wasserstoff selbst herstellen experiment

Wasserstoff mit Haushaltschemikalien selber herstellen

Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem. Das Gas hat einige wirklich spannende Eigenschaften. Hier zeige ich euch, wie ihr es mit einfachen Haushaltschemikalien selber herstellen könnt. Das ist aber nichts für Kinder, hier müssen die Erwachsenen helfen!

• Was ihr dazu braucht: Schutzbrille, Abflussreiniger, Aluminiumfolie, Wasser, Glasflasche, Wasserschüssel, Luftballon, kleines Marmeladenglas, Feuerzeug, Flaschenstopfen mit Anschlussstück, passenden Kunststoffschlauch, Spülmittel
• Schwierigkeitsgrad: relativ aufwendig und gefährlich
• Altersempfehlung: ab neun Jahren mit Hilfe eines Erwachsenen.

Das Wasserstoff- und Knallgas-Video:

So wird das wasserstoffexperiment gemacht:.

Ich stelle den Wasserstoff aus Abflussreiniger (enthält Natriumhydroxid) und Aluminiumfolie her. Ab jetzt braucht ihr eine Schutzbrille! Ich gebe zwei Esslöffel Abflussreiniger mit Hilfe eines Trichters in eine große Glasflasche. Die Aluminiumfolie zerreiße ich in kleine Fetzen und knülle sie zu kleinen Kügelchen zusammen. Wichtig: nicht zu fest zusammendrücken!

Jetzt passiert noch gar nichts, denn eine wichtige Zutat fehlt noch, das Wasser. Ich fülle ca. 200 ml Wasser dazu und schüttle das Ganze vorsichtig. Die Reaktion kommt recht langsam in Gang, wird aber dann umso heftiger. Das merkt ihr daran, dass sich die Mischung erwärmt und allmählich richtig heiß wird. Dazu habt ihr euch eine Schüssel mit kaltem Wasser bereitgestellt, um die Mischung zu kühlen.

Ich fange den Wasserstoff in einem Luftballon auf, den ich anschließend zuknote.

Wenn die Reaktion langsamer wird, gebe ich mehr Aluminiumskügelchen dazu. Ich kann das Gas auch mit Hilfe einer pneumatischen Wanne in Marmeladengläsern auffangen auffangen, die ich dann unter Wasser mit dem Deckel verschließe. Dazu benutze ich einen Stopfen der auf die Flasche passt und eine Bohrung besitzt. In die Bohrung habe ich einen Schlauchanschluss gesteckt und auf den Schlauchanschluss einen passenden Schlauch. Das ganze gibt's im Baumarkt. Ich habe es euch schon mal im Sauerstoffexperiment gezeigt.

Den Schlauch könnt ihr auch in eine Schüssel mit Wasser halten, in die ihr einen ordentlichen Spritzer Spülmittel gegeben habt. Dann bilden sich wasserstoffgefüllte Seifenblasen auf der Wasseroberfläche.

Jetzt kann ich die Eigenschaften des Wasserstoffs untersuchen. Was passiert wenn ich den Ballon loslasse? Ich öffne eines der Marmeladengläser mit der Öffnung nach unten und halte ein Stabfeuerzeug an die Öffnung. Was glaubt ihr was passiert? Versucht auch mal, die mit Wasserstoff gefüllten Seifenblasen anzuzünden.

Aus dem Sauerstoffversuch habe ich einen Glas zu einem Drittel mit Sauerstoff gefüllt und aufgehoben. Ich öffne dieses Glas wieder unter Wasser mit der Öffnung nach unten und leite so lange Wasserstoff in das Glas, bis es ganz gefüllt ist mit dem Gasgemisch. Ich verschließe es unter Wasser wieder und stelle es beiseite. Auch dieses Glas öffne ich mit der Öffnung nach unten und entzündet das Gasgemisch. Achtung nicht erschrecken!

Was passiert bei diesem Experiment und warum ist das so?

Der Abflussreiniger besteht aus Natriumhydroxid (NaOH). Das löst sich im Wasser auf und bildet Natronlauge. Das Aluminium löst sich in der Natronlauge auf und bildet Aluminiumhydroxid. Als Nebenprodukt der Reaktion entsteht gasförmiger Wasserstoff, der aus dem Wasser stammt. Das erkennt ihr an den kleinen Bläschen, die sich an den Aluminiumkügelchen bilden. Das Reaktionsgemisch erwärmt sich und die Reaktion wird dadurch immer schneller. Damit sie nicht außer Kontrolle gerät, müsst ihr die Mischung kühlen.

Wasserstoff ist leichter als Luft. Deshalb steigt auch der Ballon, den ich mit dem Wasserstoff gefüllt habe sofort in die Luft.

Wasserstoff ist auch brennbar und brennt mit einer gelben Flamme. Reiner Wasserstoff verbrennt fast lautlos, in der Mischung mit Luft macht es ein hörbares Plopp-Geräusch. Im richtigen Mischungsverhältnis nämlich zwei Teile Wasserstoff und ein Teil Sauerstoff gibt es einen lauten Knall. Diese Reaktion nennt man auch Knallgasreaktion und das Gasgemisch Knallgas.

Früher hat man Luftballons gerne mit Wasserstoff gefüllt, damit sie schön in der Luft schweben. Heute nimmt man aus Sicherheitsgründen meistens Helium. Auch das Gas ist leichter als Luft, ist aber nicht brennbar.

Beim Verbrennen reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der Luft und es entsteht Wasser, H2O. Wasser besteht aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff.

Hier haben sich also zwei Elemente nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, zu einer chemischen Verbindung zusammengefunden, nämlich Wasser. Ihr habt hier also eine sehr einfache chemische Reaktion, die aber recht spektakulär abläuft.

Die Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff reagiert nicht einfach so miteinander, sie braucht Energie in Form einer Flamme, sonst passiert gar nichts.

Um diese Phänomene geht es in diesem Experiment:

• Chemische Elemente und Verbindungen
• Was ist eine chemische Reaktion?
• Gase und Flüssigkeiten
• Pneumatische Wanne
• Knallgasreaktion
• Wasserstoff und Sauerstoff

6 Kommentare

16. Juli 2024 um 16:24 Uhr

17. Juli 2024 um 10:13 Uhr

15. Mai 2022 um 14:50 Uhr

15. Mai 2022 um 22:35 Uhr

22. April 2022 um 10:09 Uhr

22. April 2022 um 22:11 Uhr

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• Handelt es sich bei dem Beschlag um Wasserdampf?
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Wasserstoff selbst herstellen: Ist das möglich?

Im Zusammenhang mit der Energiewende der letzten Jahre gelten Wasserstoff und die Brennstoffzelle als mögliche Lösung. Sinnvoll ist das vor allem dann, wenn der Wasserstoff selbst hergestellt wird. Was es mit der Wasserstoffproduktion auf sich hat, erfahren Sie hier.

Photovoltaikanlagen leisten einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz, reduzieren die Stromkosten und sorgen für mehr Unabhängigkeit. Seitdem die Einspeisevergütung in den letzten Jahren immer kleiner ausfiel, fragen sich allerdings immer mehr Immobilienbesitzer, ob sich die Investition überhaupt noch lohnt. Hier haben wir für Sie die Vor- und Nachteile einer Solaranlage zusammengestellt.

Grüner Wasserstoff gilt als klimaschonender Ersatz für Erdgas und Erdöl mit viel Potenzial. Bereits jetzt schon kann man eine Gasheizung auf Wasserstoff umrüsten lassen – doch lohnt sich das überhaupt? Die wichtigsten Vor- und Nachteile im Überblick.

Hohe Stromkosten sorgen für eine konstante Nachfrage nach Photovoltaikanlagen. Gesunkene Preise machen die PV-Anlage noch attraktiver. Mit einem Stromspeicher lässt sich der Strom, den die Solarmodule erzeugen, zudem effizienter nutzen. Wir erklären Ihnen, worauf Sie beim Kauf achten sollen.

Wasserstoff selbst herstellen: Wozu kann man Wasserstoff zuhause nutzen?

Für Wasserstoff gibt es im Eigenheim drei große Nutzungsbausteine: Auto, Heizung und Stromspeicher. Auto und Heizung beruhen dabei beide auf dem Prinzip einer Brennstoffzelle. Wasserstoff wird dabei zusammen mit Sauerstoff zu Wasser umgewandelt. Bei dieser chemischen Reaktion entsteht Wärme und als Abfallprodukt zusätzlich Strom. Mithilfe einer Brennstoffzelle lässt sich daher ein Fahrzeug betreiben (und im Innern erwärmen), ebenso aber auch ein Haus heizen und nebenbei Strom erzeugen. Als Stromspeicher funktioniert das Prinzip erstmal umgekehrt. Der auf dem Dach erzeugte Strom wird in einem Elektrolyseur zusammen mit Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser wird dann in entsprechenden Behältern gelagert. Benötigt das Haus dann wieder Strom , wird der selbst erzeugte Wasserstoff mithilfe einer Brennstoffzelle zurück in Strom verwandelt. Während konventionelle Batteriespeicher immer nur kurzzeitspeichern – beispielsweise um die Nacht mit Eigenstrom zu überbrücken –, wird mit der Umwandlung von Strom in Wasserstoff der Strom aus dem ertragsreichen Sommer mit in den ertragsschwachen Winter genommen und steht dann dort als Eigenstrom zur Verfügung. Da für die Umwandlung ebenfalls eine Brennstoffzelle notwendig ist, die Wärme erzeugt, dienen diese Anlagen als Universalgerät zum Heizen, Stromspeichern und Stromerzeugen.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle besitzt zwei Elektroden; Anode (Minuspol) und Kathode (Pluspol). Jede Elektrode ist mit einem Katalysator beschichtet, der den chemischen Vorgang in Gang setzt. Zwischen beiden Elektroden befindet sich ein Elektrolyt mit einer semipermeablen Membran, die nur bestimmte Ionen hindurchlässt. Diese Membran ist essenziell, da sich Sauerstoff und Wasserstoff nicht unkontrolliert verbinden dürfen. Sie sorgt daher dafür, dass die unterschiedlich geladenen Teilchen getrennt geleitet werden. Wasserstoff gelangt über die Anode in die Brennstoffzelle. Dort oxidiert er und spaltet sich in seine Protonen und Elektronen. Dadurch baut sich zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Spannung auf. Die Protonen (positiv geladene Ionen) wandern durch die Membran zur Kathode, wodurch bei dieser ein Elektronenmangel entsteht. Da die Elektronen nicht durch die Membran können, fließen sie durch einen äußeren Kreislauf zur Kathode. Im äußeren Kreislauf verbinden sie sich mit Sauerstoff aus der Luft. Auf ihrem Weg zur Kathode liefern sie zudem Antriebsenergie, die als Strom zur Verfügung steht. An der Kathode vereinen sich die Elektronen mit den Protonen wieder zu Wasserstoff. Durch den hinzugekommenen Sauerstoff entsteht so dann Wasser. Bei der Reaktion entsteht neben Strom auch Wärme, die als Heizenergie zur Verfügung steht.

