Wasserstoff ist das leichteste Element im Universum und zugleich auch das Element, welches am häufigsten in Verbindungen vorkommt. Im Persiodensystem der Elemente steht Wasserstoff an erster Stelle und wird mit dem Buchstaben "H" abgekürzt. Zwei Wasserstoffatome bilden zusammen ein Wasserstoffmolekül: H2.
Unter Umgebungsbedingungen, also bei Normaldruck und Normaltemperatur, ist reiner Wasserstoff ein farbloses und geruchloses Gas. Dieses Gas ist leicht entzündlich und sehr flüchtig. Die kleinen, leichten Wasserstoffmoleküle entweichen schnell in alle Richtungen und haben sich im Freien deshalb sehr schnell verflüchtigt.
Wasserstoff hat einen hohen Energiegehalt. Er kann als Brennstoff eine Trubine oder einen Verbrennungsmotor antereiben oder in einer Brennstoffzelle Strom erzeugen. Der Strom kann sowohl einen Elektromotor antreiben als auch in das Stromnetz eingespeist oder anderweitig verbraucht werden. Das macht Wasserstoff zu einem Energieträger.
Wasserstoff kann auf verscheidenen Wegen transportiert und gespeichert werden. Dadurch kann er flexibel eingesetzt werden, wo und wenn gerade Energie gebraucht wird. Daher wird Wasserstoff eine entscheidene Rolle bei der Energiewende einnehmen..
Wird Wasserstoff mit klimaneutral erzeugtem Strom hergestellt, eignet er sich darüber hinaus zur Dekarbonisierung diverser Sektoren und kann langfristig dazu beitragen, die Klimaschutzziele zu erreichen. Denn weder bei der Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle, noch bei seiner Verbrennung entstehen CO2-Emissionen.
Auf der Erde tritt Wasserstoff überwiegend in gebundener Form auf, konkret in chemischen Verbindungen, wie beispielsweise Wasser oder Säuren. Weitere wasserstoffhaltige Verbindungen sind die sogenannten Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Methan. Um reinen Wasserstoff als Energieträger zu gewinnen, muss dieser folglich erst erzeugt werden.
Reiner Wasserstoff ist unter Umgebungsbedingugen gasförmig und nimmt ein großes Volumen ein. Um Wasserstoff transportfähig und speicherbar zu machen, wird er üblicherwiese unter Druck gesetzt. So kann er beispielsweise in Gasflaschen transportiert und großen Drucktanks (Druckniveau: 200 bar bis 900 bar) gelagert werden. Wasserstoff kann aber auch stark gekühlt werden (-253°C), sodass er flüssig wird. Der Flüssigwasserstoff (liquid hydrogen, kurz LH2) hat dann sogar eine höhere Energiedichte als Durckwasserstoff.
Wasserstoff wird bislang hauptsächlich in der Chemieindustrie verwendet. Er kann aber auch als Energiespeicher, Brennstoff oder Treibstoff eingesetzt werden.
Aktuell werden weitere mögliche Anwendungsfelder für Wasserstoff diskutiert (zum Beispiel als Reduktionsmittel in der Stahlindustrie).
Wasserstoff hat eine sehr hohe massenbezogene Energiedichte. Das heißt: 1 Kilogramm Wasserstoff enthält eine große Energiemenge, im Vergleich zur selben Menge bei anderen Energieträgern.
Allerdings nimmt 1 Kilogramm Wasserstoff bei Normalbedingungen als Gas (20°C und 1 bar) ein sehr großes Volumen von ca. 11,24 m³ ein. Wasserstoff wird daher üblicherweise zum Transport oder zur Speicherung als Gas koprimiert oder verflüssigt. Mit diesen Methoden erhöht man die volumetrische Energiedichte pro Kubikmeter.
Im Folgenden einige Zahlenbeispiele für Wasserstoff in verschiedenen Zuständen:
Druckwasserstoff
Flüssigwasserstoff
Die höchste Energiedichte der üblichen Speicherformen von reinem Wasserstoff hat also der Flüssigwasserstoff.
Üblicherweise wird reiner Wasserstoff (H2) in Drucktanks oder Gasflaschen unter hohem Druck gespeichert oder stark gekühlt in flüssiger Form. Beide Varianten eignen sich dafür, um die Energieinhalt pro Kubikmeter (volumetrische Energiedichte) zu erhöhen. Wasserstoff unter Normalbedingungen nimmt aufgrund seiner geringen Dichte ein sehr großes Volumen ein, was für die technische Anwendung und auch die Speicherung nicht praktikabel ist.
Druckwasserstoff:
Flüssigwasserstoff:
Die höchste Energiedichte der üblichen Speicherformen von reinem Wasserstoff hat also der Flüssigwasserstoff.
Weitere Speichermöglichkeiten von reinem Wasserstoff sind noch im Entwicklungsstadium:
Die Farbenlehere von Wasserstoff klassifiziert den Energieträger basierend auf seiner Herstellungsform. Zur Herstellung von Wasserstoff existieren verschiedene Verfahren, die teilweise emissionsarm sind. Oftmals fallen in der Herstellung jedoch CO2-Emissionen an oder andere kritische Stoffe werden genutzt. Daher wird je nach Ausgangsstoff und/oder Verfahren der Erzeugung von Wasserstoff eine andere Farbe genutzt, die eine Unterscheidung der Wasserstoffquellen deutlich macht.
Grüner Wasserstoff wird häufig auch klimafreundlicher Wasserstoff genannt, da bei seiner Herstellung kein CO2 in die Umwelt abgegeben wird. Als Herstellungsverfahren wird die Elektrolyse genutzt, wobei Wasser durch die Zuführung von Strom in die Produkte Wasserstoff und Wärme aufgespalten wird. Wasserstoff aus Elektrolyse nutzt als Ausgangsstoff also Wasser und benötigt elektrischen Strom. Um als grüner Wasserstoff zu gelten, muss der hierfür genutzte Strom aus Erneuerbaren Energien (EE) stammen.
Der Ausgangsstoff zur Erzeugung von blauem und türkisem Wasserstoff ist jedweils Erdgas. Dabei werden zwei Herstellungsverfahren unterschieden.
Blauer Wasserstoff
Wasserstoff aus Dampfreformierung von Erdgas mit anschließendem Carbon Capture and Storage(CCS): CO2 wird eingelagert. Das Verfahren der Dampfreformierung ist insbeosndere in undustriellen Prozessen weit verbreitet und gilt als eine der wirtschaftslichsten Formen zur Herstellung von Wasserstoff.
Türkiser Wasserstoff
Wasserstoff aus der Pyrolyse von Erdgas und anschließendem Einspeichern des Kohlenstoffs (C): Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Sofern der Kohlenstoff anschließend dauerhaft eingespeichert bleibt und nicht beispeilsweise bei der Weiterverarbeitung verbrannt wird, ist auch dieses Verfahren emissionsarm. Die zur Spaltung des Methans verwendeten Reaktoren beziehungsweise Hochöfen sollten zur Emissionsreduktion mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Da bei der Förderung des Ausgangsmaterials Erdgas jedoch häufig Emissionen entstehen, ist türkiser Wasserstoff im Hinblick auf den gesamten Entstehungsprozess meistens nicht komplett klimaneutral.
Bisher existiert kein allgemeingültiges festes Verzeichnis darüber, welche Wasserstoff-Farbe auf ein bestimmtes Verfahren hindeutet. Gängige Farbbezeichnungen sind neben Grün, Türkis und Blau die Folgenden: Gelb, Pink, Grau, Braun und Schwarz.
