Beitragsreihe Wasserstoff: Historie des Wasserstoffs

Spätestens seit der verabschiedeten nationalen Wasserstoffstrategie ist Wasserstoff in aller Munde. Auch an der FfE wird Forschung betrieben in Bezug auf den Beitrag von Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem. In aktuellen Projekten liegt u. a. der Fokus auf der nachhaltigen Erzeugung, dem Transport und der Verwendung von Wasserstoff sowie übergeordneten Themen der Marktentwicklung und Geschäftsmodelle.

Dieser Beitrag ist der erste einer Reihe von sechs Beiträgen, die sukzessive in den kommenden Wochen erscheinen werden. In dieser Beitragsreihe werden die wichtigsten Aspekte zum Thema Wasserstoff kurz, verständlich und kompakt erläutert.

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Aktuell werden in vielen Ländern der Welt nationale Wasserstoffstrategien verabschiedet und große Wasserstoffprojekte verkündet. Die Vision des Wasserstoffs als „Energieträger der Zukunft“ ist jedoch bereits etwa 150 Jahre alt und hat mehrere Zyklen der Illusion und Desillusion durchlaufen. In diesem Beitrag möchten wir einen Überblick über die historischen Entwicklungen im Bereich Wasserstoff geben.

Grundlagen der Wasserstofftechnologie

Nachdem Wasserstoff als Element 1766 vom Briten Cavendish entdeckt wurde, wurden die technischen Grundlagen der Wasserstofftechnologie bereits im 19. Jahrhundert gelegt: 1800 wurde das Prinzip der Wasserelektrolyse entdeckt, bei der Wasser unter Anlegen von Spannung in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt wird. Das Prinzip der Brennstoffzelle, die es erlaubt, die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Strom zu wandeln, wurde 1838 entdeckt. Die Brennstoffzelle konnte sich jedoch nicht gegenüber den zur selben Zeit entwickelten durch Dampfmaschinen betriebenen Generatoren durchsetzen. [1]

Frühe Wasserstoffvisionen

Visionen eines auf Wasserstoff basierenden Energiesystems existierten jedoch bereits früh. Jules Verne beschrieb in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“ bereits 1874 Wasserstoff als die Kohle der Zukunft:

»…mit Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist […] Wasserstoff und Sauerstoff, werden wir auf unabsehbare Zeit die Energieversorgung der Erde sichern. Eines Tages werden Dampfer und Lokomotiven keine Kohlebunker mehr führen, sondern Gastanks, aus denen komprimierte Gase durch Rohre in die Heizkessel strömen. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. …«

Jules Verne sah in seiner Vision bereits die Erzeugung des Wasserstoffs mittels Elektrizität vor, beantwortete aber nicht die Frage, wie dieser Strom erzeugt werden sollte. [2]

Erster Windstromelektrolyseur

Die Frage zum möglichen Ursprung des Stroms beantwortete bereits 1895 der „Pionier der Windenergie“ Poul le Cour nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch. Er errichtete 1895 in Dänemark eine Versuchsanlage mit einer der weltweit ersten Windkraftanlagen zur Stromerzeugung. Um das Problem der zeitlich variablen Erzeugung der Windkraftanlage zu lösen, sah er zusätzlich eine Speicherung der Windenergie in Form von Wasserstoff vor. Diese Anlage lief sieben Jahre. Der erzeugte und gespeicherte Wasserstoff wurde direkt in Gasleuchten einer nahen Volkshochschule verwendet. [2]

Wasserstoff zur Düngemittelproduktion

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gewann die nicht-energetische Verwendung von Wasserstoff an Bedeutung. Die Deutschen Bosch und Haber entwickelten ein Verfahren zur industriellen synthetischen Gewinnung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff. Beide Wissenschaftler wurden hierfür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Ammoniak ist ein wichtiger chemischer Grundstoff, der insbesondere für Düngemittel benötigt wird und dadurch das Bevölkerungswachstum ermöglichte. Damalige Elektrolyseure konnten die benötigten Mengen industrieller Mengen Wasserstoff nicht herstellen, weswegen auf Verfahren der Kohlevergasung zurückgegriffen wurde. Auch heute noch wird ein Großteil des produzierten Wasserstoffs nicht für energetische Nutzung, sondern zur Ammoniaksynthese verwendet. [3]

Erste Brennstoffzellen-Anwendungen in der Raumfahrt

Die ersten praktischen Anwendungen zur Gewinnung von Strom aus Wasserstoff gab es in der Raumfahrt. Für die Raumfahrtprogramme der NASA wurde Mitte des 20. Jahrhunderts nicht nur Wasserstoff als Treibstoff der Raketen verwendet, sondern die Raumschiffe der Gemini und Apollo Missionen führten auch Brennstoffzellen mit, die der Strom, Wärme- und Trinkwasserversorgung an Bord dienten. Vorteil des Wasserstoffes in der Raumfahrt war insbesondere sein geringes Gewicht, während Kosten keine große Rolle spielten. Im Zuge dieser Missionen wurden wichtige Weiterentwicklungen der Brennstoffzellen- und Speichertechnologie von Wasserstoff unternommen. [1]