Die Herstellung von Wasserstoff ist mit Risiken verbunden. Hintergrund ist, dass Wasserstoff und Sauerstoff nicht unkontrolliert aufeinandertreffen dürfen, da Explosionsgefahr besteht. Bausätze, um zukünftig einfach und kostengünstig Wasserstoff herzustellen, gibt es nicht. Eine erprobte Möglichkeit der Wasserstoffherstellung (und Weiterverarbeitung) ist daher die Brennstoffzellenheizung . Allerdings gibt es nicht viele Hersteller, die diese Technologie für den Eigenheimbesitzer anbieten. Im Wesentlichen geht es bei der Brennstoffzelle auch nicht darum, den Wasserstoff als finales Ergebnis zu erhalten, sondern Energie in Form von Wärme und Strom. Da Wasserstoff erst aus Erdgas erzeugt wird, um dann in Wasser umgewandelt zu werden, ist er nur ein Zwischenprodukt, das für den eigentlichen chemischen Prozess zur Energieerzeugung notwendig ist. Hinzu kommt, dass die Technologien – sowohl die Brennstoffzelle zur Strom- / Wärmeerzeugung als auch Anlagen zur Stromspeicherung – noch sehr kostenintensiv sind. Generell ist aber eine Herstellung von Wasserstoff zuhause möglich.

Die Brennstoffzellenheizung produziert nicht nur Wärme und heißes Duschwasser, sondern auch Strom als „Abfallprodukt“. Um eine Brennstoffzelle nachhaltig zu nutzen, ist es deshalb sinnvoll, sie dauerhaft in Betrieb zu halten: So generiert man viel Wärme und Strom. Alles zu Förderung, Einbau und Energiekosten der Brennstoffzellenheizung finden Sie hier im Überblick.

Wasserstoff selbst herstellen: Voraussetzungen für die Herstellung von Wasserstoff

Je nach Herstellungsmethode benötigt es entweder einen Reformer – zur Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas – oder einen Elektrolyseur – zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser und Strom. Bei einer Brennstoffzellenheizung ist üblicherweise ein Reformer integriert, weswegen diese Heizung Gas verbraucht. Im Reformer wird Erdgas mit Wasserdampf versetzt. Bei der dann ablaufenden zweistufigen Reaktion wird das im Erdgas enthaltene Methan zusammen mit dem Wasserdampf erst zu einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgewandelt. Im Anschluss Kohlenstoffmonoxid erneut mit Wasserdampf versetzt, sodass weiterer Wasserstoff frei wird und sich das Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid verbindet. Dieses bleibt als Abfallprodukt bestehen. Die Gewinnung von Wasserstoff im Reformer ist im Vergleich zur Elektrolyse deutlich weniger energieintensiv. Bei der Elektrolyse kommt der umgekehrte Prozess einer Brennstoffzelle zum Einsatz. Während diese aber Strom erzeugt, benötigt die Herstellung von Wasserstoff viel Strom. Diese Technologie macht daher nur Sinn, wenn die benötigte Energie aus erneuerbaren Energien kommt, beispielsweise aus einer Photovoltaikanlage oder Windenergieanlage.

Wasserstoff selbst herstellen: Was kostet eine Wasserstoffanlage?

Die Kosten, um Wasserstoff selbst herzustellen (und weiter zu verarbeiten), sind recht hoch. Eine Brennstoffzellenheizung mit integriertem Reformer gibt es für ein Einfamilienhaus bereits ab etwa 25.000 Euro. Der Vorteil ist, dass diese Anlage zusätzlich Strom produziert, sodass beispielsweise keine zusätzliche Photovoltaikanlage notwendig ist. Bei einer Brennstoffzelle ist es für die Langlebigkeit förderlich, die Anlage möglichst kontinuierlich durchlaufen zu lassen. Die Kombination mit einem Batteriespeicher, um den erzeugten Strom abnehmen zu können, ist daher empfehlenswert. Je nach Speichergröße- und Hersteller fallen dafür etwa 10.000 Euro an. Nutzt man dagegen ein System mit Elektrolyse ( zum Beispiel die Energiezentrale von picea ), fallen für das reine Gerät etwa 85.000 Euro an für ein Einfamilienhaus. Hinzu kommen dann aber die Kosten für eine Photovoltaikanlage, um den benötigten Strom zu erzeugen – je nach Größe der Anlage etwa 10.000 Euro. Der Strombedarf eines Elektrolyseurs, um ein Kilogramm Wasserstoff herzustellen, liegt bei etwa 40 bis 80 kWh; der Wasserbedarf bei etwa neun Litern.

Für die beiden Technologien zur Beheizung des Hauses gibt es über das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle im Zuge der Bundesförderung für effiziente Gebäude eine Förderung in Form einer Bezuschussung der Kosten.

H2: Wasserstoff selbst herstellen: Wie effizient ist die Herstellung von Wasserstoff?

Wasserstoff selbst hat einen hohen Energieanteil. Ausgehend von der Masse ist er deutlich höher als bei Erdgas oder Benzin. Zum Vergleich: Wasserstoff enthält 33,3 kWh pro kg, Erdgas dagegen nur 13,9 kWh pro kg. Benzin liegt leicht darunter mit 12,7 kWh pro kg. Bei der Herstellung von Wasserstoff selbst ist allerdings einiges an Energie notwendig. Das Statistische Bundesamt geht von einer Effizienz von Elektrolyseuren von siebzig Prozent aus; die Hersteller selbst geben bis zu neunzig Prozent an. Dies bedeutet, dass siebzig beziehungsweise neunzig Prozent der eingesetzten Energie auch im Wasserstoff gebunden und wieder verfügbar ist.

Ihre Heizung heizt trotz des richtig eingestelltem Thermostat nicht korrekt? Mit einem hydraulischen Abgleich werden alle Heizkörper im Haus wieder mit gleich viel Wärme versorgt – der Energiebedarf der Heizungsanlage sinkt erheblich, Geld wird gespart. Außerdem sind sogar die Kosten für den technischen Eingriff förderbar. Wir erklären, was Sie wissen müssen.

Kleine, wichtige Bauteile, die immer dann eine große Rolle spielen, wenn der Stromfluss temperaturabhängig geregelt sein soll: Das sind Heißleiter. Die genaue Funktionsweise des NTC-Widerstands und wo das Bauelement zum Einsatz kommt, erfahren Sie jetzt. 

Damit in Ihrem Gebäude immer gute Luft herrscht, sollten Sie die Luftwechselrate für jeden Raum kennen, überprüfen und gegebenenfalls anpassen. Was dahinter steckt und wie Sie sowohl mit Fensterlüftung als auch mittels einer Lüftungsanlage für einen optimalen Luftwechsel sorgen können, haben wir für Sie recherchiert. 

Wie gut heizen Erdgas, Propan und Biogas? Diese Frage lässt sich am einfachsten mit dem Brennwert erklären. Wir stellen Ihnen die Werte unterschiedlicher Gase vor und welche Faktoren eine Rolle spielen.

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Teste dein Wissen zum Thema Knallgasprobe!

Knallgasprobe.

Bei einer erfolgreichen Knallgasprobe hörst du einen leichten Knall! Aber wozu dient sie eigentlich? Das und wie du die Probe durchführst, erklären wir dir hier und im Video.

Knallgasprobe einfach erklärt

Knallgasprobe durchführung, knallgasprobe beobachtung und auswertung, knallgasreaktion, knallgasprobe — häufigste fragen, redoxreaktionen einfach erklärt.

Die Knallgasprobe ist ein chemisches Experiment für den Nachweis von Wasserstoff .

Wenn du überprüfen willst, ob ein bestimmtes Gas Wasserstoff ist, füllst du es dazu in ein Reagenzglas. Anschließend hältst du eine Flamme an die Öffnung des Glases. Abhängig davon, was dann passiert, kannst du deine Knallgasprobe deuten:

• Passiert nichts, ist kein Wasserstoff in deinem Gas vorhanden.
• Ertönt ein leises Verpuffen, ist das Gas reiner Wasserstoff .
• Ein lauter Knall sagt aus, dass Knallgas vorhanden ist.

Knallgas ist ein hochexplosives Gemisch aus den chemischen Elementen Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ). Die Knallgasprobe ist also wichtig, um Unfälle wie Explosionen bei der späteren Verwendung vom Wasserstoff zu vermeiden.

Bei der Knallgasprobe findet in der Regel eine sehr kleine Explosion statt. Führe diesen Versuch nur in einem Labor oder geeignetem Raum mit einer Aufsichtsperson durch. Vergiss nicht, Schutzkleidung und eine Schutzbrille zu tragen!

Im Folgenden schauen wir uns Schritt für Schritt an, wie du bei dem Experiment vorgehst.

Schritt 1: Herstellung von Wasserstoff

Zunächst muss das Gas  Wasserstoff (H 2 ) hergestellt werden. Es entsteht beispielsweise bei der Reaktion des Metalls Zink (Zn) mit Salzsäure (HCl) in einem Gasentwickler.

Schritt 2: „Auffangen“ von Wasserstoff

Damit das eben produzierte Wasserstoffgas nicht direkt wieder entwischt, musst du es „auffangen“. Das machst du am besten in einer Glaswanne , die mit Wasser gefüllt ist. Du tauchst ein leeres Reagenzglas in die Wanne, bis es ganz voll mit Wasser ist.

Anschließend stellst du es mit der Öffnung nach unten auf und leitest den Wasserstoff über einen Schlauch hinein. Dabei verdrängt das Gas das Wasser im Reagenzglas.

Befindet sich kein Wasser mehr im Reagenzglas, verschließt du es, damit das Gas nicht entweichen kann. Das machst du am besten mit einem Stopfen oder deinem Daumen.

Schritt 3: Nachweis

Da du bei dem Experiment herausfinden willst, ob sich Wasserstoff in deinem Reagenzglas befindet, musst du genau   das im letzten Schritt testen. Dafür hältst du das Reagenzglas in die Nähe einer Flamme — zum Beispiel von einem Bunsenbrenner.

Ertönt ein Geräusch, wie zum Beispiel ein leises Verpuffen oder ein lauter Knall , ist der Nachweis von Wasserstoff positiv. Das heißt, Wasserstoff ist in deinem Reagenzglas enthalten. Außerdem wirst du sehen, dass das Glas von innen etwas feucht geworden ist. Das liegt daran, dass sich Wasser gebildet hat.

Aber wie kommt es zu dem Geräusch? Das Verpuffen ertönt, wenn reiner Wasserstoff abbrennt. Der laute Knall entsteht, wenn sich vor dem Anzünden der Wasserstoff mit Sauerstoff vermischt hat ( Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion ). Das Gas, das sich so bildet, nennst du Knallgas. Daher kommt auch der Name für das Experiment.

Am heftigsten ist die Reaktion, wenn in dem explosiven Gemisch zweimal so viel Wasserstoff wie Sauerstoff vorhanden ist (Verhältnis 2:1).

Wir haben dir die möglichen Beobachtungen mit der zugehörigen Auswertung der Knallgasprobe noch einmal in einer Tabelle z usammengefasst:

Bei dem Experiment entsteht also – wenn es denn positiv ausfällt – das sogenannte Knallgas. Die Reaktionsgleichung für das Experiment sieht dabei so aus:

2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

Es reagieren also Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Damit ist der Nachweis von Wasserstoff erfolgreich.

