Wasserstoff H2 gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger für eine nachhaltige Zukunft. Die Einsatzgebiet in Industrie, Mobilität, Nutzfahrzeuge, Binnen- und Nahverkehr sind mannigfaltig und vielversprechend. Langsam nimmt die Initiative für Wasserstoff auch seitens Politik, Forschung und Industrie fahrt auf, und dies nicht ohne Grund.
Wasserstoff – Ein vielseitiger Energieträger
Wasserstoff (H2) ist ein farbloses, geruchloses und extrem leichtes Gas, das bei der Verbrennung oder in einer Brennstoffzelle nur Wasser als Emission hinterlässt. Aufgrund dieser Eigenschaften und der hohen Energiedichte wird Wasserstoff als ein Schlüsselelement für die Energiewende und als potenzieller Wegbereiter für eine klimaneutrale Zukunft angesehen. Wasserstoff eignet sich gut als saubere Energiequelle. Wasserstoff (H2) ist das leichteste und am häufigsten vorkommende Element im Universum. Als Energieträger kann er CO2-neutral produziert werden, insbesondere wenn er durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Ist Wasserstoff gefährlich?
Wasserstoff ist ein ungiftiges Gas, das weder Farbe noch Geruch hat. Es ist jedoch hochentzündlich, und es müssen hohe Sicherheitsstandards beim Umgang mit ihm eingehalten werden, um Gefahren wie Explosionen oder Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Wasserstoff ist nicht gefährlicher als herkömmliche Energieträger wie Erdgas oder Erdöl, aber es ist wichtig, ihn vor Zündquellen fernzuhalten und Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung zu treffen.
Bei hohen Konzentrationen kann das Einatmen von Wasserstoff zu Komplikationen führen, die von Bewegungsstörungen über Bewusstlosigkeit bis hin zur Gefahr des Erstickens reichen. Diese Komplikationen sind jedoch dem Mangel an Sauerstoff geschuldet, nicht dem Wasserstoff selbst. Wasserstoff ist auch nicht selbstentzündlich und geht keine Krebsgefahr aus.
In Bezug auf die Umwelt besitzt Wasserstoff grundsätzlich umweltfreundliche Eigenschaften. Bei der Verbrennung in Motoren können Emissionen entstehen, die jedoch bei geeigneter Führung der Verbrennung sehr gering oder zu vernachlässigen sind. Die Verwendung von Wasserstoff in Niedertemperatur-Brennstoffzellen, wie Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC), kann Schadstoffemissionen vollständig vermeiden.
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Die Herstellung von Wasserstoff kann auf verschiedene Weisen erfolgen:
· Elektrolyse: Hierbei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Wenn der verwendete Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie Wind- oder Solarenergie stammt, spricht man von grünem Wasserstoff. Dieser Prozess ist besonders umweltfreundlich, da keine Treibhausgase freigesetzt werden.
· Dampfreformierung: Bei diesem Prozess wird Erdgas umgewandelt, wobei allerdings CO2 entsteht. Dieser Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Wenn das CO2 abgeschieden und gespeichert wird, spricht man von blauem Wasserstoff.
Anwendungen von Wasserstoff
Wasserstoff kann in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden:
· Energiespeicher: Wasserstoff kann überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und bei Bedarf wieder freigeben.
· Mobilität: Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen Wasserstoff, um elektrische Energie zu erzeugen, die dann einen Elektromotor antreibt. Es gibt bereits mehrere Modelle von Personen- und Lastkraftwagen, die mit Wasserstoff betrieben werden, und die Technologie entwickelt sich stetig weiter.
· Industrie: In der Stahl- und Chemieindustrie kann Wasserstoff als Rohstoff oder Reduktionsmittel verwendet werden.
Brennstoffzellen-Technologie
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff in elektrische Energie um, wobei Wasser der einzige Emissionsstoff ist.
Sie sind Schlüsselkomponenten in der Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen und können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von Kraftfahrzeugen bis hin zu stationären Energiequellen.
Speicherung und Transport
Wasserstoff kann in gasförmiger oder flüssiger Form gespeichert und durch Pipelines oder Tankwagen transportiert werden.
Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff stellen technische Herausforderungen dar, da Wasserstoff ein sehr leichtes Gas ist und hohe Anforderungen an die Infrastruktur stellt.
