Was bedeutet eigentlich… „Wasserstoff“ für ENaQ?

Mit dem Format „Was bedeutet eigentlich…?“ wollen wir Ihnen Fachthemen und Begrifflichkeiten rund um das ENaQ-Projekt leicht und verständlich erklären. Heute informieren Siegfried Suchanek (Anleg GmbH) & Hilmer Heineke (New Power Pack GmbH) über den Begriff „Wasserstoff“ und was dieser für ENaQ bedeuten kann.

Einer der Energieträger der Zukunft heißt Wasserstoff!

Die heutigen Diskussionen um die enormen Belastungen der Umwelt durch fossile Energiequellen aber auch eine vermehrte Ressourcenknappheit verlangen nach einem grundsätzlichen Umdenken, sprich einem Sinneswandel im Umgang mit dem Thema Energie. Heutzutage wird elektrischer Strom immer noch zum größten Teil aus fossilen Brennstoffen, wie bspw. Kohle oder Gas oder mittels Atomkraft bereitgestellt. Auch wenn die regenerative Energieerzeugung durch Wasser- oder Windkraft sowie über Photovoltaikanlagen im Kommen ist, stehen all diese alternativen Energiequellen vor einer großen Herausforderung: Wie kann regenerative Energie langfristig und umweltfreundlich gespeichert werden? Einen Beitrag zur Lösung des Problems kann Wasserstoff liefern!

Aber was genau ist denn nun so besonders am Wasserstoff?

Das Gas Wasserstoff steht an erster Stelle im Periodensystem, ist das „reinste“ aller Gase und das leichteste Element auf der Erde. Es ist in allen Lebensformen enthalten und ist in vielen organischen sowie anorganischen Verbindungen wie z.B. in Wasser chemisch gebunden. Man kann Wasserstoff als das häufigste Element des Universums bezeichnen.
Was Wasserstoff so interessant macht, sind sowohl seine chemischen, als auch seine physikalischen Eigenschaften. Chemisch gesehen ist Wasserstoff ein sehr reaktionsfreudiges Element und geht gerne Verbindungen mit anderen Elementen ein. Physikalisch betrachtet ist es extrem leicht, bei gleichzeitig hohem Energiegehalt. Wasserstoff weist im Gewichtsvergleich zu Benzin oder Diesel etwa den dreifachen Energiegehalt auf. Damit ist es ideal für mobile Systeme, wie bspw. Kraftfahrzeuge.
In gebundener Form steht Wasserstoff überall auf der Erde im Überfluss zur Verfügung. Somit ist Wasserstoff ideal geeignet, um bspw. die wirtschaftliche Unabhängigkeit eines Landes von importierten Rohstoffen und Energieträgern zu sichern.

Ein bisschen Technik

Für die Nutzung von Wasserstoff (auch H2 genannt) als Energiequelle werden Brennstoffzellen benötigt. Mit Hilfe der Brennstoffzellentechnik wird der Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht aus vielen Einzelzellen, die wie bei einer Batterie in Reihe geschaltet sind. In jeder Zelle reagieren an einer Membran der Sauerstoff (aus der Umluft) auf der einen Seite und der Wasserstoff auf der anderen Seite der Membran miteinander. Aus H2 und O2 entsteht H2O, also Wasser. Hierbei wird Energie freigesetzt, es entsteht elektrischer Strom. Der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von zugeführter Energie zur im jeweiligen Anwendungsfall genutzten Energie, einer Wasserstoffbrennstoffzelle beträgt ca. 50%, Brennstoffzellenheizkraftwerke können sogar einen Wirkungsgrad von ca. 90% realisieren. Zur Gewinnung des zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigten Wasserstoffes wird eine elektrochemische Wasserzersetzung (in Wasserstoff und Sauerstoff) durch Elektrolyse durchgeführt, hierbei beträgt der Wirkungsgrad ca. 85%.

Ist die Nutzung von Wasserstoff überhaupt sicher und alltagstauglich?