• Was ist die Knallgasprobe? Die Knallgasprobe ist der Nachweis von Wasserstoff . Sie wird zur Überprüfung der Reinheit des Wasserstoffs verwendet, um eine Explosion bei seiner späteren Verwendung zu vermeiden. Ein lauter Knall bedeutet, dass ein Wasserstoff-Luftgemisch vorliegt. Dieses Gemisch wird als Knallgas bezeichnet.
• Wie funktioniert der Wasserstoff Nachweis? Wasserstoff wird mit der Knallgasprobe nachgewiesen. Dafür füllst du das Gas, welches du untersuchen willst, in ein Reagenzglas, und hältst eine Flamme an die Öffnung. Ist das Gas Wasserstoff, ertönt ein Pfeifen oder ein leichter Knall.
• Wie sieht die Reaktionsgleichung für Knallgas aus? Die Reaktionsgleichung der Knallgasprobe sieht folgendermaßen aus: 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

Die Knallgasreaktion ist genau genommen eine Redoxreaktion . Das ist eine chemische Reaktion, bei der ein Reaktionspartner Elektronen an einen anderen Reaktionspartner abgibt. Wie du dazu eine Redoxgleichung aufstellen kannst, lernst du in unserem nächsten Video . Bis gleich! 

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Energieträger der Zukunft: Kann man Wasserstoff selbst herstellen?

Kein anderes Element soll bei der Klimawende eine so große Rolle spielen wie Wasserstoff.

Quelle: Fabian Sommer/dpa

Nachhaltig gewonnener Wasserstoff gilt als grünes Wundergas und soll die Energiewende voranbringen. In Deutschland ist die Herstellung derzeit allerdings noch sehr energie- und kostenintensiv. Doch könnte man Wasserstoff vielleicht einfach direkt zu Hause produzieren?

Er gilt als klimafreundlich und kann durch Wind- und Solarenergie erzeugt werden: grüner Wasserstoff. In Zeiten der Gasknappheit rückt der Kraftstoff zunehmend als Energielieferant in den Fokus. Es gibt jedoch ein Problem: Die Ressourcen sind in Deutschland noch knapp.

Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff als chemisches Element kommt auf der Erde nur in Form von Verbindungen vor, erklärt der Verband Zukunft Gas e.V. gegenüber dem RedaktionsNetzwerk Deutschland (RND). „Somit muss Wasserstoff erzeugt werden und ist wie Strom keine Primär-, sondern Sekundärenergie.“ Im Sinne der Wende von fossiler Energie hin zu erneuerbaren Energien ist besonders der sogenannte grüne Wasserstoff von Bedeutung, also Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie produziert wird.

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Diese Umwandlung gelingt umweltschonend zum Beispiel mithilfe von Solar- oder Windenergie, so der Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (BDEW) . Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen, ist die sogenannte Elektrolyse. Dabei wird mithilfe von elektrischem Strom Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) getrennt, erklärt das Umweltbundesamt . Bei dieser Redoxreaktion wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt – ein ähnlicher Prozess wie etwa bei Brennstoffzellen. Der Unterschied ist jedoch ein ganz entscheidender: Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff entsteht kein CO₂.

Strom, Gas und Energie werden teurer: So kann man im Alltag Geld sparen

Grundsätzlich hilft gegen die steigenden Energiepreise, seine Ausgaben zu kalkulieren und einen Überblick über die Fixkosten zu haben.

Quelle: RND

Lässt sich Wasserstoff privat herstellen?

Wer sich unabhängig von externen Versorgerinnen und Versorgern machen möchte, hat inzwischen tatsächlich die Möglichkeit, kompakte Wasserstoffsysteme im Eigenheim wie das des Berliner Start-ups Home Power Solutions zu integrieren . Die rund 1,5 Quadratmeter große Anlage nutzt Strom, der zum Beispiel aus einer Fotovoltaikanlage stammt, um im Sommer mittels Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren. Der Wasserstoff wird dann in Gasflaschen gespeichert, die aus Sicherheitsgründen außerhalb des Hauses gelagert werden.

Im Winter wird dieser Prozess umgekehrt und aus dem gespeicherten Wasserstoff wird wieder Strom gewonnen. Mit diesem kann dann beispielsweise eine Heizung betrieben werden. Die Speicherung und Nutzung erfolgt komplett emissionsfrei.

Doch der Preis für private Wasserstoffsysteme hat es in sich: So kosten kleinere Systeme in Deutschland beispielsweise rund 85.000 Euro. Größere Systeme fürs Eigenheim schlagen sogar mit mehr als 125.000 Euro zu Buche.

Die Umwandlung von Energie in Wasserstoff ist nicht sonderlich effizient

Aus Sicht der Verbraucherzentrale Schleswig-Holstein kann Wasserstoff Erdgas als Energieträger für private Haushalte in absehbarer Zeit noch nicht ablösen. Das Problem: Überschüssiger Strom aus Windkraft- und Solaranlagen wird in Deutschland für die Produktion von grünem Wasserstoff nicht ausreichen. Daher sind auch für die Wasserstoffproduktion allgemein andere Stoffe wie etwa Erdgas nötig.

Bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff und zurück gehe zudem eine Menge Energie verloren. „Deshalb ist es sinnvoller und effizienter, Strom aus erneuerbaren Energien möglichst direkt vor Ort zu nutzen oder mithilfe des voranschreitenden Netzausbaus in anderen Gegenden zu nutzen“, heißt es auf der Internetseite der Verbraucherzentrale.

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Wasserstoff als beimischung für klassische gasheizungen.

Der Verband Zukunft Gas e.V. sieht allerdings eine Chance in der Kombination von Brennstoffzellenheizungen und Wasserstoff. Derzeit werden ungefähr die Hälfte der Wohnungen und Häuser in Deutschland mit Gas beheizt. „Moderne Gasheizungen sind nicht nur effizient, sondern auch Wasserstoff-ready: Bereits heute können sie bis zu 20 Prozent Wasserstoffbeimischung problemlos verarbeiten“, so der Verband.

Für die Herstellung von grünem Wasserstoff braucht es vor allem einen Ausbau der erneuerbaren Energien, betont der BDEW. Die hierzulande benötigten Mengen können derzeit noch nicht allein in Deutschland produziert werden. Aktuell sind deswegen bereits Kooperationsideen mit Australien im Gespräch.

Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien, der nicht in das Stromnetz eingespeist werden kann, wird aktuell in Deutschland abgeregelt, so Zukunft Gas e.V. Stattdessen könnte er aber für die Herstellung von Wasserstoff genutzt werden.

Die Herstellung von Wasserstoff ist derzeit zudem noch sehr energieintensiv. Daher ist er noch deutlich teurer als fossile Energieträger. „Sicher ist allerdings, dass grüner Wasserstoff umso günstiger wird, je günstiger sich erneuerbarer Strom produzieren lässt und je weiter die Entwicklung der Wasserelektrolyse fortschreitet“, stellt der BMBF klar.

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So erzeugen Sie selbst Wasserstoff und versorgen sich mit Strom im Winter

Als bislang einziger Anbieter offeriert HPS Home Power Solutions mit den Picea-Systemen die Möglichkeit, sommerlichen Überschussstrom aus dem Solargenerator per Elektrolyse in Wasserstoff zu speichern.

Das System nutzt regenerativen, selbst erzeugten Wasserstoff als Arbeitsgas für die Brennstoffzelle. Der Wasserstoff wird im Sommer im Elektolyseur gewonnen, wenn überschüssiger Sonnenstrom zur Verfügung steht. Ein vom TÜV zertifizierter Wasserstofftank nimmt das Gas auf, um es für die sonnenschwachen Monate vorzuhalten. So wirkt der Wasserstoff als Saisonalspeicher.

System in Feldtests optimiert

Picea leistet bis zu acht Kilowatt elektrischer Leistung aus der Batterie und speist den Strom einphasig ins Hausnetz ein. Bis zu 20 kW sind kurzzeitig abrufbar. Dieses System muss nicht mit dem Netz gekoppelt sein, es kann ein Wohngebäude durchaus als autarke Insel versorgen.

Die Leistungselektronik ist für verschiedene Betriebsarten mit oder ohne Netz vorgesehen. „Wir haben mit verschiedenen Anbietern, unter anderem mit SMA, Victron und Studer, getestet“, erläutert Abul-Ella, Geschäftsführer von HPS Home Power Solutions. „Während der Tests haben wir wertvolle Erkenntnisse gewonnen, um das System zu optimieren.“

Ziel war es, den Eigenstrombedarf der Lüftungstechnik im System und der Leistungselektronik zu senken. Je effizienter das Picea-System läuft, umso sparsamer nutzt es den Wasserstoff im Winterbetrieb, wenn wenig Sonnenstrom zur Verfügung steht. „Im Prototyp hatten wir einen großen Inselwechselrichter für acht Kilowatt, der aber 95 Prozent der Zeit in sehr niedriger und ungünstiger Teillast lief“, erzählt Abul-Ella. „Jetzt haben wir zwei Wechselrichter mit jeweils vier Kilowatt. Einer deckt die Grundlast, der andere läuft Stand-by und springt ein, um Spitzenbedarf abzufangen. Dadurch sinkt der Eigenstrombedarf des Systems.“

Durch diese Redundanz erhöht sich zudem die Ausfallsicherheit, denn notfalls kann das System mit nur einem Wechselrichter laufen. Vereinfacht wurde beispielsweise die Montage: Statt mehrerer Anschlüsse für verschiedene Kommunikationssysteme muss der Installateur künftig nur noch ein Kommunikationskabel anschließen.

Wasseraufbereitung integriert

War beim Prototyp die Wasseraufbereitung noch in einem separaten System an der Wand neben dem Picea-Schrank installiert, ist sie nunmehr im Schrank enthalten.

Um den Sonnenstrom zu puffern und den Betrieb der Brennstoffzelle zu optimieren, verfügt das Picea-System über eine integrierte Solarbatterie . Derzeit wird ein Blei-Gel-Speicher verwendet, mit 25 Kilowattstunden nutzbarer Kapazität. Er deckt kurzzeitige Stromspitzen und den Nachtstrombedarf ab. Das Energiemanagementsystem nutzt die Batterien sehr schonend, um eine möglichst lange Lebensdauer zu erreichen.

Blei-Gel-Batterie puffert für die Nacht

Zulieferer sind beispielsweise Hoppecke oder BAE. „Wir können auf Lithiumspeicher umsteigen, wenn diese Speicher kostengünstiger werden“, stellt Zeyad Abul-Ella in Aussicht. „Wichtig ist für uns, dass die Batterien brandsicher sind. Unser Energiemanagementsystem vermeidet Tiefenentladung.“

Die technische Sicherheit des Systems stand bei HPS von Beginn der Produktentwicklung an ganz oben auf der Agenda. „Wir haben ein spezielles Sicherheitskonzept erarbeitet, mithilfe eines externen Experten für Wasserstoff“, verrät Zeyad Abul-Ella. „Das Picea-System erfüllt alle Anforderungen gemäß Produktsicherheit. Das Thema ist abgehakt.“

Ein Tank mit 300 Bar

Der Wasserstofftank richtet sich nach der Größe der Photovoltaikanlage und nach dem Strombedarf im Winter. „Die Tanks sind für 300 Bar konzipiert und nach deutschen Sicherheitsstandards zertifiziert“, erläutert Abul-Ella. Diese Wasserstofftanks kommen ohne spezielle Gaswarnanlage oder Zwangsbelüftung aus, sind also hermetisch dicht. Die Gasleitung zwischen Picea-System und Gastank ist unscheinbar: Sechs Millimeter Edelstahlrohr reichen aus. Sollte einmal der Druck im System abfallen, schließen Wasserstofftank und Elektrolyseur automatisch die Zufuhr und das System schaltet sich ab.

Bisher ist das System auf einen Jahresstrombedarf von 3.000 bis 6.000 Kilowattstunden ausgelegt. Der Wasserstoffspeicher braucht zwischen drei und sieben Quadratmeter Grundfläche. Gegebenenfalls verschwindet er im Carport, in einem kleinen Anbau oder im Erdreich. Er wird wie ein üblicher Flüssiggastank installiert, ist etwa mannshoch. Das Kompaktgerät im Inneren des Gebäudes benötigt eine Aufstellfläche von 1,5 Quadratmetern. Komplett installiert wiegt es rund 700 Kilogramm.

Sonnenstrom als Gas bunkern

Im Sommer springt die PEM-Brennstoffzelle nur ein, wenn der Sonnenstrom partout nicht ausreicht. Erst in der Übergangszeit läuft sie an, um den Hausstrombedarf zu decken. Dann leistet sie bis zu 1,5 Kilowatt.

Die Brennstoffzellenstacks werden zugekauft, komplettiert werden die Module bei HPS in Berlin. Im Winter läuft die Brennstoffzelleneinheit mehr oder weniger rund um die Uhr und nutzt die Speicherbatterie als Puffer.

So gesehen, ist Picea ein stromgeführtes System, die Abwärme wird lediglich über die Wohnungslüftung genutzt. Das Gerät steuert sich komplett selbst, ohne Eingriffe von außen. Und es arbeitet nahezu geräuschlos. Die gesamte Leistungselektronik inklusive der beiden inselfähigen Wechselrichter ist integriert.

Interessantes Servicekonzept

Interessant ist das Servicekonzept, mit dem HPS an den Start geht. Der Systemschrank ist bei allen Varianten gleich. Alle Baugruppen sind als leicht austauschbare Einschübe konstruiert.

Das System ist werkseitig vorverkabelt. „Wir übernehmen mit unserer Garantie das Risiko, dass man im Laufe der Zeit den Stack der Brennstoffzelle tauschen muss“, erläutert Henrik Colell. „Die Wasserstoffkomponenten kann jeder geschulte Installationsbetrieb austauschen.“

Für das Picea-System kann der Bauherr die Förderung nach dem KfW-Programm 433 in Anspruch nehmen. Hinzu kommen regionale Förderprogramme für Stromspeicher oder besonders effiziente Gebäude. Der Systempreis wird von HPS mit 54.000 Euro netto angegeben. Dafür winkt echte Autarkie vom Stromnetz.

HPS steht vor der Serienfertigung, das ist ein wichtiger Erfolg. Das Unternehmen, das vor vier Jahren mit zwei Schreibtischen begann, beschäftigt mittlerweile mehr als 50 feste Mitarbeiter, hinzu kommt ein Dutzend Studenten.

Service und Vertrieb aufbauen

Zurzeit werden Vertrieb und Servicenetz aufgebaut. Die weiteren Aussichten sind gut, das Ziel ist der Massenmarkt. Ein wichtiges Etappenziel wurde geschafft, wie Zeyad Abul-Ella bestätigt: „Bei der jetzigen Generation des Picea haben wir die Kosten gegenüber den ersten Testgeräten halbiert.“

 „Wir freuen uns, die Auslieferung der ersten kommerziellen Picea-Systeme melden zu können“, sagt Zeyad Abul-Ella, Geschäftsführer von HPS Home Power Solutions. „Dies ist ein großes Ereignis für das Unternehmen, aber auch für unsere Investoren, Partner und Kunden. Sie beweisen echten Pioniergeist. Damit wird der Traum von unabhängiger Energie im Eigenheim Wirklichkeit.“

Nach Auffassung von Henrik Colell, gleichfalls Geschäftsführer von HPS, werden durch den Start der Auslieferung auch die Prozesse mit den Partnern und Installateuren optimiert. „Dabei profitieren wir von den umfangreichen Erfahrungen, die wir durch intensive Feldtests in verschiedenen Regionen Deutschlands sammeln konnten.“

HPS ist 2015 gestartet und hat 2017 erstmals einen Prototyp von Picea vorgestellt. Im vergangenen Jahr wurde damit begonnen, die ersten Bestellungen aus Deutschland einzusammeln, das Vertriebsnetz aufzubauen und die Serienfertigung vorzubereiten.

Fabrik kommt in die Gänge

Im Frühjahr 2019 soll die kleine Fabrik anlaufen. „Dort können wir locker zwischen 150 bis 200 Geräte im Jahr bauen“, berichtet Zeyad Abul-Ella beim Besuchstermin vor Ort. „2019 wollen wir rund 100 Geräte in den deutschsprachigen Markt ausliefern.“

Die ersten Bestellungen aus der Schweiz sind eingegangen, auch in Österreich wird der Vertrieb demnächst beginnen. Die ersten Picea-Systeme wurden von HPS-Mitarbeitern in Begleitung durch zukünftige Vertriebspartner installiert. Mit zunehmender Anzahl der ausgelieferten Systeme nehmen die Vertriebspartner die Installation eigenständig vor. Partner können Fachhandwerksbetriebe werden, die Elektro, Lüftung und Heizung aus einer Hand anbieten. HPS wurde bereits von mehr als 400 Betrieben kontaktiert.

Mit 100 Geräten als Zielmarke für dieses Jahr stößt HPS in die oberste Liga der Anbieter von Brennstoffzellentechnik für Eigenheime vor, neben Solidpower (Bluegen) und Viessmann.

Der Beitrag ist zuerst erschienen in: Photovoltaik 01/02-2019.

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HPS Home Power Solutions AG

Wie man Wasserstoff herstellt (wissenschaftliches Experiment)

Dieser Artikel wurde von Bess Ruff, MA, mitverfasst . Bess Ruff ist Doktorandin der Geographie an der Florida State University. Sie erhielt 2016 ihren MA in Umweltwissenschaften und -management von der University of California in Santa Barbara. Sie hat Vermessungsarbeiten für Projekte zur Meeresraumplanung in der Karibik durchgeführt und als Absolventin der Sustainable Fisheries Group Forschungsunterstützung geleistet. Dieser Artikel wurde 43.064 mal angesehen.

Kinder und Erwachsene sind oft von Wissenschaft und Chemie fasziniert. Eine gute Möglichkeit, ein Publikum in einem Klassenzimmer oder zu Hause zu unterhalten, besteht darin, eigenen Wasserstoff herzustellen. Wasser und Säuren enthalten Wasserstoff, den Sie trennen können, um reines Wasserstoffgas herzustellen. Sie können Wasserstoffgas mit Strom aus dem Wasser entfernen. Säuren sind manchmal sogar einfacher zu verwenden, da viele Säuren mit Metallen wie Aluminium reagieren und Wasserstoffgas erzeugen. Denken Sie daran, vorsichtig zu sein, Wasserstoffgas kann explodieren.

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• Wenn Sie mit diesem Experiment nicht vertraut sind, beginnen Sie mit einer Tasse Wasser. Zu viel Wasserstoff zu produzieren kann gefährlich sein.
• Kinder sollten dieses Experiment nur mit einem verantwortlichen / sachkundigen Erwachsenen durchführen.
• Geben Sie einen Esslöffel Salz in das Wasser, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Salz hilft dabei, den elektrischen Strom zu leiten.

• Ein tragbares Netzteil ist für dieses Experiment gut geeignet, da dieses Experiment außerhalb oder unter einem Abzug durchgeführt werden sollte.
• Während Batterien im Allgemeinen nicht gefährlich sind, sollten Sie dennoch Gummihandschuhe tragen, um einen Schock zu vermeiden.
• 3 Schließen Sie eine Büroklammer an jeden Anschluss der Batterie an. Dadurch werden eine Anode (die negative Büroklammer) und eine Kathode (die positive Büroklammer) erstellt. Wickeln Sie einfach die Büroklammern um die Anschlüsse der Batterie, bis sie sicher sind.

• Achten Sie darauf, die Büroklammern nicht zusammen zu berühren.

• Sie könnten ein drei mal drei Zoll großes Quadrat Aluminiumfolie in Stücke von der Größe Ihres Daumens zerreißen.

• Ein Beispiel für die Explosion von Wasserstoffgas ist die Hindenburg.

• Beginnen Sie mit etwa zwei Unzen Salzsäure und fügen Sie bei Bedarf weitere hinzu.

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Wasserstoff herstellen – einfacher als gedacht

Wasserstoff statt öl. der wasserstoffmotor als brückentechnologie..

Wasserstoff als Energieträger lange schon bekannt

Wasserstoff in Verbrennungsmotoren

Warum Motoren Kohlenwasserstoff benötigen

Wasserstoff und die Öko-Bilanz

Wasserstoff als Brückentechnologie

Generell lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad bei wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren besser ist als bei Benzinmotoren und Gasmotoren. Dies kommt zustande, da der Verbrennungsprozess im Motor aufgrund der hohen Brenngeschwindigkeit des knallgasähnlichen Luftgemischs dem thermodynamisch günstigen Gleichraumprozess näher kommt als der Benzinmotor. Genauer gesagt liegen Zünd- und Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs höher.  Dadurch ist ein Motorwirkungsgrad von bis zu 40% möglich (Stand 1991). Daniel Dingel und Stabley Meyer hatten die wohl bekanntesten Wasserautos gebaut und fuhren zu 100% mit Wasser.

Moped fährt mit Wasser

Die verschiedenen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff

Adolf Schneider erläutert in einem Fachvortrag die heute bekannten Methoden zur Herstellung von Wasserstoff und ihre Nutzung. So sticht ganz besonders die Methode der Resonanz-Elektrolyse durch elektrische Schwingkreise hervor, da im Gegensatz zur klassischen Elektrolyse damit wesentlich geringere Strommengen benötigt werden. In der Bilanz bedeutet das, dass man mit der Verbrennung von Wasserstoff in einem Notstromaggregat mehr elektrischen Strom erzeugen kann, als das Resonanz-Elektrolyse Verfahren benötigt. Wir sprechen hierbei von einem Overunity-Effekt.

Mehr erfahren im Video: HHO herstellen – einfacher als gedacht

Mehr über Wasserstoff im Shop Buchempfehlungen:

DVD mit Vorträgen vom Kongress in Waldenburg vom 9./1. Juni 2012 Am 09./10. Juni 2012 trafen sie sich wieder. Führende Köpfe der Freien Energie Szene stellten ihre aktuellsten Ergebnisse vor. 8 Vorträge auf DVD in 357 min zum Thema “Innovative Wasserstoff- und Magnettechnologien”

Die jüngsten Meldungen über umgebaute Fahrzeuge, deren Motoren mit Wasser fahren, lassen immer mehr Umweltexperten und Autobenützer aufhorchen. Sollte an den zahlreichen Berichten in der in- und ausländischen Presse doch etwas dran sein?

In diesem Buch werden zahlreiche Verfahren beschrieben, wie ein Benzinauto auf Mischtreibstoff mit Bio-Ethanol oder auf eine Mischung mit bis 80% Wasser und 20% Benzin umgestellt werden kann.

• Daniel Dingel
• Freie Energie
• Schwingkreis
• Stanley Meyer
• Wasserstoff

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3 kommentare.

Das ist aber kein Wasserstoff, sondern Knallgas. Ein ganz ganz großer Unterschied!

Es sind doch immer wieder die gleichen, bei denen der Körper und der Verstand aussetzt wenn “Knallgas” genannt wird. Das HHO hat 33 % Sauerstoff, und 66 % Wasserstoff, oder nicht? Man kann es einatmen zur Therapie, das Energie bis 5900 Grad Celsius erzeugt, ein katalytisches Material zu glühen bringt ohne Flamme, weitere Vorteile nicht genannt. Wissenschaftliche Untersuchungen sind verboten, warum? Würde das das System kippen?

Wasserstoff ist eben ohne den Sauerstoff! Das weiß jeder der in die Schule gegangen ist, du Knaller….

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Klimaneutrale Energie

Wasserstoffkraftwerk für privathaushalte entwickelt.

12. Mai 2021 12:53 Robert Klatt

Ein neues Mini-Kraftwerk kann im eigenen Garten klimaneutral Wasserstoff erzeugen.

Potsdam (Deutschland). Wasserstoff ist ein besonders klimafreundlicher Energieträger, wenn in der Herstellung die Elektrolyse von Wasser mit Strom aus Wind- oder Sonnenkraft durchgeführt wird. Bisher existierende Pilotprojekte sind primär auf die großtechnische Erzeugung zum Beispiel an Offshore-Windanlagen oder bei großen Solarparks ausgerichtet. Sie stehen also in Gegenden, wo kaum Privathaushalte oder andere Verbraucher existieren. Der Wasserstoff muss deshalb ähnlich wie Erdöl erst aufwendig über weite Entfernungen transportiert werden.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP  und des BTU Cottbus haben nun gemeinsam eine Anlage entwickelt, mit der Privathaushalte im eigenen Garten Wasserstoff produzieren können. Der zur Elektrolyse benötigte Strom der Anlage wird durch eine kleine, besonders effiziente Windkraftanlage klimaneutral erzeugt.

Neue Rotorblätter benötigen wenig Wind

„Das Windrad wird so klein ausgelegt sein, dass sich auch Privatleute eine solche Anlage in den Garten stellen können“, erklärt Holger Seidlitz. Dank der neuen Bauweise produziert der Propeller bereits bei wenigem Wind Strom. „Wir haben das Design der Rotorblätter daran angepasst und ihre Masse im Vergleich zu herkömmlichen Kleinwindanlagen um rund 30 Prozent verringert“, sagt Marcello Ambrosio.

Gleichzeitig sind die Rotoren aus einem speziellen Faserverbundwerkstoff so konzipiert, dass sie auch bei sehr starkem Wind nicht kaputtgehen. Bei einem Sturm verformen sich die Rotoren elastisch und reduzieren so die Belastung. „Damit drosselt die Anlage von allein die Rotationsgeschwindigkeit und nimmt keinen Schaden“, erklärt Seidlitz. Komplexe Steuertechnik und Mechanik wie bei großen Windkraftanlagen ist somit überflüssig.

Wasserstoffproduktion vor Ort

Anschließend wird der klimaneutral erzeugte Strom verwendet, um vor Ort Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. „Der Wasserstoff wird vor Ort in einem kleinen Elektrolyseur erzeugt und im Tank gespeichert“, erklärt Seidlitz. Verwendet werden kann der Wasserstoff dann zum Beispiel zum Antrieb einer Brennstoffzelle, die Strom und Wärme liefert oder um Wasserstoffautos zu Hause zu betanken.

Zylindrische Tanks aus Carbonfaser-Streifen

In der Industrie wird Wasserstoff meist in druckfesten Stahlbehältern gelagert. Diese benötigen aber viel Material und sind dank ihres hohen Gewichts für Privathaushalte ungeeignet. Die Wissenschaftler haben deshalb einen zylindrischen Tank entwickelt, der aus mit Kunstharz getränkten Carbonfaser-Streifen produziert wird. Integrierte Sensoren sollen eventuelle Leckagen früh bemerken und damit die Sicherheit beim Endkunden garantieren. „Aktuell arbeiten wir mit 3D-Druckern, die elektrisch leitfähige Tinten verarbeiten können. Diese arbeiten wir direkt in den Faserverbund ein“ erklärt Marcello Ambrosio.

Wann das fertige System auf den Markt kommen soll, ist noch nicht bekannt. Das australische Unternehmen Lavo hat mit dem Green Energy Storage System bereits eine ähnliche Lösung entwickelt, die im vierten Quartal 2021 für unter 20.000 Euro auf den Markt kommen soll. Statt eines Windkraftwerks wird der Strom in diesem Fall aber durch Solarzellen erzeugt, die im Preis noch nicht enthalten sind.

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Durch Elektrolyse aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff erhalten

Dieser Artikel wurde unter Mitarbeit von Bess Ruff, MA erstellt. Bess Ruff ist eine Doktorandin der Geographie an der Florida State Univeristy. Ihren Masterabschluss in Umweltwissenschaften und -management machte sie 2016 an der University of California in Santa Barbara. Sie führte Befragungsarbeit für Planungsvorhaben des Meeresraumes in der Karibik durch und unterstützte als Stipendiatin die Sustainable Fisheries Group in ihrer Forschung. Dieser Artikel wurde 26.120 Mal aufgerufen.

Der Prozess, Wasser (H 2 O) durch Elektrizität in seine Komponenten Sauerstoff und Wasserstoff zu teilen, nennt sich Elektrolyse. Dieses Experiment hat signifikante Auswirkungen in Bezug auf die Einsatzmöglichkeiten der beiden Gase jeweils für sich genommen. Wasserstoff ist eine der saubersten Energiequellen, die wir haben. Es klingt zwar kompliziert, ist aber tatsächlich viel einfacher als du denkst, wenn du das richtige Equipment hast und weißt, was du tun musst.

Vorgehensweise

Bau dein equipment auf.

• Du kannst entweder Leitungswasser oder Flaschenwasser benutzen.
• Wärmeres Wasser hat eine geringere Viskosität und erlaubt eine freiere Bewegung der Ionen, die die Elektrizität leiten.

• Natriumchlorid (das nichts anderes ist als Tafelsalz) ist ein Elektrolyt, das die Leitfähigkeit des Wassers erhöht, denn reines Wasser leitet nicht besonders gut.
• Indem du die Leitfähigkeit des Wassers erhöhst, kann der Strom von der Batterie leichter durch das Wasser fließen, wodurch es besser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden kann.

• Die Minen aus Graphit in den Bleistiften sind deine Elektroden, die den Strom aus der Batterie weiterleiten.
• Graphit funktioniert deshalb so gut, weil es sich im Wasser nicht auflöst oder verändert, während du das Experiment durchführst.

• Die Pappe soll die Bleistifte stützen, sodass die Minen stabil im Wasser hängen, ohne den Rand des Glases zu berühren.
• Da Pappe keine metallischen Eigenschaften hat, kannst du sie auf das Glas legen, ohne dass sie das Ergebnis des Versuchs beeinflussen wird.

Führ dein Experiment durch

• Du kannst eine 6V-Batterie benutzen oder, wenn du keine findest, eine 9V-Batterie.
• Du bekommst diese Art von Batterie in so gut wie jedem Supermarkt oder Kaufhaus.

• Auf diese Weise schließt du den Stromkreis und ermöglichst dem Strom, von der Batterie ins Wasser zu fließen.

• Damit das Experiment funktioniert, darf das Graphit nicht das Glases berühren, deshalb vergewissere dich noch einmal, dass alles richtig sitzt.

• Der Strom beginnt sofort zu fließen, wenn du die Klemmen an die Batterie und die Graphitminen angeschlossen hast.
• An dem Wasserstoff-Bleistift werden mehr Blasen aufsteigen, weil Wasser doppelt so viel Wasserstoff wie Sauerstoff in jedem Molekül enthält.
• Wenn du keine echten Graphitbleistifte finden kannst, kannst du auch kleine Drähte benutzen und sie jeweils mit einem Ende um einen Batteriepol wickeln und das andere Ende ins Wasser hängen. Der Effekt wird derselbe sein wie mit Bleistiften.
• Probier es mit unterschiedlich großen Batterien aus, denn dadurch verändert sich die Stromstärke und damit die Geschwindigkeit, mit der die Moleküle gespalten werden.
• Führ dieses Experiment auf jeden Fall unter Aufsicht eines Erwachsenen durch, denn du arbeitest mit Strom. Auch wenn bei diesem Experiment kaum etwas schiefgehen kann, sicher ist sicher.
• Wenn du Elektrolyte wie Salz ins Wasser gibst, um die Leitfähigkeit zu erhöhen, entsteht als Nebenprodukt eine kleine Menge Chlor. Es ist nicht genug, um gefährlich zu sein, aber du wirst eventuell einen schwachen Chlorgeruch wahrnehmen.

Was du brauchst

• Zwei HB-Bleistifte
• Eine 6V- oder 9V-Batterie
• Ein 350 ml fassendes Glas
• Zwei Krokodilklemmen

Verwandte wikiHows

• ↑ https://learning-center.homesciencetools.com/article/electrolysis-science-project/
• ↑ http://www.terrificscience.org/lessonpdfs/PencilElectrolysis.pdf
• ↑ https://orbitingfrog.com/2014/11/02/electrolysis-of-water-with-pencils-and-a-9v-battery/

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Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften

Wasserstoff herstellen und pneumatisch auffangen

Im Video wird gezeigt, wie Wasserstoff durch Reaktion von Zinkgranalien mit Salzsäure hergestellt und anschließend pneumatisch aufgefangen wird. Eine (negative) Knallgasprobe zum Nachweis des Gases schließt das Video ab.

Weitere Infos über #UniWuppertal:

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${intro} ${title}

${intro} .plus-icon-svg-rec { fill: #14315b; } .plus-icon-svg-path { fill: #f2f2f2; } .dark .plus-icon-svg-rec { fill: #f2f2f2; } .dark .plus-icon-svg-path { fill: #323232; } ${title}, selbst gemachter solar-wasserstoff wird stromquelle für zu hause.

Mit Wasserleitung und Solarzellen können Australier nun selbst Wasserstoff erzeugen und später zu Strom machen. Das System konkurriert mit Teslas Powerwall.