Vorteile von Wasserstoff
· Umweltfreundlich: Bei der Nutzung von Wasserstoff entstehen keine schädlichen Emissionen.
· Hohe Energiedichte: Wasserstoff hat eine sehr hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Energiequellen.
· Flexibilität: Wasserstoff kann in verschiedenen Formen gespeichert und transportiert werden.
Wirtschaftliche Aspekte
Die Kosten für die Herstellung und Nutzung von Wasserstoff sind noch relativ hoch, aber mit fortschreitender Technologie und Skalierung wird erwartet, dass sie sinken.
Investitionen in Wasserstofftechnologien können langfristig zur Schaffung von Arbeitsplätzen und zur Energieversorgungssicherheit beitragen.
Herausforderungen und Risiken
· Infrastruktur: Der Aufbau einer umfassenden Infrastruktur für die Produktion, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff ist kostenintensiv und technisch herausfordernd.
· Kosten: Die Kosten für Wasserstoff sind derzeit noch höher als für fossile Brennstoffe, obwohl erwartet wird, dass sie mit fortschreitender Technologie sinken werden.
· Sicherheit: Als leicht entzündbares Gas erfordert Wasserstoff sorgfältige Handhabung und Lagerung.
· Industrialisierung: Mit zunehmenden Anwendungen, müssen nicht nur die kosten für die Herstellung von Wasserstoff, sondern auch der Anlagen und Komponenten durch Industrialisierung und Skalierung sinken. Hierzu ist es notwendig entsprechende Technologien, Anlagen, Prozesse und Komponenten zu entwickeln
Zukunftsperspektiven
Wasserstoff hat das Potenzial, eine Schlüsselrolle in einer klimaneutralen Wirtschaft zu spielen, insbesondere in Sektoren, die schwer zu dekarbonisieren sind.
Die internationale Zusammenarbeit und die Entwicklung von Standards sind entscheidend für die Förderung der Wasserstoffwirtschaft.
Die Forschung und Entwicklung im Bereich Wasserstofftechnologien schreitet schnell voran. Mit der zunehmenden Fokussierung auf erneuerbare Energien und die Reduzierung von CO2-Emissionen wird Wasserstoff wahrscheinlich eine immer wichtigere Rolle in unserem Energiemix spielen.
Wasserstoffprojekte
In Deutschland und Europa gibt es derzeit mehrere bedeutende Wasserstoffprojekte, die sowohl aus der Forschung als auch aus der Industrie stammen.
Deutschland: Die Bundesregierung hat 62 förderungswürdige Wasserstoff-Großprojekte ausgewählt, die im Rahmen des EU-Programms „Important Projects of Common European Interest“ (IPCEI) unterstützt werden sollen. Diese Projekte decken die gesamte Wertschöpfungskette des Wasserstoffmarktes ab, einschließlich Erzeugung, Infrastruktur, Nutzung in der Industrie und Mobilität. Zu den ausgewählten Projekten für Erzeugungsanlagen gehören Anlagen mit über 2 GW Elektrolyseleistung für die Produktion von grünem Wasserstoff.
Europa: Es gibt eine Vielzahl von Projekten, die sich über den gesamten Kontinent erstrecken, von Hammerfest bis Sizilien. Dazu gehören Entwicklungen wie ein Importterminal für grünes Ammoniak als Wasserstoffträger in Rotterdam, das 2026 in Betrieb gehen könnte, und eine Partnerschaft zwischen E.on und Fortescue Future Industries, um jährlich 5 Mio. t grünen Wasserstoff von Australien nach Europa zu bringen.
WAVE-H2 ist eine innovative Forschungsplattform in Deutschland, die sich auf die Dekarbonisierung der Industrie durch Wasserstofftechnologien konzentriert. Die Plattform wird von der Universität Stuttgart betrieben und zielt darauf ab, eine wandlungsfähige, energieflexible und vernetzte H2-Industrieforschungsplattform zu schaffen1. Hier einige Kernpunkte zu WAVE-H2:
Forschung und Entwicklung: WAVE-H2 fokussiert sich auf die Optimierung von Wasserstoffproduktions- und -nutzungsprozessen, die Auslegung und Integration von Wasserstoffsystemen in industriellen Anwendungen sowie die Analyse der Leistung und Effizienz von Wasserstoffanlagen.
Industrielle Kooperation: Die Plattform bietet Dienstleistungen für Industriekunden an und unterstützt Unternehmen bei der Weiterentwicklung von Wasserstofftechnologien.
Bildung und Innovation: WAVE-H2 dient auch als Bildungszentrum, das Wissen über die Nutzung von Wasserstoff an Studierende und Firmen vermittelt. Es werden neue lokale Projekte und Unternehmen gefördert, um Arbeitsplätze zu schaffen und Fachkräfte für die Zukunft auszubilden.
Integration in Energiesysteme: Ein wichtiger Aspekt von WAVE-H2 ist die Integration von Wasserstoff in Energiesysteme, um eine effiziente Energieflussoptimierung und bivalente Nutzungstechnologien zu entwickeln.
Die Plattform ist Teil der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung und trägt zur Erreichung der Klimaziele bei, indem sie nachhaltige Lösungen für die Industrie bereitstellt. Für weitere Informationen können Sie die offizielle Website von WAVE-H2 besuchen.
Diese Projekte sind Teil eines größeren Trends zur Dekarbonisierung und Nutzung von Wasserstoff als sauberer Energiequelle. Sie zielen darauf ab, eine robuste Infrastruktur für die Wasserstoffwirtschaft in Europa zu schaffen und die CO2-Emissionen in verschiedenen Sektoren, einschließlich Stahl- und Chemieindustrie, signifikant zu reduzieren.
Die Referenzfabrik H2 ist ein Projekt des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), das sich als Schrittmacher für die industrielle Massenproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen positioniert. Ziel ist es, eine Wertschöpfungsgemeinschaft aus Industrie und Wissenschaft zu schaffen, die gemeinsam an der schnellen Hochskalierung einer effizienten und stückzahlskalierbaren Produktion von Wasserstoffsystemen arbeitet.
Seit Januar 2023 bringen Industrieunternehmen ihre Kernkompetenzen in die Produktion von Wasserstoffsystemen ein und entwickeln diese in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWU und Fraunhofer ENAS weiter. Die Referenzfabrik H2 bietet einen Technologie-Baukasten mit verschiedenen produktionstechnischen Bausteinen, Verfahrensvarianten, Maschinen und Anlagen, die für die Herstellung von Wasserstoffsystemen notwendig sind. Sie ermöglicht es Unternehmen, risikominimiert, schneller und zielgerichteter in das Geschäftsfeld der Wasserstoffsystem-Fertigung einzusteigen.
Wasserstoff-Mobilität
Es gibt bereits Fahrzeuge, die mit Wasserstoff betrieben werden. Hier ist eine Liste von Herstellern und ihren Wasserstoff-Fahrzeugmodellen, die in Deutschland verfügbar sind:
· Toyota Mirai: Eine viersitzige Limousine mit einer Reichweite von 500 km und zwei Wasserstofftanks.
· Honda Clarity Fuel Cell: Ein Modell, das Teil der Clarity-Familie von Honda ist, die auch elektrische und Plug-in-Hybridvarianten umfasst.
· Hyundai Nexo: Der Nachfolger des Hyundai ix35 FCEV, mit einer Reichweite von 756 km und drei Wasserstofftanks.
· Mercedes-Benz GLC F-CELL: Ein Modell von Mercedes-Benz, das ebenfalls auf Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie setzt.
· BMW Hydrogen 7: Ein älteres Modell von BMW, das als Teil eines begrenzten Testprogramms produziert wurde.
· Pininfarina H2 Speed: Ein Konzeptfahrzeug, das auf Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie basiert.
· Ford Airstream: Ein Konzeptfahrzeug mit Wasserstoffantrieb.
· BMW hydrogen X5: Ein weiteres Konzeptfahrzeug von BMW.
Und es gibt auch Nutzfahrzeuge, die mit Wasserstoffantrieb betrieben werden. Hier nur einige Beispiele für Hersteller und Modelle:
· MAN Engines: MAN hat Erfahrungen mit Wasserstoffmotoren und arbeitet an Lösungen für mobile und stationäre Anwendungen. Seit 2021 gibt es einen Lkw-Prototyp von MAN, der von einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor angetrieben wird.
· Hyundai XCient Fuel Cell: Dies ist der erste Wasserstoff-Elektro-Lkw aus Serienfertigung, der in Deutschland eine Straßenzulassung erhalten hat. Der XCient Fuel Cell verfügt über eine Reichweite von rund 400 Kilometern.
· Stellantis-Plattformen: Für die Stellantis-Plattformen werden leichte Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle angeboten, darunter Modelle wie Citroën ë-Jumpy und ë-Jumper, Fiat Professional E-Scudo und E-Ducato, sowie Opel/Vauxhall Vivaro.
· KEYOU ist ein Unternehmen, das sich auf die Dekarbonisierung von Nutzfahrzeugflotten durch Wasserstofftechnologie spezialisiert hat. Sie bieten Lösungen an, um bestehende Dieselfahrzeuge in emissionsfreie Wasserstofffahrzeuge umzurüsten. Mit dem KEYOU-inside-System können Kunden ihre Fahrzeuge effizient und wirtschaftlich auf Wasserstoffbetrieb umstellen, ohne dabei Leistung, Kapazität oder Reichweite zu beeinträchtigen1. Das Unternehmen hat auch ein Pionierprogramm gestartet, bei dem Kunden die Möglichkeit haben, einen 18-Tonnen-Lkw mit einem KEYOU-inside Wasserstoffmotor unter realen Bedingungen zu testen. Dieses Programm zielt darauf ab, zu beweisen, dass die Technologie nicht nur emissionsfrei, sondern auch straßentauglich ist1. Zusätzlich bietet KEYOU ein Pay-per-Use-Modell für H2 Mobility as a Service an, das den Kunden ermöglicht, Fahrzeug und Kraftstoff als Gesamtpaket zu nutzen. Dieses Modell soll insbesondere nach der Einführung der CO2-Maut in Deutschland am 1. Januar 2024 attraktiv sein, da es Mehrkosten für Diesel-Lkw von 200 Euro pro Tonne CO2 vermeiden hilft.
Auch der öffentliche Nahverkehr ist aufgefordert und bestrebt, sich umweltfreundlicher zu gestalten und die Emissionen zu reduzieren. Es gibt bereits Busse und Züge mit Wasserstoffantrieb, und mehrere Hersteller sind in diesem Bereich aktiv.
Wasserstoffbusse:
· Solaris Bus & Coach: Solaris ist einer der führenden europäischen Hersteller von Stadt- und Überlandbussen und bietet auch Wasserstoffbusse an.
· MAN Engines: Der MAN Konzern erforscht seit Jahrzehnten Wasserstoffantriebe und hat bereits Wasserstoffbusse entwickelt.
· Caetanobus: Dieser portugiesische Hersteller liefert Wasserstoffbusse, deren Brennstoffzellen von Toyota stammen.
Züge mit Wasserstoffantrieb:
· Coradia iLint: Die weltweit erste Wasserstoffzug-Flotte besteht aus 27 Zügen des Typs Coradia iLint von Alstom. Diese Züge werden im Industriepark Höchst in Frankfurt am Main mit Wasserstoff betankt. Der Coradia iLint erreicht eine beeindruckende Reichweite von 1.000 Kilometern und stößt lediglich Wasserdampf aus.
· Mireo Plus H: Die Deutsche Bahn und Siemens haben den Mireo Plus H entwickelt, einen Wasserstoffzug, der keine Emissionen verursacht. Dieser Zug hat eine Reichweite von rund 1.000 Kilometern, erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 160 km/h und kann zügig betankt werden. Ein einziger Mireo Plus H spart über seine Lebensdauer von 30 Jahren bis zu 45.000 Tonnen CO₂ im Vergleich zu Autofahrten ein.
· Lokal emissionsfrei: Wasserstoffzüge sind eine besonders klimafreundliche Antriebstechnologie, da sie mit grünem Wasserstoff fahren und lediglich Wasserdampf und Wärme an die Umwelt abgeben. Außerdem sind sie nahezu geräuschlos und schützen somit die Anwohner entlang der Strecken.
Die Wasserstofftechnologie hat das Potenzial, den Nah- und Schienenverkehr nachhaltiger zu gestalten und den Ausstieg aus dem Dieselantrieb zu unterstützen. Die Entwicklung von Wasserstoffzügen und Bussen ist ein wichtiger Schritt in Richtung klimaneutrale Mobilität der Zukunft.
