Wasserstoff: Ein Energieträger, keine Energiequelle
Fast jeder Streit über Wasserstoff löst sich auf, sobald eine Unterscheidung getroffen ist: Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern eine Art, Energie zu transportieren. Niemand fördert Wasserstoff. Die Energie in einem Kilogramm Wasserstoff hat etwas anderes hineingesteckt - ein Reformer oder ein Elektrolyseur - und ein Teil davon ging dabei verloren.
Woher Wasserstoff kommt
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und auf der Erde als freies Gas nahezu abwesend, weil er leicht genug ist, der Atmosphäre zu entkommen, und reaktiv genug, um in Wasser und Kohlenwasserstoffen gebunden zu enden. Jedes industriell genutzte Kilogramm wurde aus einer dieser Verbindungen herausgeholt.
Die Dampfreformierung tut das mit Erdgas und Wasserdampf bei rund 800 Grad und erzeugt Wasserstoff und Kohlendioxid. Sie ist ausgereift, günstig und für den größten Teil der Weltproduktion verantwortlich - und sie setzt je Tonne Wasserstoff etwa neun bis zwölf Tonnen Kohlendioxid frei. Diesem Verfahren eine Abscheidung hinzuzufügen, ist das, was der Begriff blauer Wasserstoff beschreibt; wie viel tatsächlich abgeschieden wird, schwankt je Anlage und ist der Kern der meisten Auseinandersetzungen über diese Farbe.
Die Elektrolyse spaltet stattdessen Wasser mit Strom. Sie ist seit dem frühen 19. Jahrhundert verstanden und technisch ausgereift, aber teurer als die Reformierung, wo immer Gas billig ist. Kommt der Strom aus Erneuerbaren, heißt das Produkt grüner Wasserstoff, und was das Etikett in Wahrheit abbildet, ist die Kohlenstoffintensität des Stroms - Elektrolyse an einem Kohlenetz erzeugt schmutzigeren Wasserstoff als die Reformierung.
Eine kleinere Kategorie, weißer oder natürlicher Wasserstoff, meint geologische Vorkommen, die entstehen, wenn Wasser mit eisenreichem Gestein reagiert. Die Exploration hat seit 2023 zugenommen. Ob es ihn in wirtschaftlich förderbaren Mengen gibt, ist eine offene Frage und keine gesicherte Ressource.
Die Wirkungsgradkette
Jeder Schritt eines Wasserstoffpfads nimmt sich seinen Anteil, und die Anteile multiplizieren sich. Beginnen wir mit 100 Einheiten Strom. Ein moderner Elektrolyseur macht daraus vielleicht 70 Einheiten Wasserstoff. Die Verdichtung auf 700 bar für Transport oder Speicherung kostet noch einmal rund 10 Prozent des Energieinhalts. Die Rückverstromung in einer Brennstoffzelle mit 50 bis 60 Prozent Wirkungsgrad lässt zwischen 30 und 40 der ursprünglichen 100 Einheiten übrig.
Entscheidend ist der Vergleich mit der Alternative. Eine Lithium-Ionen-Batterie gibt von denselben 100 Einheiten etwa 90 zurück, ein direktes Kabel rund 95. Deshalb unterliegt Wasserstoff bei Personenwagen und Gebäudeheizung deutlich, wo eine Batterie oder eine Wärmepumpe dieselbe Aufgabe zwei- bis dreimal so effizient erledigt.
Wirkungsgrad ist aber nicht die einzige Währung. Wasserstoff speichert chemisch, kann also monatelang ohne Selbstentladung stehen, und er lässt sich in Mengen und über Entfernungen bewegen, an die Batterien nicht heranreichen. Für saisonale Energiespeicherung und für Anwendungen, in denen das Wasserstoffatom selbst gebraucht wird und nicht die Energie, ist der Kreislaufverlust nebensächlich.
Wofür Wasserstoff tatsächlich gebraucht wird
Die größte bestehende Verwendung ist Ammoniak für Dünger, das etwa die Hälfte der Weltproduktion aufnimmt. Ammoniak lässt sich ohne Wasserstoff nicht herstellen; das Haber-Bosch-Verfahren verlangt das Atom selbst. Dünger zu dekarbonisieren heißt deshalb, Wasserstoff zu dekarbonisieren - eine Elektrifizierungsalternative gibt es nicht.
Stahl ist der meistgenannte und folgenreichste Fall. Die herkömmliche Stahlerzeugung entzieht dem Eisenerz mit Koks den Sauerstoff und setzt Kohlendioxid als unvermeidliches Produkt der Chemie frei. Wasserstoff kann dieselbe Reduktion leisten und erzeugt stattdessen Wasser. Direktreduktionsanlagen auf Wasserstoffbasis laufen im Demonstrationsmaßstab in Schweden und sind in Deutschland im Bau. Auf Stahl entfallen rund sieben Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen, der Einsatz ist also groß.