Ein Lavo Green Energy Storage System ist knapp 1,7 Meter hoch gut 1,2 Meter breit und 40 Zentimeter tief. Für mehr als 5 kW Dauerleistung können mehrere Systeme parallel betrieben werden.

(Bild: Lavo)

• Torge Löding

Eine Wasserstoff-Alternative zu Lithium-Akkus wie Teslas Powerwall hat das australische Unternehmen Lavo entwickelt. Das Lavo Green Energy Storage System kann an der Hauswand angebracht werden und tagsüber überschüssige Solarenergie als Wasserstoff speichern. Eine Brennstoffzelle macht ihn später wieder zu Strom.

Das etwas klobige Lavo System wird an den (Hybrid-)Solar-Wechselrichter und die Wasserleitung angeschlossen. Liefern die Solarzellen mehr Strom als benötigt, elektrolysiert das System Wasser. Der Sauerstoff aus Wassermolekülen wird freigesetzt, der Wasserstoff in einem patentierten Metallhydrid-"Schwamm" bei einem Druck von 30 bar oder 435 psi gespeichert.

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Lavos Werbespot

Der erste Wasserstoffakku für Privathäuser solle eine Alternative für Lithium-basierte Akkus werden. Lavos System soll doppelt so lange halten wie Teslas Powerwall 2 und ohne giftige Chemikalien auskommen. Auch verzichtet der Energiespeicher (bis auf einen 5-kWh-Pufferakku) auf das Element Lithium, dessen Abbau in Ländern wie Bolivien zu Umweltzerstörung und internationalen politischen Konflikten führt.

Parallelbetrieb für mehr Leistung

(Bild: Lavo)

Das Lavo Green Energy Storage System speichert etwa 40 Kilowattstunden Energie; genug, um einen durchschnittlichen Haushalt zwei Tage lang zu versorgen. Wird die Energie benötigt, macht eine Brennstoffzelle aus dem Wasserstoff wieder Strom. Unternehmen mit höherem Energiebedarf können mehrere Anlagen parallel betreiben, um ein "intelligentes virtuelles Kraftwerk" zu bilden.

Außerhalb Australiens möchte Lavo sein System ab dem vierten Quartal nächsten Jahres anbieten, zu Kosten von umgerechnet weniger als 20.000 Euro. Die Solarzellen sind dabei nicht mitgerechnet.

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Das Tech-Magazin Newatlas hat sich das innovative System genauer angeschaut und findet neben Lob auch Kritikwürdiges: Da wäre der Sicherheitsaspekt und die Frage, ob der Speicher tatsächlich so feuerresistent ist wie der Hersteller es verspricht.

Wandlungsverluste

Und die Effizienz: Akkumulatoren speichern und geben Energie mit minimalen Verlusten ab; für jede Kilowattstunde, die eine Solar-Dachanlage erzeugt und in einen Akku steckt, gibt sie mehr als 90 Prozent davon zurück. Der Prozess der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse mit einer Protonenaustauschmembran sei nur zu etwa 80 Prozent effizient.

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Underground sun conversion: sommerliche energieernte für den winter.

Bei der Rückumwandlung in Strom gehe sogar etwa die Hälfte der gespeicherten Energie verloren. Spaßkiller sei schließlich die maximale Dauerleistung eines einzelnen Green Energy Storage Systems von 5 kW. Sie dürfte durch den Durchsatz der Brennstoffzelle begrenzt sein. Andererseits handelt es sich erst um die erste Generation dieser Wasserstoffanlagen für Verbraucher.

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• Energie Wasserstoff Flexible Herstellung: Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Flexible Herstellung: Wie wird Wasserstoff erzeugt?

© Luigi Bertello/ Shutterstock

Wasserstoff – das häufigste Element in unserem Universum – ist in gebundener Form in nahezu allen organischen Verbindungen vorhanden. Er hat die geringste Atommasse aller Elemente : Er ist 14-mal leichter als Luft, weder giftig noch ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei.

Wo kommt Wasserstoff in der Natur vor?

Wasserstoff (H2) kommt nur gebunden vor , zum Beispiel mit Sauerstoff (O2) als Wasser (H2O). Auch Methan (CH4) – der Hauptbestandteil von Erdgas – sowie Erdöl sind wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen, so genannte Kohlenwasserstoffe. Zudem enthalten mehr als die Hälfte aller bisher bekannten Minerale Wasserstoff. In der Erdatmosphäre ist er im Wasserdampf enthalten.

Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff ist ein natürliches chemisches Element , dessen Energiegehalt genutzt werden kann. Er lässt sich als Energieträger speichern und transportieren sowie zur Energieumwandlung einsetzen. Zudem ist er ein wichtiges Industrieprodukt.

Da Wasserstoff auf der Erde jedoch nicht allein, sondern nur in Form von Verbindungen vorkommt, muss er mit Hilfe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten werden. Als Ausgangsstoffe kommen unter anderem in Frage:

• Erdgas, mit seinem Hauptbestandteil Methan 
• andere Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Erdöl 
• Wasser 
• andere wasserstoffhaltige Verbindungen

Diese Stoffe werden mit Hilfe von chemischer, elektrischer, thermischer oder solarer Energie getrennt und so reiner, ungebundener Wasserstoff erzeugt. Aktuelle Konzepte sehen zunehmend eine Wasserstoffgewinnung mit Hilfe Erneuerbarer Energien vor. Damit ist eine klimaneutrale Wasserstoffherstellung möglich.

Wasserstoff lässt sich durch verschiedene Verfahren gewinnen:

Elektrolyseverfahren: Emissionsfreie Erzeugung von grünem Wasserstoff

In Deutschland sind bereits mehr als 30 Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff installiert. Bei diesen Anlagen handelt es sich zum Großteil um Demonstrations- und Forschungsprojekte . Wir haben für Sie eine Übersicht über Einsatzgebiete  und einige Best-Practice-Beispiele zusammengestellt. 

Aber was genau passiert bei diesem Verfahren?

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser unter Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.

Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen, wird sogenannter grüner Wasserstoff erzeugt. Weitere Möglichkeiten, grünen Wasserstoff zu erzeugen, bestehen in der Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie der Reformierung von Biogas. All diese Verfahren sind CO2-neutral.

Reformierungsverfahren: Grauer bzw. blauer Wasserstoff aus Erdgas

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich aus Erdgas, zum Beispiel durch Zugabe von Wasserdampf (Dampfreformierung), erzeugt. Bei dieser chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Hierbei spricht man von grauem Wasserstoff .

Wenn das entstandene CO2 nach der Wasserstoff-Herstellung aufgefangen und in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwendet wird (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff . Dieser ist ebenfalls klimaneutral, solange das abgeschiedene CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt.

Methanpyrolyse: Türkiser Wasserstoff

Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas, zum Beispiel Methan (CH4), unter Zugabe von Hitze gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Damit das Verfahren CO2-neutral ist, muss die Energieversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen stammen. 

Außerdem muss der entstehende Kohlenstoff langfristig gebunden werden . Er kann beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie sowie im Straßenbau verwendet werden.

Hintergründe und ausführliche Erklärungen zur Herstellung von Wasserstoff, seiner Geschichte und den Potenzialen gibt es auch in unserer aktuellen Lehrerhandreichung "Wasserstoff" und im BDEW-Factsheet "Wasserstoff".

1 Dokument zum Download

• PDF Factsheet: Wasserstoff

Warum Deutschlands Wasserstoff-Plan zur Energiewende stockt

Ausbau und import verzögert sich : warum deutschlands wasserstoff-plan stockt.

Wasserstoff gilt als magisches Molekül, als Schlüsselelement der Energiewende. In diesen Wochen aber wachsen bei vielen Plänen Fragezeichen, wann der klimaneutrale Stoff kommt.

Kernnetz: Viele Pipeline-Abschnitte noch ohne Betreiber

Wasserstoff-importe: verzögerungen aus skandinavien.

• CCS: Unterirdische CO2-Speicherung bald auch in Deutschland?

Studie zum CO2-Fußabdruck von blauem Wasserstoff

Bevor man also über Wasserstoff als Lösung für das Klima spricht, muss man erstmal das Problem lösen, das Wasserstoff selbst für das Klima ist. „

Aline Nippert, Klimajournalistin

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Start / h2 / Wasserstoffherstellung: Verfahren, Auswirkungen, Perspektiven

Wasserstoffherstellung: Verfahren, Auswirkungen, Perspektiven

Für die Herstellung von Wasserstoff kommen verschiedene Verfahren in Frage. Je nach Ausgangsstoff sind sie mal mehr und mal weniger nachhaltig. Welche Verfahren machen das Rennen?

Inhaltsverzeichnis

• Verfahren der Wasserstoffherstellung
• Umweltauswirkungen der Wasserstoffproduktion
• Was kostet die Wasserstoffgewinnung?
• Wo wird Wasserstoff hergestellt?
• Perspektiven der Wasserstofferzeugung

Mit der Frage, wie wir unser Energiesystem klimafreundlicher und nachhaltiger gestalten können, ist die Herstellung von Wasserstoff in den Mittelpunkt der Diskussionen gerückt. Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der als emissionsarmer Ersatz für fossiles Erdgas entscheidend zur Dekarbonisierung der Energieversorgung beitragen kann.

Wasserstoff (H 2 ) ist das kleinste und häufigste Element in unserem Universum. Allerdings kommt H 2 auf der Erde fast nur in gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser (H 2 O), in Erdgas (CH 4 ) oder in Mineralien. Er muss daher zunächst von den anderen Elementen abgespaltet werden, um als Energieträger genutzt werden zu können.

Für die Gewinnung von Wasserstoff gibt es verschiedene Verfahren, die mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen arbeiten.

Die verschiedenen Produktionsverfahren für Wasserstoff unterscheiden sich in erster Linie hinsichtlich der verwendeten Energiequelle bzw. Ausgangsstoffe. Für manche Verfahren kommen erneuerbare Energien zum Einsatz, für andere fossile Brennstoffe.

Der verwendete Ausgangsstoff ist entscheidend dafür, wie nachhaltig und klimafreundlich der erzeugte Wasserstoff ist.

Elektrolyse: Wasserstoffherstellung mit Wasser

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet. Es gibt zwei Hauptarten der Wasserelektrolyse: die alkalische Elektrolyse (AEL) und die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM).

Wird der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Sonnenenergie gewonnen, ist dies ein nachhaltiges Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Man spricht dann auch vom Power-to-Gas-Verfahren. Der so gewonnene Wasserstoff wird als grüner Wasserstoff bezeichnet.

Technische Regeln für die Erzeugung und Einspeisung von Wasserstoff

Wasserstoff aus Meerwasser gewinnen

Ein oft genannter Kritikpunkt an der Wasserstoffgewinnung in warmen und sonnenreichen Gebieten ist die dort häufig vorherrschende Wasserknappheit. Wasser für die Elektrolyse kann jedoch auch aus Meerwasser gewonnen werden. So werden die Trinkwasservorkommen geschont und die reichlich vorhandene Sonnenenergie kann dennoch für die Produktion von Wasserstoff genutzt werden.