Sicherlich ist der Umgang mit einem Gas ein anderer als der mit einer Flüssigkeit und häufig wird die Frage gestellt, ob Wasserstoff nicht gefährlich sei. Das Risiko ist nicht größer als das anderer Kraftstoffe wie bspw. Benzin, Diesel oder Erdgas. Da Wasserstoff leicht und sehr flüchtig ist, muss er in geeigneten, von zugelassenen Überwachungsstellen (ZÜS) geprüften Behältern unter hohem Druck sicher aufbewahrt werden. Er kann in diesen langfristig gespeichert und transportiert werden. Die Gefahr im Falle einer Leckage ist eher gering, da Wasserstoff sich sofort verflüchtigt und keine Schäden an der Umwelt anrichtet.
Mittlerweile werden weltweit viele Anwendungen mit Wasserstoff in Umlauf gebracht, die dem heutigen sicherheitstechnischen Stand entsprechen und alle relevanten Normen erfüllen. Die Massenapplikationen sind im Verkehrsbereich und in der Energieerzeugung (elektrisch und Wärme) zu suchen.
Ein greifbares Anwendungsbeispiel ist auch das E-Auto. Elektrofahrzeuge können heute nämlich auch schon mit Energie, welche aus Wasserstoff generiert wurde, betrieben werden. Solche mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuge zählen ebenfalls zu den Elektrofahrzeugen, da sie mit Hilfe des elektrischen Stroms fahren, der bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht. Wasserstoff birgt hier viele Vorteile, wie o.g. besitzt Wasserstoff die etwa dreifache Energiedichte wie Benzin oder Diesel und kann ganz einfach nachgetankt werden. Ein Tankvorgang dauert bei einem Wasserstoff-E-Auto durchschnittlich nur 3-4 Minuten. Die Tankladung ergibt bei derzeitigen PKW-Modellen eine Reichweite von 600-800 km, je nach Fahrweise. Die Anwendungspalette reicht heutzutage neben dem E-Auto von Müllfahrzeugen mit Brennstoffzelle über Gabelstapler bis hin zu Fahrrädern. Sie sind so vielfältig, dass wir das gesamte mögliche Potential noch nicht voll überblicken können. Wie auch bei der Wind- und Sonnenenergie, ist aller Anfang schwer und kostspielig. Durch die weitere Verbreitung von Wasserstoffsystemen wird sich dies jedoch bald ändern. Kontinuierlich verbesserte Systeme werden rasch gesellschaftliche Akzeptanz finden und in ein paar Jahren wird eine merkliche Kostenreduktion möglich sein.

Im Nachbarschaftsquartier wird die Wasserstoff-Zukunft vorgelebt

Der Umgang mit und das Potential von Wasserstoff werden im Energetischen Nachbarschaftsquartier (ENaQ) auf dem Fliegerhorst in Oldenburg im Rahmen des Forschungsvorhabens verantwortungsvoll getestet und der praktische Nutzen wird für jede und jeden vorgestellt und greifbar gemacht. ENaQ leistet somit einen wichtigen Umweltbeitrag und erhebt weitere, wichtige Erkenntnisse, den einfachen, alltagstauglichen Umgang mit dieser neuen Technologie zu üben und kennenzulernen.
In ENaQ soll künftig die Rückverstromung von Wasserstoff mit Hilfe einer Brennstoffzelle und die anschließende elektrische Einspeisung ins Netz oder ggf. auch eine direkte Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz getestet werden. Außerdem ist die Verwendung von Wasserstoff für mobile Anwendungen wie z.B. Brennstoffzellen-PKW, -Fahrräder, -Gewerbetransporter etc. angedacht.

Die folgende Grafik zeigt wie eine Wasserstoffanlage für ENaQ, bestehend aus Elektrolyseur, Brennstoffzelle, mobilem Energiespeicher sowie stationärem Wasserstoffspeicher, später einmal aussehen könnte:

Skizze einer Wasserstoffanlage für ENaQ : Entwurfsstand Juli 2018, Bildquelle: NPP GmbH