H2 in der Luftfahrt – Die Brennstoffzelle lernt fliegen. Herr Prof. Kallo ist ein Flugpionier auf dem Gebiet des nachhaltigen und emissionsfreien Flugverkehrs und Professor an der Universität Ulm. Sein Unternehmen H2FLY GmbH entwickelt wasserstoff-elektrische Antriebssysteme für Flugzeuge und ist weltweit führend in der Entwicklung und Erprobung solcher Systeme. Unter anderem baute H2FLY das erste wasserstoff-elektrische Passagierflugzeug der Welt, das im Jahr 2016 abhob und damit sowohl die Machbarkeit als auch das Potenzial dieser Technologie für die Luftfahrt der Zukunft demonstrierte.
Dies alles sind Beispiele für Fahrzeuge die Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie nutzen, um eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu bieten. Auch wenn viele davon sich derzeit noch im Versuchs- oder Entwicklungsstadium befinden, ist eine deutliche Dynamik am Markt zu erkennen. Hierzu gehört auch, daß die entsprechende Infrastruktur geschaffen wird.
Die Infrastruktur für Wasserstofftankstellen in Deutschland entwickelt sich stetig weiter. Aktuell gibt es 92 eröffnete H2-Tankstellen in Deutschland1. Das Basisnetz für 700 bar Betankung, das hauptsächlich für Pkw genutzt wird, soll in den nächsten Monaten auf 100 Stationen anwachsen. Dies würde es über 6 Millionen Autofahrern ermöglichen, auf Wasserstoff umzusteigen, ohne größere Umwege in Kauf nehmen zu müssen.
Für Nutzfahrzeuge, die bei 350 bar tanken, gibt es bereits einige Wasserstoffstationen und weitere werden vor allem dort errichtet, wo kurzfristig eine Nutzfahrzeugnachfrage zu erwarten ist1. Die Bundesregierung plant zudem, das Wasserstoff-Kernnetz auf 9.700 km auszubauen, um alle Bundesländer zu erreichen und Teil eines europäischen Netzes zu werden.
Die Zukunft der Wasserstoffmobilität ist vielversprechend und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst.
1. Nationale Wasserstoffstrategie in Deutschland: Die Bundesregierung hat eine Nationale Wasserstoffstrategie verabschiedet, die den Einsatz von Wasserstoff als klimafreundlichen Energieträger vorantreibt. Diese Strategie legt den Grundstein für Investitionen, Zusammenarbeit mit internationalen Partnern und den Ausbau der notwendigen Infrastruktur.
2. Infrastruktur und Tankstellen: Deutschland verfügt bereits über ein gutes Netzwerk von Wasserstofftankstellen, das weiter ausgebaut wird. In den nächsten drei Jahren sollen die bestehenden 100 Tankstellen auf 400 erweitert werden. Dies ist wichtig, um die Akzeptanz von Wasserstofffahrzeugen zu erhöhen.
3. Anwendungsbereiche: Wasserstoff eignet sich besonders für Anwendungen mit größeren Reichweiten, wie z. B. Schwerlasttransporte, Binnenschiffe und Züge auf Nebenstrecken. Diese Fahrzeuge können lokal CO₂-frei mit grünem Wasserstoff betrieben werden, der aus erneuerbaren Energiequellen stammt.
4. Technologieentwicklung: Die Technologien wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure müssen weiter optimiert werden. Standards müssen gesetzt und die Infrastruktur, einschließlich Verteilnetz und Tankstellen, muss ausgebaut werden.
5. Internationale Zusammenarbeit: Deutschland arbeitet eng mit europäischen und internationalen Partnern zusammen, um die Wasserstoffmobilität weltweit voranzutreiben. Importstrategien und Kooperationen sind entscheidend, da der Bedarf an Wasserstoff nicht allein gedeckt werden kann.
Fazit
Insgesamt wird Wasserstoff eine wichtige Rolle in der zukünftigen Mobilität, Industrie und der Energieversorgung spielen, insbesondere wenn es darum geht, die angestrebten Klimaziele zu erreichen und nachhaltige Alternativen zu fossilen Brennstoffen zu finden. Diese Entwicklungen sind Teil der Bemühungen, eine nachhaltige und umweltfreundliche Mobilität zu fördern und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren. Zusammenfassend ist Wasserstoff ein potenziell sicherer, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher Energieträger, wenn er richtig gehandhabt wird.
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