Unser Klima ist im Wandel. Die globale Erwärmung ist unter anderem eine Folge des anthropogenen – also vom Menschen verursachten – Treibhauseffekt. Treibhausgase, wie Kohlenstoffdioxidgas, können auf unterschiedliche Weise in die Umwelt gelangen. Die Verbrennung der fossilen Rohstoffe Erdöl, Erdgas und Kohle ist hierbei von besonderer Bedeutung, da sie für einen großen Anteil der Treibhausgase (rund 80%) in unserer Atmosphäre verantwortlich ist. Mit Blick auf die Kohlenstoffdioxidgas-Emissionen gibt es zahlreiche Strategien, um die Einhaltung von internationalen Klimazielen zu gewährleisten. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet auch die Grüne und nachhaltige Chemie – mehr Informationen dazu findest du hier:
Die Europäische Union strebt für das Jahr 2050 eine komplette Klimaneutralität an. Dazu braucht es aber vor allem Alternativen zu fossilen Energieressourcen. Mit welchen Energieträgern können wir eine solche Energiewende erreichen?
Besonders auf Wasserstoffgas liegen große Hoffnungen, um Schritte zur Dekarbonisierung zu setzen. Die Stadt Wien plant beispielsweise ab 2025 zehn Buslinien auf Wasserstoffgas als Treibstoff umzustellen.
Doch was genau ist nun eigentlich Wasserstoff?
Das Elementsymbol von Wasserstoff ist H (Hydrogenium). Wasserstoff ist das häufigste aller Elemente im Universum. Auf unserem Planeten schaut das jedoch etwas anders aus. Da kommt Wasserstoff hauptsächlich in gebundener Form beispielsweise in Wasser (H2O), aber auch in organischen Stoffgemischen wie Erdöl und Erdgas vor.
Bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck ist Wasserstoff ein farb- und geruchloses Gas. Die Moleküle des Wasserstoffgases bestehen aus zwei Atomen Wasserstoff. Man spricht hierbei von molekularem Wasserstoff (H2). In der Natur kommt Wasserstoffgas jedoch nur in äußerst geringen Mengen vor. Willst du wissen, warum das so ist, und mehr über die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff herausfinden, dann klicke hier:
Die „Farben“ des Wasserstoffs
Da Wasserstoffgas nur in geringen Mengen auf der Erde vorkommt, muss es in den meisten Fällen für seine Verwendung erst hergestellt werden. Es gibt unterschiedliche Methoden, um Wasserstoffgas zu gewinnen. Je nachdem, welche Rohstoffe für die Herstellung eingesetzt werden und welche Menge an Kohlenstoffdioxidgas-Emissionen anfällt, teilt man den Herstellungsverfahren eine andere Farbe zu.
Zusätzlich spielen die Aspekte Nachhaltigkeit und Energieeffizienz bei der Klassifizierung der Herstellungsverfahren eine wichtige Rolle. Man orientiert sich dabei an den Prinzipien der Grünen und nachhaltigen Chemie. Vor allem die Prinzipien „Erhöhung der Energieeffizienz“ und „Nutzung erneuerbarer Rohstoffe“ werden dabei genau in Augenschein genommen. Willst du mehr über die Grüne und nachhaltige Chemie und die genannten Prinzipien erfahren? Dann klicke hier:
Unter den folgenden Buttons werden die unterschiedlichen Herstellungsverfahren erläutert. Dabei werden sowohl die eingesetzten Rohstoffen als auch die anfallenden Kohlenstoffdioxidgas-Emissionen berücksichtigt und den “Farben” von Wasserstoff zugeordnet.
Ein wichtiger Vertreter fehlt aber noch in unserer Farbskala, der häufig in den Medien präsent ist: „Grüner“ Wasserstoff. Schauen wir uns diesen etwas genauer an:
Wie du bei den Buttons gesehen hast, fallen bei den Herstellungsverfahren von grauem, schwarzem, türkisem und blauem Wasserstoffgas umweltschädliche Kohlenstoffdioxidgas-Emissionen in großer Menge an. Das liegt vor allem an der Nutzung fossiler Rohstoffe, sowohl als Ausgangsstoff als auch als Energielieferant für die Herstellung von Wasserstoffgas.
Bei der Gewinnung von „grünem“ Wasserstoff setzt man dagegen auf erneuerbare Ressourcen. Das bedeutet, dass der Strom für die Herstellung des Wasserstoffgases aus erneuerbaren Energiequellen stammt, wie z.B. Wind- oder Solarenergie. Zudem nutzt man Wasser als Ausgangsstoff im Herstellungsverfahren. Wie werden diese Energiequellen nun eingesetzt, um auf grüne und nachhaltige Weise das Wasserstoffgas zu produzieren?
Die bekannteste Methode ist die sogenannte Elektrolyse von Wasser. Bei der Elektrolyse werden Wasser-Moleküle (H2O) in Wasserstoff- (H2) und Sauerstoff-Moleküle (O2) zerlegt:
Bei dieser Reaktion wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Hier erfährst du mehr über die Wasserelektrolyse zur Gewinnung von „grünem“ Wasserstoff:
Nun ist unsere Farbskala von Wasserstoff komplett.
Wenn du dir die Buttons zu den unterschiedlichen Herstellungsverfahren durchgelesen hast, sollte die folgende Aktivität für dich leicht zu meistern sein!
Aktivität erstellt auf Basis von Bockelmann et al. (2023): Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse. Grüner Wasserstoff. In: Chemie in unserer Zeit, https://doi.org/10.1002/ciuz.202300024
Anwendungsbereiche von Wasserstoffgas
Die Nutzung von Wasserstoff bietet uns vielversprechende Möglichkeiten unter anderem in folgenden Bereichen:
- Langzeitspeicher für Energie (Power-to-X)
- Mobilität (X-to-Power)
- Stahl- und chemische Industrie
Bei der Umwandlung von elektrischer in chemische Energie spricht man vom „Power-to-X“-Konzept. „Power“ steht dabei für elektrische Energie und das „X“ für den Zweck oder die benötigte Energieform. In unserem Beispiel der Wasserelektrolyse haben wir unter Nutzung elektrischer Energie Wasserstoffgas erzeugt, daher nennt man diesen Prozess auch „Power-to-Gas“.
Das Wasserstoffgas kann nun als chemischer Langzeitspeicher dienen. Möchtest du mehr über die Speicherung und Lagerung von Wasserstoffgas erfahren, dann klicke hier:
Vielleicht fragst du dich „Ist es möglich, die chemische Energie wieder in elektrische Energie umzuwandeln?“ Ja! Das ist möglich, wenn Wasserstoffgas im Mobilitätsbereich eingesetzt wird. In sogenannten Brennstoffzellen nutzt man das Wasserstoffgas als Brennstoff und schafft somit eine nachhaltige Alternative zu benzin- oder dieselbetriebenen Motoren. Willst du mehr über die Brennstoffzelle erfahren, dann geht es hier entlang:
Was haben Düngemittel, Methanol und Stahl gemeinsam? Bei der großtechnischen Herstellung von all diesen Produkten ist Wasserstoffgas beteiligt. Wie das genau funktioniert, kannst du hier herausfinden:
Wie du siehst, ist unser Werkzeugkoffer für die Energiewende prall gefüllt – wir müssen diese Werkzeuge nur einzusetzen wissen.
Gestaltung der Station: Felix Sperrer, Alexandra Tepla, MEd BSc und Mag.a Martina Zodl
Wenn du mehr über Wasserstoff wissen willst, findest du hier Tipps zum Weiterlesen: