Nachhaltigkeit

Wasserstoff

Plötzlich reden alle über Wasserstoff! Warum eigentlich? Was macht Wasserstoff bei der Energiewende so wichtig? Und was hat Bender damit zu tun?

Kurz und knapp: Wasserstoff ist ein idealer Speicher für elektrische Energie und kann emissionsfrei wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Doch so ideal Wasserstoff auch als Energieträger und -speicher ist, die Gewinnung und der Umgang mit diesem Stoff ist alles andere als einfach.

Was ist "grüner" Wasserstoff?

Eigentlich ist Wasserstoff ein farbloses Gas. Wenn von "grünem" Wasserstoff gesprochen wird, ist damit Wasserstoff gemeint, der aus grünem Strom, also erneuerbaren Energien, gewonnen wird. Bei der Gewinnung von "grünem" Wasserstoff fallen also keine klimaschädlichen Gase wie Methan oder CO2 an. Deshalb wird "grüner" Wasserstoff in der Zukunft eine immer größere Bedeutung bekommen.

 

Falls Sie nur wenig Zeit haben: FAQ „grüner" Wasserstoff

 

Wenn Sie sich intensiver ins Thema einlesen wollen geht es hier weiter:

Was Wasserstoff so interessant macht

Wasserstoff ist ein chemisches Element. Es steht im Periodensystem der Elemente an erster Stelle. Denn Wasserstoff ist das kleinste und leichteste chemische Element, das es gibt. Doch wussten Sie, dass Wasserstoff auch das mit Abstand am häufigsten vorkommenden chemischen Element im gesamten Universum ist? Etwa 90 % der gesamten Materie im Universum besteht aus Wasserstoff. Auf der Erde dagegen ist ungebundener Wasserstoff sehr selten. Der Masseanteil von des gasförmigen molekularen Wasserstoffs (H2) beträgt nur 0,9 %. Der Anteil von „gebundenem“ Wasserstoff (zum Beispiel in Form von Wasser = H2O) ist dagegen sehr viel höher.

Sehr leicht, aber nicht leicht zu gewinnen

Auch wenn Wasserstoff das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum ist, ist er nicht so leicht zu bekommen wie andere Stoffe auf unserer Welt. Das hat zwei Gründe:

  1. Wasserstoff ist ein Gas, das sehr leicht und flüchtig ist. Würde es in größeren Mengen in der Atmosphäre existieren (tatsächlich enthält die Atmosphäre nur 0,000.055 % Wasserstoff. Zum Vergleich: Sauerstoff 20,9 %, Stickstoff 78,1 %, Argon 0,93 %, Spurengase wie CO2, Methan u.a. < 0,07 %) (siehe Grafik), würde es sich sehr schnell in den Weltraum verflüchtigen.
  2. Wasserstoff auf der Erde fast nur in „gebundener“ Form vor. Das heißt, als Teil chemischer Verbindungen. Wie zum Beispiel in Wasser, Erdöl, Erdgas, Methan, Alkohol, Zucker.

Um Wasserstoff aus den Ausgangsstoffen zu gewinnen, braucht es zum Teil sehr aufwändige Verfahren. Viele davon sind nicht nachhaltig und klimaneutral.

Warum Wasserstoff so wichtig ist

Wasserstoff ist Ausgangsstoff für viele Produkte der chemischen Industrie und wird deshalb an vielen Stellen gebraucht. Auch Dünger für die Landwirtschaft enthalten Wasserstoff. Die Zukunft des Wasserstoffs liegt aber zweifellos im Energiesektor.

Wasserstoff als Energieträger

Umweltfreundlicher geht es nicht! Denn Wasserstoff „verbrennt“ zu Wasser – ohne dass andere umwelt- oder klimaschädliche Nebenprodukte entstehen. Wasserstoff ist damit der ideale Rohstoff zur Energieerzeugung. Außerdem kann Wasserstoff auch als klimafreundlicher Treibstoff für Autos, Züge oder Flugzeuge genutzt werden.

Wasserstoff als Energiespeicher

Gleichzeitig eignet sich Wasserstoff perfekt zur Energiespeicherung. Wird Wasserstoff aus anderen Rohstoffen gewonnen, kann er problemlos gelagert und später zur Energiegewinnung verwendet werden.

Wasserstoff klimafreundlich gewinnen

Da Wasserstoff ein idealer Rohstoff zur Energieerzeugung und -Speicherung ist, wäre es wünschenswert, Wasserstoff genauso umwelt- und klimafreundlich zu gewinnen. Doch das ist leichter gesagt als getan. Viele Verfahren zu Gewinnung von Wasserstoff sind aufwändig und es fallen zum Teil umwelt- oder klimaschädliche Nebenprodukte an. Einzig das PEM-Elektrolyse-Verfahren kommt ohne Nebenprodukte aus.

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser mittels elektrischen Stroms in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Doch was, wenn der Strom zur Elektrolyse aus Kohle, Öl oder Gas gewonnen wird? Dann ist die Wasserstoffgewinnung nicht klimaneutral. Nur wenn die Elektrolyse mittels erneuerbarer Energie in Gang gesetzt wird, gewinnt man grünen Wasserstoff. Daher wird es in Zukunft immer wichtiger, Wasserstoff unter der Verwendung von erneuerbaren Energien zu gewinnen.

