Wasserstoff: Chemischer Winzling mit riesiger Bedeutung für eine erfolgreiche Energiewende

Im Periodensystem der Elemente befindet sich Wasserstoff oben links unter der Ordnungszahl 1 und dem Symbol H (lat: hydrogenium; de: „Wassererzeuger“). Unter alltäglichen Bedingungen ist Wasserstoff ein farb- und geruchloses, zweiatomiges Gas (H₂). Wird Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff (O₂) zur Reaktion gebracht, setzt es viel Energie und etwas Wasser frei, jedoch kein Kohlenstoffdioxid (CO₂).

Die gewichtsbezogene (gravimetrische) Energiedichte von Wasserstoff übertrifft mit 120 kJ/g alle uns bislang bekannten elektrischen Speichermöglichkeiten um mindestens zwei Größenordnungen. Überschüssige Energie aus regenerativen Quellen (z. B. Windkraft und Photovoltaik) ließe sich daher in großem Umfang als Wasserstoff speichern. All diese Eigenschaften machen Wasserstoff für die Energiewende hochinteressant (BMWi 2020)¹.

Auf der Erde sind große Mengen Wasserstoff vorhanden. Die bislang bekannten Vorkommen umfassen jedoch nahezu ausschließlich Wasserstoff in chemisch gebundener Form, zum Beispiel Wasser, Kohlenwasserstoffe und Mineralien. Freier Wasserstoff kann zwar auch durch geologische Vorgänge in nennenswerten Mengen entstehen (IFPEN 2013)², größere Ansammlungen in der Erdkruste konnten aber bislang nicht nachgewiesen werden (Franke 2020)³. Wasserstoff muss daher unter Energieaufwand aus chemischen Verbindungen hergestellt werden.

Brennstoffzellensysteme in der Elektromobilität

Wasserstoff beziehungsweise die Brennstoffzelle in automobilen Anwendungen wird künftig notwendig sein, um die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen weiter zu reduzieren. Neue Technologien sind jedoch kostspielig in der Einführung und gerade zu Beginn in der Regel wenig standardisiert.

Ziel der vorliegenden Studie ist es deshalb, die Eigenschaften der Brennstoffzelle zu untersuchen und mögliche Kosteneinsparungspotentiale zu identifizieren.

Das meistgenutzte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die sog. „Dampfreformierung“. In diesem mehrstufigen Prozess werden Kohlenwasserstoffe (allen voran Erdgas) zusammen mit Wasserdampf bei hohem Druck und hoher Temperatur über Katalysatoren zur Reaktion gebracht. Heraus kommen dabei Wasserstoff (H₂) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) – letzteres sogar in relativ hohen Mengen. Abgesehen von Prozessen, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt, erfolgt derzeit praktisch die gesamte weltweite Wasserstoffgewinnung über Dampfreformierung. Mit Herstellungskosten von 1,50 €/kg ist es zudem das preiswerteste Verfahren zur Wasserstoffgewinnung (IEA)⁴.

Große Hoffnungen werden auf die Darstellung von Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse mittels verschiedener Verfahren (z. B. alkalische Elektrolyse (AEL) oder PEM-Elektrolyse) gesetzt. Wasser (H₂O) wird jeweils in einem Elektrolyseur unter Einsatz von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Noch ist Wasserstoff in der Herstellung aus Elektrolyse mit etwa 4 €/kg teuer. Die Internationale Energieagentur (IEA) geht aber davon aus, dass Skalierungseffekte und sinkende Preise für elektrischen Strom aus erneuerbaren Energiequellen die Kosten bis 2030 um 30 Prozent sinken lassen können (IEA 2019)⁵.

Ob mit fossilen oder auch regenerativen Energieträgern gewonnen, klimafreundlich oder -schädlich: Wasserstoff ist zunächst einmal Wasserstoff. Vor diesem Hintergrund wird Wasserstoff daher mitunter sprachlich „gefärbt“.

Die „Farbe“ bzw. Kategorie, die der Wasserstoff dabei zugewiesen bekommt, gibt einen grundlegenden Aufschluss über die Energiequelle, die zur Gewinnung des Wasserstoffs angezapft wurde und erlaubt so Rückschlüsse auf dessen Umweltverträglichkeit.

Daneben sind weitere Herstellungspfade für Wasserstoff bekannt, die noch keine Farbe zugewiesen bekommen haben. Dazu gehören chemische Prozesse, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt z. B. die Chloralkali-Elektrolyse oder auch die Plasmalyse von Abwässern und Kunststoffabfällen.

Wasserstoff: Grünes Öl der Zukunft

Mit ihren Wasserstoffstrategien wollen Deutschland und die Europäische Union den Wasserstoff zum sauberen Energieträger der Zukunft machen. Nach jahrzehntelanger Forschung hat Wasserstoff das Potenzial, sich als wichtiges Element der Energiewende etablieren. Deutschland will hierbei weltweit technologieführend werden. Bis dahin ist es ein weiter Weg und es gibt noch viel zu tun.

Während Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gehandelt wird, ist er bereits für die Gegenwart ein wichtiger Rohstoff. So betrug die weltweite Produktion von Wasserstoff im Jahr 2019 etwa 117 Millionen Tonnen (Statista 2019)⁶. Die größten Abnehmer für aufgereinigten Wasserstoff sind die metallverarbeitende und die chemische Industrie. Allein für die Synthese von Ammoniak wurden 2018 rund 32 Millionen Tonnen Wasserstoff nachgefragt (Statista 2018)⁷.