Schifffahrt und Luftfahrt sind die Verkehrsfälle, in denen Batterien mit der Energiedichte über große Entfernungen ringen, und Ammoniak oder wasserstoffbasierte Kraftstoffe gehören zu den wenigen Kandidaten. Raffinerien, die bereits große Mengen Wasserstoff zur Entschwefelung verbrauchen, sind ein bestehender Markt und kein neuer.
Diesen Fällen ist gemeinsam, dass kein Kabel sie erreicht und keine Batterie dicht genug ist. Das ist der ehrliche Prüfstein für jede vorgeschlagene Wasserstoffanwendung - und ein guter Teil der Begeisterung der frühen 2020er Jahre bestand ihn nicht.
Transport und Speicherung
Wasserstoff trägt je Kilogramm etwa die dreifache Energie von Benzin und je Liter, auf 700 bar verdichtet, etwa ein Viertel. Diese Kombination - hervorragend nach Masse, schlecht nach Volumen - bestimmt alles an seiner Handhabung.
Die Verdichtung auf 350 oder 700 bar ist die übliche Lösung für den Straßentransport. Die Verflüssigung bei minus 253 Grad erreicht eine höhere Dichte, verbraucht aber 30 Prozent oder mehr des Energieinhalts, weshalb sie Fällen wie der Raumfahrt vorbehalten bleibt. Wasserstoff für den Seetransport in Ammoniak umzuwandeln und am Ziel zurückzuspalten, wird für den interkontinentalen Handel aktiv entwickelt.
Pipelines können Wasserstoff führen, und ein Teil der bestehenden Erdgasnetze lässt sich umstellen, wobei Wasserstoff bestimmte Stähle verspröden lässt und durch Dichtungen entweicht, die Methan halten. Die Beimischung kleiner Anteile in bestehende Gasnetze wird in mehreren Ländern erprobt; sie senkt die Emissionen anteilig weniger, als der Beimischungsgrad vermuten lässt, weil Wasserstoff je Volumeneinheit weniger Energie trägt.
Unterirdische Salzkavernen sind die etablierte Großspeicherlösung und halten in Texas und Großbritannien seit Jahrzehnten kommerziell Wasserstoff. Sie sind der Grund, warum saisonale Speicherung überhaupt ernsthaft diskutiert wird: Eine Kaverne fasst Energie in einem Maßstab und zu Kosten je Kilowattstunde, an die keine Batterie heranreicht.
Häufige Fragen
Ist Wasserstoff eine Energiequelle?
Nein, er ist ein Träger. Es gibt keine nutzbar förderbaren Wasserstoffvorkommen, also wird jedes Kilogramm aus Methan oder Wasser hergestellt, mit Energie von anderswoher, und ein Teil dieser Energie geht bei der Herstellung verloren. Sein Wert liegt im Speichern und Bewegen von Energie, nicht im Bereitstellen.
Was bedeuten die Farben?
Sie beschreiben die Herstellung. Grau stammt aus Methan mit abgelassenem Kohlendioxid, blau aus Methan mit Abscheidung, grün aus Elektrolyse mit erneuerbarem Strom. Pink meint Elektrolyse mit Kernstrom. Das Molekül ist in jedem Fall identisch; das Etikett beschreibt seine Herkunft.
Warum nicht Wasserstoff im Auto?
Wegen der Wirkungsgradkette. Strom zu Wasserstoff zu Bewegung gibt etwa ein Viertel bis ein Drittel der eingesetzten Energie zurück, ein Batteriefahrzeug rund drei Viertel. Wo eine Batterie für die Aufgabe dicht genug ist, gewinnt sie schon in der Physik, bevor überhaupt von Infrastruktur die Rede ist.
Wie viel Wasserstoff verbraucht die Welt heute?
Rund 95 Millionen Tonnen jährlich, fast ausschließlich als Industrierohstoff - Ammoniak für Dünger, Raffinerien, Methanol. Energetische Nutzungen sind ein kleiner Bruchteil davon. Die erste Aufgabe beim Dekarbonisieren von Wasserstoff ist deshalb, die bereits bestehende Produktion sauber zu machen.
Ist Wasserstoff gefährlich?
Er ist über einen weiten Konzentrationsbereich brennbar und brennt mit nahezu unsichtbarer Flamme, verlangt also eine andere Handhabung als herkömmliche Kraftstoffe. Er ist zugleich extrem leicht und steigt schnell auf, was die Gefahr von Ansammlungen verringert. Die Industrie geht seit einem Jahrhundert im großen Maßstab mit ihm um; die Sicherheitsfragen betreffen neue verbrauchernahe Anwendungen, nicht den Stoff selbst.