Die fünf großen Herausforderungen

  • Wir benötigen immer mehr Wasserstoff. Allein in Deutschland steigt der Bedarf von derzeit 55 TWh auf bis zu 800 TWh im Jahr 2050. Wasserstoff wird vor allem als Rohstoff für die chemische Industrie gebraucht. Die Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger und Energiespeicher wird in den kommenden Jahren stark steigen (siehe Infografik unten).
  • Zur Herstellung von "grünem" Wasserstoff wird eine große Menge an erneuerbarer Energie gebraucht. Ziel ist es, bis 2030 ca. 14 % des benötigten Wasserstoffs in Deutschland aus erneuerbaren Energien zu gewinnen. Dafür reicht die derzeit installierte Leistung erneuerbarer Energie bei Weitem noch nicht aus.
  • Um das Ziel von 14 % grünem Wasserstoff im Jahr 2030 zu erreichen, müssen noch viele Elektrolyse-Anlagen gebaut werden.
  • Die Elektrolyse als Verfahren ist alles andere als ungefährlich. Strom und Wasser als Ausgangsstoffe der Elektrolyse sind kein gutes Paar. Wo Strom und Wasser gemeinsam im Spiel sind, braucht es besondere Vorkehrungen, um die Sicherheit von Menschen und Anlagen zu gewährleisten.
  • Elektrolyse-Anlagen zur Gewinnung von grünem Wasserstoff müssen effizient arbeiten. Grüner Wasserstoff ist momentan immer noch deutlich teurer in der Herstellung als Wasserstoff, der mit anderen Verfahren gewonnen wird.

Elektrolyse mit Bender effizienter und sicher machen

Bender engagiert sich bereits in mehreren Projekten zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Zum Beispiel im Energiepark Mainz. Dort werden aus überschüssigem grünem Strom ca. 200 t Wasserstoff pro Jahr produziert.

Der Energiepark Mainz betreibt 3 PEM-Elektrolyseure mit Spitzenleistungen von je 2 MW. Diese Elektrolyseure werden mit einer Gleichspannung von ca. 300-400 V versorgt. Im Betrieb fließen sehr hohe Ströme. Da wegen der sehr hohen Explosionsgefahr und den hohen auftretenden Strömen besondere Sicherheitsanforderungen an die elektrische Anlage gestellt werden, wurde die Stromversorgung der Elektrolyseure als ungeerdetes Netz (IT-System) ausgeführt. Auf diese Weise lassen sich unerwünschte Leck- oder Fehlerströme leichter erkennen als in geerdeten Netzen. Zur Überwachung des elektrischen Systems kommen Isolationsmessgeräte (ISOMETER®) von Bender zum Einsatz. Diese erkennen frühzeitig Auffälligkeiten im elektrischen System und melden diese weiter. Durch das frühzeitige Erkennen von Fehlerströmen können die Elektrolyseure elektrisch sicher betrieben werden. Auf diese Weise trägt Bender dazu bei, dass die Elektrolyse prozesssicher verlaufen kann. Mit der Isolationsüberwachung nimmt Bender damit direkten Einfluss auf die Effizienz der Gesamtanlage.

Fragen und Antworten (FAQ)

  • das am häufigsten vorhandene chemische Element im Universum
  • das leichteste Atom mit nur einem Proton und einem Elektron
  • ein farbloses Gas
  • hochexplosiv (Knallgas)
  • ein chemischer Grundstoff –> organische Chemie –> Kohlenwasserstoffe
  • kommt auf der Erde meist in "gebundener" Form vor (zum Beispiel im Wasser = H2O)

Ammoniak, Düngemittel, Benzin, Wasser, Zucker, Hefe, Alkohol u. v. a. m.

Im Weltraum gibt es sehr viel Wasserstoff. Auch auf der Erde ist Wasserstoff nicht gerade selten. Doch der irdische Wasserstoff ist meist „gebunden“ (zum Beispiel im Wasser). Das heißt: atomarer oder molekularer Wasserstoff (H2) kommt nur selten in der Natur vor. Er muss darum aus vorhandenen Stoffen/Verbindungen gewonnen oder herausgelöst werden. Dazu gibt es unterschiedliche Verfahren. Eines davon ist die Elektrolyse. Hier wird Wasser durch elektrischen Strom in seine beiden Bestandteile aufgespalten.

Wasserstoff kann auf sehr unterschiedliche Arten und aus unterschiedlichen Ausgangsstoffen gewonnen werden. Viele Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff sind nicht klimaneutral. Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen. Bei diesem Verfahren wird Wasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der für die Elektrolyse benötigte Strom stammt ausschließlich aus regenerativen Energiequellen.

Er ist der mit Abstand „sauberste“ Wasserstoff. Denn weder bei der Herstellung durch Elektrolyse noch bei der Gewinnung des dafür benötigten Stroms wird die Umwelt mit klimaschädlichen Abgasen belastet. Zur Gewinnung von grünem Wasserstoff wird ausschließlich Strom aus regenerativen Energiequellen verwendet.

Zum einen steigt der Bedarf an Wasserstoff in den kommenden Jahren, zum anderen soll der Ausstoß von klimaschädlichen Gasen bei der Gewinnung von H2 verringert oder gar komplett vermieden werden. Ein Ziel der nationalen Wasserstoffstrategie lautet daher, von den zu erwartenden 100 Mio. TWh H2, die im Jahr 2030 in Deutschland gebraucht werden, ca. 14 % aus erneuerbaren Energien herzustellen.

Ganz einfach: Weil die Herstellung noch deutlich teuer ist als mit anderen Verfahren.

Bender hilft, die Herstellung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse sicherer und effizienter zu machen. Die Isolationsüberwachungs-Technik sorgt dafür, dass eventuelle Leck- oder Fehlerströme in der Stromversorgung der Elektrolyseure frühzeitig erkannt werden. So werden gefährliche Anlagenzustände seitens der Stromversorgung verhindert.

Bender engagiert sich bereits in mehreren Projekten zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Zum Beispiel im Energiepark Mainz.