Ammoniak ist ein bedeutender Ausgangsstoff für eine breite Palette an pharmazeutischen und kosmetischen Produkten, vor allem aber für die Produktion von Düngemittel in der Landwirtschaft. Über diese Kette ist Wasserstoff sogar ein wichtiger Faktor für die Ernährung der Weltbevölkerung.

Zukünftig soll Wasserstoff darüber hinaus als Energieträger eine wichtige Rolle spielen und helfen, die globalen Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die um ein Vielfaches höhere gravimetrische Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien macht den Einsatz von Wasserstoff vor allem überall attraktiv, wo Gewicht und Nutzlast eine besonders hohe Bedeutung haben, wo gleichzeitig die Reichweiten hoch und die Standzeiten niedrig sein müssen wie zum Beispiel im Flug- und Schwerlastverkehr. Neben der direkten Verbrennung von Wasserstoff spielt hier vor allem die Rückverstromung mittels Brennstoffzellen eine Rolle.

Über die Brennstoffzellentechnologie eröffnen sich dem Wasserstoff aber weit über den Mobilitätssektor hinaus vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Perspektivisch könnten Mikrobrennstoffzellen unter anderem Batterien in elektrischen Geräten, wie Mobiltelefonen und Computern, ersetzen und dabei längere Laufzeiten der Geräte ermöglichen. Im größeren Maßstab könnten Brennstoffzellen als Ersatz für Dieselgeneratoren in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden (NOW)⁸. Bereits Realität sind Brennstoffzellen-basierte Flurförderfahrzeuge (z. B. Gabelstapler), die sich insbesondere für den Inneneinsatz in hygienekritischen Bereichen eignen. In Japan schon weit verbreitet, in Europa aber noch ganz am Anfang: Brennstoffzellen-Heizungen. Über Kraft-Wärme-Kopplung stellen diese Geräte elektrischen Strom zur Verfügung und nutzen die entstehende Abwärme zur Bereitstellung von Nutzwärme, zum Beispiel in Form von Warmwasser. Die Energieausbeute (der kombinierte elektrische und thermische Wirkungsgrad) kann dabei Werte von nahe 100 Prozent erreichen.

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In der elektrotechnischen Normung gewinnt das Thema Wasserstoff zunehmend an Bedeutung, da elektrische Anlagen unter anderem dort betrieben werden, wo Wasserstoff hergestellt, gelagert und verarbeitet wird. Darüber hinaus gewinnt Wasserstoff als Energieträger für elektrische Geräte immer mehr an Bedeutung.

Bei der DKE engagieren sich daher zahlreiche Fachleute in verschiedenen Normungsgremien, die sich mit den Aspekten der sicheren Nutzung von Wasserstoff beschäftigen – national und international. Eine Auswahl der nationalen Normungsgremien, die sich bei VDE DKE unter anderem mit der Sicherheit von Wasserstoff beschäftigen, stellen wir nachfolgend vor.

Wasserstoff spielt als Reaktionspartner und Nebenprodukt schon länger eine wichtige Rolle in der Industrie. Wie Benzin, Diesel und viele andere Energieträger auch, kann Wasserstoff mit Luft bzw. Sauerstoff explosionsfähige Gemische bilden – umgangssprachlich als „Knallgas“ bekannt.

Die DKE hat schon früh damit begonnen, Aspekte zu erarbeiten, wie die Nutzung von Wasserstoff sicher erfolgen kann. Das Ergebnis dieser Arbeit sind technische Normen – Vereinbarungen über technische Mindestanforderungen, um ein bestimmtes Maß an Sicherheit erreichen zu können.

So wurde bereits Anfang 1973 das Normungsgremium DKE/K 235 – Errichten elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen gegründet, das sich seither mit dem Thema des Explosionsschutzes auseinandersetzt. Im Bereich des Explosionsschutzes stechen vor allem nachfolgende Normen heraus:

In jüngster Vergangenheit erfährt Wasserstoff als Energieträger wachsende Aufmerksamkeit. Auch hier hat die DKE schon früh mit der Begleitung der Entwicklung begonnen.

1999 wurde das Normungsgremium DKE/K 384 – Brennstoffzellen gegründet, das sich unter anderem der Frage widmet, wie Brennstoffzellen sicher betrieben werden können. Über dieses Komitee verleiht VDE DKE der deutschen Wirtschaft eine Stimme auf dem internationalen Parkett, wenn es darum geht, global einheitliche Normen zum sicheren Betrieb von Brennstoffzellen zu entwerfen.

Eine Auswahl des Normen- und Projektportfolios zeigt deutlich, wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen und damit von Wasserstoff sind.

Regenerative Energiequellen, beispielsweise Sonnenlicht und Wind, stellen ein kostenloses, jedoch fluktuierendes Energieangebot dar.

Das Normungsgremium DKE/K 901 – System Komitee Smart Energy widmet sich unter anderem der Fragestellung, wie die Ressource Elektrizität dynamisch-intelligent verteilt werden kann. Intelligente Energiesysteme ermöglichen neue Markt- und Netzfunktionen und umfassen die Verknüpfung aller Energieträger in allen Sektoren. Dazu gehört auch die Erzeugung von Wasserstoff (Power-to-Gas).

Das Gremium koordiniert darüber hinaus die gemeinsame Zusammenarbeit normungsrelevanter Kreise mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).

Redaktioneller Hinweis:

Die im Text aufgeführten Normen und Standards können Sie beim VDE VERLAG erwerben.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im