Suche nach Alternativen zum Öl

Im Zuge der Ölkrisen in den 1970er Jahren wurde nach Alternativen zu fossilen Energieträgen gesucht und das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft entwickelt, bei dem Wasserstoff eine zentrale Rolle als Energieträger spielt. Insbesondere in den USA und Europa wurden große Forschungsvorhaben durchgeführt, die ersten wissenschaftlichen Fachzeitschriften gegründet sowie Konferenzen mit dem Thema der Wasserstoffwirtschaft durchgeführt. [1,4]

Solarer Wasserstoff

In den 1980er Jahren wurden die ersten Demonstrationsprojekte für solaren Wasserstoff vorgestellt, die weltweit Aufmerksamkeit erhielten. Einerseits war dies das deutsch-saudi-arabische Projekt HYSOLAR, sowie das Solar-Wasserstoffprojekt bei Neuenburg in Bayern. In beide Projekten speiste Strom aus Photovoltaikanlagen die Elektrolyseure. Sie zeigten, dass eine Wasserstoffwirtschaft technisch möglich war. Die hohen Kosten stellten jedoch weiterhin eine sehr große Hürde dar. [5]

Brennstoffzelle und Mobilität

In den 1990er und 2000er Jahren wurden in der Forschung große Fortschritte bei der mobilen Anwendung von Wasserstoff und Brennstoffzellen erreicht. Die Autoindustrie unternahm große Anstrengungen, um wasserstoffgetriebene Brennstoffzellenautos zu entwickeln. Prototypen wasserstoffbetriebener Brennstoffzellen-Fahrzeuge wie PKWs und Busse wurden vorgestellt und die technische Tauglichkeit wurde in weltweiten Flottenerprobungen erwiesen. Ein Problem blieben aber insbesondere die hohen Kosten gegenüber konventionellen Fahrzeugen sowie die Probleme der fehlenden Tankinfrastruktur. [1,5,6]

Wasserstoff als Teil der Energiewende

Die 2010er Jahre waren geprägt von dem Ziel der Klimaneutralität und des Begrenzens der Erderwärmung auf 1,5 Grad. (Hydrogen Council). Dank erheblich gesunkener Kosten erneuerbarer Energien stieg deren Anteil weltweit im Stromsektor. Eine vollständige Dekarbonisierung des Energiesektors verlangt jedoch Emissionsreduktionen in allen Sektoren, auch in schwer zu dekarbonisierenden Sektoren, wie der Industrie. Hier bietet Wasserstoff mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten das Potenzial, die Erreichung der Klimaziele durch bessere Integration erneuerbarer Energien zu unterstützen.  [6,7]

Wasserstoffstrategien und Markthochlauf

Als Beitrag zur Erreichung der Klimaziele haben bereits mehr als 20 Länder Wasserstoffstrategien und -Roadmaps verabschiedet. In Deutschland sieht die 2020 verabschiedete Wasserstoffstrategie eine jährliche Erzeugung von 14 TWh Wasserstoff bis 2030 vor. Staaten stellen weltweit mehr als 70 Milliarden USD zur Verfügung, um einen Markthochlauf zu ermöglichen. In Deutschland geschieht dies unter anderem in den sogenannten „Reallaboren der Energiewende“ bei denen marktnahe Wasserstofftechnologien in industriellem Maßstab gefördert werden. [7,8]

Knappe 150 Jahre nach Jules Vernes ersten Wasserstoffvisionen hat sich viel getan in der Welt des Wasserstoffs, aber an den grundlegenden Konzepten der energetischen Nutzung des Wasserstoffs hat sich überraschend wenig geändert. Dennoch scheint es, als würden nun die Zusagen zur Erreichung der Klimaziele von Unternehmen und Staaten dazu führen, dass Wasserstoff in vielen Bereichen Einzug hält. Die Forschung muss diesen Prozess begleiten, damit der Beitrag von Wasserstoff zur Zielerreichung überprüft und Möglichkeiten zur Steuerung aufgezeigt werden können.

Weitere Informationen:

• Trans4ReaL – Transferforschung für die Reallabore der Energiewende zu Sektorkopplung und Wasserstoff
• Warum reden alle über Wasserstoff? – Interview mit Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner
• Elektrolyse – Die Schlüsseltechnologie für Power-to-X

Literatur:

[1] J. Adolf, M. Fischedick, Shell Wasserstoff-Studie Energie der Zukunft?: Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzelle und H2, 2017.
[2] K. Schönleber, Wasserstoffwirtschaft –Ein flüchtiger Traum?, Kultur & Technik – das Magazin aus dem Deutschen Museum (2020).
[3] C. Flavell-While, Fritz Haber and Carl Bosch – Feed the World, 2010. https://www.thechemicalengineer.com/features/cewctw-fritz-haber-and-carl-bosch-feed-the-world/ (accessed 30 April 2021).
[4] International Renewable Energy Agency, Green hydrogen: A guide to policy making.
[5] Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Strategiepapier zum Forschungsbedarf in der Wasserstoff-Energietechnologie, 2005.
[6] J. Töpler, J. Lehmann, Wasserstoff und Brennstoffzelle, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2017.
[7] Hydrogen Insights: A perspective on hydrogen investment, market development and cost competitiveness, 2021.
[8] BMWi, Nationales Reformprogramm 2020 – Die Nationale Wasserstoffstrategie, 2020.