Um das Meerwasser zu Reinstwasser aufzubereiten, werden Meerwasserentsalzungsanlagen benötigt. Dabei werden zwei Funktionsweisen unterschieden: die thermische Destillation und die membranbasierte Druckfiltration. Letztere ist sehr energieeffizient. Die modernsten Anlagen benötigen für 1.000 Liter Wasser lediglich 2,5 Kilowattstunden (kWh) Energie.

Wie viel Wasser wird für die Herstellung von Wasserstoff benötigt?

Für die Erzeugung von 1 kg Wasserstoff werden 10 Liter Reinstwasser benötigt. Das Rohwasser muss vor der Elektrolyse aufbereitet werden, sodass je nach Wasserquelle zwischen 12 und 30 Liter pro kg erzeugtem Wasserstoff anfallen können. Das Kühlwasser kommt außerdem hinzu.

Dampfreformierung: Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen

Die Dampfreformierung ist ein konventionelles Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Als Ausgangsstoffe dienen fossile Brennstoffe wie Erdöl oder Erdgas. Unter Einfluss von Wasserdampf und Wärme kommt es zur Umwandlung des Gases oder Öls in H 2 und CO 2 . Nachteil: Bei diesem Verfahren gelangt das Kohlenstoffdioxid ungehindert in die Atmosphäre.

Verhindern lässt sich der CO 2 -Ausstoß bei der Dampfreformierung, indem das abgeschiedene Kohlenstoffdioxid dauerhaft gespeichert wird. Dafür kommen beispielsweise erschöpfte Erdgaslagerstätten infrage – man spricht auch von CCS (Carbon Capture Storage) – oder das CO 2 kann zur Herstellung von Kunststoff genutzt werden, dann spricht man von CCU (Carbon Capture Utilization).

Durch die Dampfreformierung wird sogenannter grauer Wasserstoff produziert. Erfolgt eine Speicherung oder Nutzung des CO 2 , wird blauer Wasserstoff hergestellt.

Pyrolyse: Wasserstoff aus Erdgas

Bei der Pyrolyse wird Wasserstoff aus Erdgas hergestellt. Das Verfahren der Pyrolyse spaltet Erdgas (CH 4 ) durch sehr hohe Temperaturen unter Sauerstoffausschluss in Wasserstoff und Kohlenstoff auf. Da keine Verbrennung erfolgt, kommt es auch nicht zu klimaschädlichen CO 2 -Emissionen.

Durch die Pyrolyse entsteht sogenannter türkiser Wasserstoff. Dieser kann ins Gasnetz eingespeist werden, während der feste Kohlenstoff gelagert oder in der Industrie eingesetzt werden kann.

Wasserstoff aus Biomasse herstellen

Eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu gewinnen, ist die Herstellung aus Biomasse. Dazu wird die Dampfreformierung oder die Pyrolyse eingesetzt, anstelle von fossilem Erdgas wird jedoch Biogas oder Biomasse umgewandelt.

Das CO 2 wird zuvor mittels Fotosynthese von Pflanzen aufgenommen. Nun wird der Kohlenstoff abgetrennt und dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt. Es wird eine sogenannte CO 2 -Senke geschaffen.

Die Wasserstofferzeugung mit Biogas aus Gülle ermöglicht zusätzlich, die Treibhausgasemissionen aus der Tierhaltung zu reduzieren. So wird auch die Landwirtschaft bei der Emissionsminderung unterstützt. Das Emissionsminderungspotenzial von Wasserstoff aus Biomethan oder Biogas ist groß – aktuell stehen die Verfahren jedoch noch nicht im großen Maßstab zur Verfügung.

Ein weiteres Verfahren, Biowasserstoff herzustellen, ist die „dunkle Fermentation“ . Dabei werden Biomasse, Abwässer und Reststoffe mittels Mikroorganismen in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Bei völliger Dunkelheit und Temperaturen von 30 bis 80 °C herrschen anaerobe Bedingungen. In diesem Prozess kann man jedoch nicht alle organischen Verbindungen verwerten. Daher werden sie anschließend in Methan und Kohlendioxid umgewandelt.

Wasserstoff aus Ammoniak herstellen

Wasserstoff kann auch aus Ammoniak (NH 3 ) hergestellt werden. Dieser wird unter hohen Temperaturen in seine Bestandteile aufgespaltet.

Vorteil der H 2 -Produktion aus Ammoniak: Im Gegensatz zu Wasserstoff kann Ammoniak mit weniger Vorkehrungen transportiert werden, da es bereits bei -33 °C flüssig wird. Es besteht also die Möglichkeit, Wasserstoff zum Transport in Ammoniak zu binden und ihn danach wieder in Wasserstoff aufzuspalten. Die Ammoniakherstellung benötigt allerdings große Mengen an Strom, weshalb diese Verfahrensweise nicht im großen Stil verfolgt wird.

Wie umweltfreundlich die Wasserstoffherstellung ist, hängt stark vom Produktionsverfahren, den verwendeten Rohstoffen und der Energiequelle ab.

Herstellungsverfahren, die erneuerbare Energiequellen nutzen, minimieren CO 2 -Emissionen und sind damit per se umweltfreundlicher. Daher wird verstärkt an nachhaltigen Produktionsverfahren wie der Elektrolyse mit erneuerbarem Strom gearbeitet, um die Wasserstoffproduktion umweltfreundlicher zu gestalten und ihren Beitrag zur Dekarbonisierung des Energiesystems zu maximieren.

Die Farbenlehre des Wasserstoffs gibt einen guten Überblick über die Treibhausgasemissionen bei der Herstellung.

Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung

Der Wirkungsgrad der verschiedenen Verfahren kann erheblich variieren, je nachdem, welche Rohstoffe und Energiequellen verwendet werden. Wirkungsgrad und Ausgangsstoff sind nicht getrennt voneinander zu bewerten, denn ein Verfahren mit einem höheren Wirkungsgrad, das jedoch fossile Brennstoffe als Rohstoffe verwendet, kann immer noch eine größere Menge CO 2 emittieren als ein Verfahren mit einem niedrigeren Wirkungsgrad, das erneuerbare Energiequellen nutzt.

Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung der Wasserstoffherstellungsverfahren. Die Verwendung erneuerbarer Energiequellen und die Optimierung von Prozessen können dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Umweltauswirkungen zu reduzieren.

Wirkungsgrade der unterschiedlichen Produktionsmethoden

Die Angaben zu den Wirkungsgraden der unterschiedlichen Herstellungsverfahren schwanken stark. Sie sind von vielen Faktoren wie den spezifischen Technologien, Membranmaterialien, Einsatzstoffen, Stromdichten und Betriebstemperaturen abhängig.

Bei der Elektrolyse liegt der Wirkungsgrad aktuell beispielsweise – je nach Verfahren – bei 43 bis 73 Prozent, es wird jedoch angenommen, dass dieser mit Ausbau der Technologie ansteigen wird und bis zu 90 Prozent erreichen kann.

Die Dampfreformierung mit Erdöl oder Erdgas erreicht abhängig von den Voraussetzungen einen Wirkungsgrad von 60 bis 89 Prozent. Die Dampfreformierung mit Biomasse oder Biogas liegt aktuell bei 40 bis 77 Prozent, erreicht also eine insgesamt weniger effiziente Wirkung.

Bei der Pyrolyse kommt es zu einem sehr hohen Wirkungsgrad von 96 bis 100 Prozent, wenn das entstehende Kohlenstoff im Anschluss an das Verfahren gespeichert oder weiterverwendet wird. Die Pyrolyse mit Biogas kann mit einem Wirkungsgrad höher als 70 Prozent aufwarten.

Ein wichtiges Element bei der Wasserstoffherstellung ist, die Abwärme zur Stromerzeugung zu nutzen – dadurch kann der Strombedarf insgesamt gesenkt werden.

Die Kosten für die Wasserstoffproduktion hängen vom Herstellungsverfahren, von den aktuellen Energiepreisen, der Größenordnung der Produktion und anderen Faktoren ab.

Nachhaltige Wasserstoffherstellungsverfahren sind derzeit meistens noch teurer als konventionelle Produktionsprozesse. Mit dem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien und der Weiterentwicklung von Wasserstofftechnologien werden die Preise voraussichtlich sinken.

Aus einer Studie des DVGW geht zudem hervor, dass die Preise für grünen Wasserstoff auf lange Sicht nicht höher sein werden als die aktuellen Gaspreise (12 ct / kWh). Betrachtet man die Gesamtkosten für Anschaffung, Gebäudesanierung und Betrieb, ist eine mit Wasserstoff betriebene Gastherme aus Kostensicht vergleichbar mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe. [1]

In Deutschland wird Wasserstoff bisher noch nicht im großen Stil hergestellt. Die Wasserstoffproduktion erfolgt mancherorts in Raffinerien für industrielle Zwecke. Dabei kommt meistens die Dampfreformierung zum Einsatz.

Wasserstoff als Energieträger wird derzeit überwiegend zu Forschungs- und Demonstrationszwecken hergestellt. Beispiele sind:

• die Power-to-Gas-Anlage der Mainzer Stadtwerke , deren grüner Wasserstoff sowohl in der Industrie als auch in der Mobilität eingesetzt wird. Zusätzlich wird einer Gasleitung für den Mainzer Stadtteil Ebersheim Wasserstoff zum Heizen und Kochen beigemischt.
• das Hybridkraftwerk der ENERTRAG AG , das grünen Wasserstoff ins Gasnetz in Prenzlau einspeist und Endkunden so mit Wärme versorgt, Pkw und Busse betankt und die Versorgung von Notstromaggregaten auf Basis der Brennstoffzellentechnologie sicherstellt.
• das Projekt „eFarm“ im Kreis Nordfriesland , ein grünes Wasserstoff-Mobilitätsprojekt von GP JOULE. Der Ökostrom aus Solar- und Windkraftanlagen wird direkt vor Ort per Elektrolyse in grünen Wasserstoff umgewandelt, der an Wasserstofftankstellen zur Verfügung steht. Die Abwärme wird zusätzlich zum Heizen genutzt.

Interaktive Power-to-Gas-Karte Deutschland

Eine Übersicht über laufende und geplante Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland finden Sie auf der Website des DVGW.

Dezentrale Herstellung von Wasserstoff

Grüner Wasserstoff lässt sich grundsätzlich überall dort herstellen, wo Wasser und erneuerbarer Strom vorhanden sind. Das kann auch dezentral am Ort der Verbraucher sein. Die dezentrale Wasserstoffproduktion hat einige Vorteile: Der Transport entfällt, außerdem gibt es eine gewisse Kosten- und Versorgungsautonomie.

Eine Studie des DVGW hat ergeben, dass rund ein Viertel der 11.000 deutschen Gemeinden ein mittleres bis hohes Potenzial für den Bau und Betrieb von Power-to-Gas-Anlagen aufweisen [2] . Dies ist von großer Bedeutung für lokale Dekarbonisierungs- und Transformationserfolge. Einzelne Netzgebiete können durch die dezentrale Erzeugung schon früh zu lokalen Wasserstoffinseln werden.

