15.04.2021 | Erneuerbare Energien speichern

Das kleine 1x1 des Wasserstoffs

Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist einer der strategischen Pfeiler von Axpo. Um Strom aus erneuerbaren Quellen wie Photovoltaik permanent zur Verfügung zu stellen, sind aber auch Technologien wie Batteriespeicher und Wasserstoff von Bedeutung. Wasserstoff? Hier gibt es ein paar Erklärungen zum Thema.

Grüner Wasserstoff, welcher mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird, gilt als Schlüsseltechnologie für die Energiewende und die Dekarbonisierung im Hinblick auf das Ziel der Klimaneutralität der Schweiz. Axpo will in diesem Thema Know-how aufbauen und zukunftsweisende Projekte realisieren. 

Wasserstoff ist aber nicht per se grün, denn als Energieträger ist er – wie auch elektrische Energie - keine Primärenergie, sondern muss wie Strom aus Primärenergie hergestellt werden. Noch 2020 wurden 96% des verwendeten Wasserstoffs auf Basis von fossilen Energieträgern produziert (siehe auch Box unten).

Leichter als Luft

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

Es ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, kommt der atomare Wasserstoff H allerdings nicht vor, sondern der molekulare Wasserstoff: H2, ein unsichtbares, farb- und geruchloses Gas (Mehr dazu hier). Es ist 14x leichter als Luft und lässt sich speichern und transportieren. Wasserstoff enthält pro Masse sehr viel Energie (Brennwert), etwa 3x mehr als Benzin oder 7x mehr als Holzpellets.

Wasserstoff wird gewonnen, indem man Wasser (H2O) in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H2) aufspaltet. Allerdings braucht es viel Energie, um das Molekül H2 abzuspalten. Dazu setzt man Verfahren wie Dampfreformierung, Kohle- und Biomassevergasung ein. Geschieht dies mit Hilfe elektrischen Stroms, spricht man von Elektrolyse.

Nach der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann man den Wasserstoff (H2) speichern oder mit CO2 in Methan (CH4) umwandeln. Das so gewonnene Methan gleicht dem Erdgas und lässt sich in die bestehenden Erdgasnetze einspeisen.

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.

Einsatzmöglichkeiten

Grundsätzlich eignet sich Wasserstoff direkt als Energieträger und Ausgangsstoff für treibhausgasneutrale Anwendungen, als Verbindung der Sektoren Wärme, Mobilität, Strom und Industrie („Sektorenkopplung“) sowie als Medium für Speicherung und Transport.

Besonders für den noch stark von fossilen Brennstoffen abhängigen Bereich der Mobilität (Nutzfahrzeuge, ÖV, Schiffs- und Flugverkehr) wird Wasserstoff mittel- und langfristig als Alternativkraftstoff und sinnvolle Ergänzung zur E-Mobilität gesehen. Auch bei PKW’s gibt es erste «Gehversuche» mit Wasserstoffantrieb, etwa bei Hyundai oder Toyota.

Zudem kann grüner Wasserstoff einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung energieintensiver Branchen, wie etwa der Stahlindustrie, sowie zum Erreichen der Klimaschutzziele im Wärmesektor leisten.

Wasserstoff-Kategorien 

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100% aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO2-frei ist.

Grauer Wasserstoff
wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO2 umgewandelt (Dampfreformierung). Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO2.

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, dessen CO2 bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird (engl. Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell als CO2-neutral betrachtet werden.

Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Gelber oder pinker Wasserstoff wird mit Strom aus Kernkraft hergestellt.

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