5 Megawatt erweitert werden.
Für den Vertrieb des im Kraftwerk Eglisau-Glattfelden produzierten Wasserstoffs wird soll für die Mobilität eingesetzt werden.  

Kraftwerk Wildegg-Brugg (bis 15 MW)

Am Industriestandort Wildischachen in Brugg (AG) soll eine weitere klimafreundliche Wasserstoffproduktionsanlage entstehen, die gleichzeitig die grösste Wasserstoffanlage der Schweiz wird. Axpo, Voegtlin-Meyer, die IBB Energie AG (IBB) und die Stadt Brugg haben entsprechende Absichtserklärungen unterzeichnet. Axpo plant, sauberen Wasserstoff aus einheimischer Wasserkraft direkt via Pipeline zur nahegelegenen Tankstelle von Voegtlin-Meyer zu liefern. Von dort aus wird der grüne Wasserstoff privaten Nutzern zur Verfügung gestellt und für die im Auftrag der PostAuto AG be-triebenen Busse eingesetzt werden. Mit der produzierten Menge können jährlich rund 300 Lastwagen, Postautos oder Busse betrieben werden.

25-Prozent-Beteiligung an Swiss Green Gas International 

Axpo ist zu einem Viertel an Swiss Green Gas International, kurz SGGI, beteiligt. Das 2020 gegründete Gemeinschaftsunternehmen plant und realisiert Power-to-X-Anlagen in Nordeuropa (mehr zur Power-To-X auf Wikipedia). Die Anlagen erzeugen aus erneuerbarem Strom Wasserstoff und synthetisches Methan (grünes Gas). Damit soll der dringend beschleunigte Ausstieg aus den fossilen Energieträgern gefördert werden. Weitere Aktionäre von SGGI sind Holdigaz, die vorwiegend die Kantone Waadt, Wallis und Freiburg mit Gas versorgt, und Nordur Group, eine Entwicklungs- und Investitionsgesellschaft.

Pilotprojekt in Italien zusammen mit ABB 

Zusammen mit ABB plant Axpo die Entwicklung eines Pilotprojekts in Italien. In dessen Rahmen sollen Technologien entlang der gesamten Lieferkette von grünem Wasser-stoff erforscht und die Machbarkeit in der Produktion getestet werden. Die Absichtserklärung umfasst auch die Beteiligung an Forschungs- und Entwicklungsprojekten, die von der Europäischen Union finanziert werden, sowie die Unterstützung bei Finanzierungen.

Welche Lösungen Axpo ihren Kunden anbietet, sind im Kunden-Bereich zu sehen.

Wasserstoff von A-Z

Wie Strom ist auch Wasserstoff nicht per se grün. Je nach Herstellungsart wird der Wasserstoff anders benannt. Eine kleine Farbenlehre:

Die wichtigsten Antworten zu Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dafür wird 

Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Wind- und Solarenergie ein-gesetzt. Grüner Wasserstoff ist deshalb CO2-frei.

Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung meist aus Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund 10 Tonnen CO2 pro Tonne Wasserstoff (siehe Factsheet, PDF). Das CO2 wird ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Dampfreformierung ist der in Europa meist verbreitete Prozess.

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Entstehung das CO2 teilweise abgeschieden und im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage). 

Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Das Verfahren der Methanpyrolyse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.

Gelber Wasserstoff ist Wasserstoff, der sich aus dem Strommix im bestehenden Netz zusammenstellt. In der Schweiz ist dies Strom hauptsächlich aus Wasser- und Kernkraft.

Pinker Wasserstoff wird mit Strom aus Kernkraft hergestellt. Kernkraft ist im Betrieb nahezu CO2 frei, aber ihre Energiequelle nicht erneuerbar.

Einsatzmöglichkeiten

Wasserstoff ist eine wichtige Stütze der Energiewende. Erstens erlaubt er es, Bereiche wie den Transport (z.B. Gütertransport und Flugverkehr), gewisse Industrien (z.B. Stahl- und Düngemittelproduktion) und die Wärmeproduktion zu dekarbonisieren. Zweitens kann er als Energieträger dazu dienen, Strom aus erneuerbaren Energien zu lagern und in Form von Derivaten über lange Strecken transportiert zu werden. Dies erlaubt die Produktion erneuerbarer Energie an den günstigsten Standorten und die Entkopplung vom Verbrauch. Wasserstoff ist deshalb zentraler Bestandteil der Strategien vieler Länder und der EU.

Nicht überall gleich sinnvoll

Wasserstoff soll dort zum Einsatz kommen, wo eine Elektrifizierung als Ersatz fossiler Energieträger nicht wirtschaftlich oder prozesstechnisch nicht möglich ist.

Diese Grafik stellt eine Vereinfachung dar. Wie «sinnvoll» eine Anwendung ist, hängt auch von den lokalen Gegebenheiten ab.

Ein paar Beispiele

Eine energetisch sinnvolle Herstellung aus Wasserstoff ist Ammoniak. Die Verbindung von Wasser- und Stickstoff wird vor allem als Düngemittel eingesetzt, aber auch in der Chemieindustrie beispielsweise zur Kunststoffproduktion.

Auch zur Erzeugung von Industriewärme eignet sich Wasserstoff – also die zum Be-trieb von Maschinen oder für chemische Prozesse nötige hohe Hitze, die laut Internationaler Energieagentur IEA zwei Drittel des industriellen Energiebedarfs ausmacht und bisher praktisch komplett aus fossilen Brennstoffen stammt.

Ein weiteres Beispiel ist die Stahlproduktion, wo grosse Mengen an CO2 anfallen: Um Stahl aus Erz zu lösen, soll Wasserstoff statt der heute genutzten Kokskohle eingesetzt werden. 

Auch dort, wo lange Distanzen zurückgelegt werden müssen, gilt Wasserstoff als Option. Der Flugzeugkonzern Airbus etwa plant, ab 2035 Wasserstoff-Flugzeuge in Serie zu produzieren. Weiter kann Wasserstoff das Schweröl in Schiffen oder den Diesel in Lastwagen ersetzen. Bei PKWs dürfte sich der Einsatz von Wasserstoff eher nicht rechnen.  

Und: Mit Wasserstoff und seiner Speicherfähigkeit in Form seiner Derivate lassen sich Angebot und Nachfrage beim Strom ausgleichen, die mit dem Ausbau der erneuerba-ren Energien vermehrt in Einklang gebracht werden müssen – ein Beitrag zur Versorgungssicherheit mit Strom.

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