Wasserstoffproduktion in anderen Ländern

Deutschland verfügt nicht über ausreichend Kapazitäten, um (grünen) Wasserstoff in hohen Mengen herzustellen, und wird daher auf den Import aus anderen Ländern angewiesen sein. Im Gespräch sind dabei sowohl die MENA-Region (Middle East and Northern Africa) als auch Norwegen, Spanien, Namibia oder Brasilien.

Wenn Wasserstoff als zentraler Energieträger genutzt werden soll, werden große Mengen davon benötigt. Um diesen Wasserstoffbedarf decken zu können, müssen die verschiedenen Herstellungsverfahren eingesetzt werden.

Erklärtes Ziel für eine Wasserstoffwirtschaft ist es, vor allem klimaneutralen grünen und türkisen Wasserstoff zu nutzen. Allerdings wird als Übergangslösung auch konventionell hergestellter blauer Wasserstoff nötig sein, da aktuell nicht ausreichend erneuerbare Energie zur Verfügung steht, um ausschließlich grünen Wasserstoff zu produzieren.

Die globale Wasserstoff-Initiative Hydrogen Council schätzt, dass bis zum Jahr 2050 weltweit Wasserstoff mit einem Energiegehalt von über 21.000 Terawattstunden (TWh) zur Verfügung stehen könnte. In Deutschland könnten bis dahin nach Berechnungen des DVGW 165 TWh Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wind- und Sonnenenergie erzeugt werden – das sind 165 Milliarden Kilowattstunden. Zum Vergleich: Man geht davon aus, dass man mit 33.330 kWh sieben Drei-Personen-Haushalte ein Jahr lang versorgen kann.

Autoren dieses Beitrags

Dieser Beitrag wurde von einem Redaktionsteam der wvgw mbH erstellt. Zum Team gehören Redakteurinnen und Redakteure der Fachzeitschrift „DVGW energie | wasser-praxis“ und Mitarbeiter*innen aus dem Bereich digitaler Content bei der wvgw mbH.

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Wasserstoff: Ein Gas mit schwieriger Zukunft

Klimaneutrales gas : wasserstoff: der grosse traum vom grünen gas.

Wasserstoff gilt als das Sackmesser der Energiewende. Doch der Einsatz des klimaneutralen Gases ist gar nicht so einfach.

Wasserstoff (H₂) kann wie Benzin in wenigen Minuten getankt werden.

Darum gehts:

Wasserstoff gilt als grüner Ersatz für Gas, Öl und Kohle und soll den CO₂-Ausstoss in Industrie und Verkehr drastisch senken.

Entscheidend ist, dass der Wasserstoff «grün» ist , also mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen produziert wird.

Trotz grosser Ambitionen konnte sich Wasserstoff bis heute weder in Zügen  noch in der Stahlindustrie oder im Auto durchsetzen.

Er soll Flugzeugflotten , autonome Roboter-Taxis und ganze Stahlfabriken mit Energie versorgen: Wasserstoff gilt als das ultimative Sackmesser der Energiewende, das komplett ohne CO₂-Ausstoss Erdöl, Erdgas und Kohle ersetzen kann. H₂ ist zwar das häufigste Element des Universums, als Energiequelle auf der Erde wird das Gas aber nur in geringen Mengen verwendet.

Immerhin: Mehr als 40 Staaten der Welt haben eine Wasserstoff-Strategie, um eine der wichtigsten Technologien zur Bekämpfung des Klimawandels und Reduktion des CO₂-Ausstosses voranzutreiben. Deutschland und Österreich haben sich H₂-Ziele gesetzt, in der Schweiz lässt eine Strategie auf sich warten.

Grüne Theorie, graue Praxis

Die politischen Ziele sind gross: In Europa könnten 2050 beträchtliche Teile des Energiemixes aus Wasserstoff bestehen: H₂ könnte 20 bis 50 Prozent des Energiebedarfs im Verkehr und fünf bis 20 Prozent in der Industrie decken. Dafür sind enorme Investitionen notwendig, denn heute macht Wasserstoff nur zwei Prozent des Energiemixes in der EU aus. Viel davon ist gar kein sauberer Wasserstoff.

Klar ist heute auch: Das Wasserstoffauto gibt es und wird auch von manchen gefahren, aber massentauglich ist es nicht. Die Autoindustrie hat sich längst für den batterieelektrischen Antrieb im E-Auto entschieden. Doch in Zügen wird Wasserstoff bereits im Regelbetrieb eingesetzt. Der französische Hersteller Alstom hat den weltweit ersten Wasserstoffzug auf Schiene gebracht – die Züge des Typs «Coradia iLint» sind seit Ende 2022 auf der deutschen Taunusbahn im Einsatz und ersetzen dort alte Dieselloks.

Zumindest in der Theorie. In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Antriebstechnik unzuverlässig ist. Es kommt ständig zu Ausfällen, die Reisenden müssen auf Busse umsteigen. Auch im Transport spielt Wasserstoff eine Rolle, besonders bei grossen Fahrzeugen wie LKW und Bussen. Wasserstoff kann hier eine Alternative sein, wenn batteriebetriebene Fahrzeuge wegen der Reichweite oder Ladezeiten an Grenzen stossen. Allerdings gibt es im Moment noch nicht genug Wasserstofftankstellen, um den breiten Einsatz zu ermöglichen. In der Schweiz etwa gibt es aktuell nur 18 H₂-Tankstellen.

Grüner Stahl vom Polarkreis

Eine grosse Vision ist der grüne Stahl dank Wasserstoff. Wasserstoff soll in der Stahlindustrie als Ersatz für Koks und Kohle verwendet werden, um den CO₂-Ausstoss zu verringern. Der grüne Stahl wird durch die Verwendung von Wasserstoff umweltfreundlicher, da viel weniger CO₂ entsteht.

Paradebeispiel in Europa ist das milliardenschwere Projekt Stegra (vormals «H2 Green Steel») in Schweden. Ab 2026 soll im schwedischen Boden nahe dem arktischen Polarkreis grüner Stahl mithilfe von H₂ produziert werden. Dort, und auch anderswo, dient Wasserstoff als Reduktionsmittel, um Sauerstoff aus dem Eisenerz zu entfernen.

Dabei entsteht Wasser anstelle von Kohlendioxid, was den CO₂-Ausstoss drastisch reduziert. In der Stahlindustrie ist das relevant, da bei den herkömmlichen Verfahren zwei Tonnen des Treibhausgases oder mehr pro Tonne produziertem Stahl erzeugt werden. Mit Hilfe von H₂ kann die Stahlindustrie ihre CO₂-Emissionen um bis zu 95 Prozent reduzieren.

Entscheidend beim Wasserstoff ist, ob er wirklich grün ist – also ob er mit Hilfe erneuerbarer Energien (z. B. Solar, Wind, Wasser) produziert wird. Denn heute ist der meiste Wasserstoff, der eingesetzt wird, noch «grau» – also ein Abfallprodukt der Ölindustrie bei der Verarbeitung fossiler Brennstoffe. Nutzt man den grauen Wasserstoff, verpufft seine positive Wirkung aufs Klima.

2028 werden neue H-Autos gezeigt

Wasserstoffautos galten lange als Alternative zu batterieelektrischen Autos. Trotzdem entwickelt sich der Markt langsamer als gedacht. Ein Grund dafür ist, dass es noch nicht genug Wasserstofftankstellen gibt, um die Autos im Alltag einfach nutzen zu können. Ausserdem sind die Kosten für Brennstoffzellen und Wasserstoff noch recht hoch, was die H-Autos ziemlich teuer macht.

BMW und Toyota glauben fest an das Wasserstoffauto. Die beiden Autoriesen arbeiten derzeit an der nächsten Generation von Wasserstoff-Brennstoffzellen für neuartige Autos. Diese werden aber erst frühestens 2028 auf den Markt kommen.

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Neue schnelle und nachhaltige Methode für Wasserstoffproduktion

„durch die überwindung des schlüsselproblems der derzeitigen technologie hat unser ergebnis das potenzial, den globalen übergang zu sauberen energielösungen voranzutreiben“.

Künstlerische Darstellung der Wasserspaltung.

Francesco Ciucci/midjourney

Unter Leitung von Prof. Dr. Francesco Ciucci von der Universität Bayreuth hat ein deutsch-chinesisches Forschungsteam eine neue Methode zur elektrochemischen Spaltung von Wasser entwickelt. Damit wird die Produktion von Wasserstoff für Technik und Industrie nicht nur beschleunigt, sondern auch nachhaltiger. Darüber berichten die Forschenden in Nature Nanotechnology .

Eine der größten Herausforderungen bei der elektrochemischen Wasserspaltung ist die sogenannte Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), eine träge Reaktion, bei der die Wassermoleküle in ihre einzelnen Bestandteile – Sauerstoff und Wasserstoff – zerlegt werden. Die OER kann durch den Einsatz von bestimmten Edelmetallen beschleunigt werden, jedoch sind die Metalle selten und dadurch teuer, und die Beschleunigung der Reaktion kostet zusätzliche Energie (sog. Überspannung).

Dieser Problematik hat sich ein Forschungsteam, bestehend aus Mitgliedern diverser chinesischer Forschungseinrichtungen und unter Federführung von Prof. Dr. Francesco Ciucci vom Lehrstuhl für Elektrodendesign für elektrochemische Energiesysteme an der Universität Bayreuth, angenommen. Es entwickelte eine innovative Methode der elektrochemischen Wasserspaltung, in der einzelne Atome des Edelmetalls Iridium als Reaktionsbeschleuniger mit Dimethylimidazol und Kobalteisenhydroxid gekoppelt sind. Die wesentliche Innovation liegt in der geometrischen Anordnung der Komponenten: Die aneinander gekoppelten Bestandteile dieser Iridium-Verbindung befinden sich nicht auf derselben Ebene, sondern sind geometrisch verteilt, um die Leistung und Effizienz zu optimieren.

Dieser innovative Ansatz erhöht die OER-Aktivität erheblich und weist darüber hinaus eine enorm geringe Überspannung auf. Zudem reduziert er den Edelmetallverbrauch, weil nur einzelne Iridiumatome verwendet werden, und wirkt sich positiv auf die Stabilität der Beschleunigungsreaktion aus.

„Unsere Studie ist ein bedeutender Fortschritt in der Entwicklung effizienter, kostengünstiger OER-Beschleunigung für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion. Durch die Überwindung des Schlüsselproblems der derzeitigen Technologie hat unser Ergebnis das Potenzial, den globalen Übergang zu sauberen Energielösungen voranzutreiben“, sagt Ciucci, der Letztautor der Studie ist. 

Originalveröffentlichung

Jie Zhao, Yue Guo, Zhiqi Zhang, Xilin Zhang, Qianqian Ji, Hua Zhang, Zhaoqi Song, Dongqing Liu, Jianrong Zeng, Chenghao Chuang, Erhuan Zhang, Yuhao Wang, Guangzhi Hu, Muhammad Asim Mushtaq, Waseem Raza, Xingke Cai, Francesco Ciucci; "Out-of-plane coordination of iridium single atoms with organic molecules and cobalt–iron hydroxides to boost oxygen evolution reaction"; Nature Nanotechnology, 2024-10-21

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