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H2-Eigenschaften
Wasserstoff
Wasserstoff ist chemisches Element. Im Periodensystem ist es mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1 gekennzeichnet. Unter atmosphärischen Bedingungen, die auf der Erde vorherrschen, liegt Wasserstoff gasförmig als molekularer Wasserstoff H2 vor. Das Gas ist farb- und geruchlos.
Wasserstoff wird gemäß der Urknalltheorie eine fundamentale Bedeutung für die Entstehung von unserer heute bekannten Welt zugetragen. Durch eine Kernfusion sind die drei Stoffe Wasserstoff, Helium und Lithium entstanden, Diese bildeten die Basis für alle weiteren Elemente. Mit über 90 % tritt Wasserstoff als Element am häufigsten im Universum auf. Des Ebenso stellt es mit einem Anteil von über 60 % im menschlichen Körper ein essentieller Bestandteil dar. Wasserstoff nimmt rund 10 % der Körpermasse ein. Dieses Element ist eine lebensnotwendige Grundlage für viele Organismen.
In der chemischen Industrie wird für vielfältige Prozesse Wasserstoff benötigt. Beispielsweise zur Herstellung von Stickstoffdünger, Raffinierung von Mineralöl oder zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen. Hier fungiert Wasserstoff oftmals als Ausgangsmaterial oder Prozessgas. Die chemische Industrie ist derzeitig der größte Nutzer von Wasserstoff. Laut einer Analyse der Internationale Energy Agency wurden im Jahr 2019 weltweit rund 117 Millionen Tonnen Wasserstoff hergestellt. Allein 38 Millionen Tonnen nutzen Raffinerien, beispielsweise zur Erzeugung von Kraftstoffen. 31 Millionen Tonnen wurden zur Herstellung von Ammoniak eingesetzt. (Quelle für diese Daten: IEA (2019), The Future of Hydrogen: Seizing today’s opportunities, OECD, Paris Cedex 16, https://doi.org/10.1787/1e0514c4-en.)
Potential des Wasserstoffs – Energieträger der Zukunft
Die Funktion des Wasserstoffes steht aktuell jedoch im Wandel. Im Vergleich mit anderen Energieträgern besitzt Wasserstoff mit 33,3 kWh/kg eine sehr hohe gravimetrische Energiedichte. Unter dem Einsatz von erneuerbaren Energien ist eine klimafreundliche und CO2-neutrale Erzeugung von grünem Wasserstoff möglich. Wasserstoff als Energieträger ist vielfältig einsetzbar. Grüner Wasserstoff besitzt u. a. das Potenzial mit Hilfe von Brennstoffzellen Elektromotoren zu betreiben, Energie zu speichern und Häuser zu beheizen. Zusammengefasst bestehende folgende Vorteile durch den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger:
- Die Herstellung von Wasserstoff ist durch unterschiedliche Verfahren möglich. Grüner Wasserstoff kann durch den Einsatz von Erneuerbaren Energien und der Elektrolyse hergestellt werden. Prinzipiell lässt sich Wasserstoff leicht und flexible erzeugen.
- Folglich dient Wasserstoff als Energiespeicher. Insbesondere im Zusammenhang mit dem Einsatz von erneuerbaren Energien kann dies eine Schlüsseltechnologie zur Sicherung einer kontinuierlichen und klimaneutralen Stromversorgung sein.
- Auch im Bereich der Verbrennungsprozesse zeigt Wasserstoff umfangreiche Potentiale auf. Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen nur sehr geringe Emission, die aber schadstofffrei sind und sich nicht klimaschädigend auswirken.
- Im Bereich der Mobilität sind u.a. auch die kurze Betankungsprozesse ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Elektromobilität. Prinzipiell könnten klimaschädliche Kraftstoffe durch den Einsatz von Wasserstoff im Zusammenhang mit Brennstoffzellen oder mit in Form eines Verbrennungsmotor einen revolutionären Wandel begründen.
- Mit dem Einsatz von Wasserstoff ist es möglich, die Dekarbonisierung in einzelnen Wirtschaftszweigen bzw. auch durch die Kopplung von unterschiedlichen Wirtschaftszweigen fundamental zu beschleunigen. Ein zentrales Verfahren für diesen Fortschritt ist die Elektrolyse.
Im Jahr 2020 prognostizierte das Fraunhofer einen Wasserstoffbedarf von 800 TWh in Deutschland für das Jahr 2050. Für Europa wird ein Bedarf in Höhe von 2.250 TWh angegeben (Quelle: C. Hebling, M. Ragwitz, T. Fleiter, U. Groos, D. Härle, A. Held, M. Jahn, N. Müller, T. Pfeifer, P. Plötz, O. Ranzmeyer, A. Schaadt, F. Sensfuß, T. Smolinka, M. Wietschel: Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland, Oktober 2019). Weitere Studien bestätigen einen stark steigenden Bedarf an Wasserstoff. In der Funktion als Energieträger kann Wasserstoff zukünftig in einer breiten Vielfalt im industriellen als auch im privaten Bereich Einsatz finden.
Der Umgang mit Wasserstoff erfordert einige Besonderheiten aufgrund der stofflichen Eigenschaften. Ausgewählte physikalisch chemische Eigenschaften des Wasserstoffes im Vergleich zu anderen Energieträgern sind:
Eigenschaft |
Wasserstoff H2 |
Methan |
Diesel |
Benzin (Normal) |
Gravimetrische Energiedichte |
33,3 kWh/kg |
13,6 kWh/kg |
≈ 11,9 kWh/kg |
≈ 12 kWh/kg |
Dichte |
0,0899 kg/m³ |
0,7175 kg/m³ |
<= 0,8 ... 0,91 g/cm³ (bei 15 °C) |
0,78 g/cm³ (Bei 20 °C) |
Molmasse |
2,02 g/mol |
16,04 g/mol |
~ 120–320 g/mo |
~ 107 g/mol |
Siedepunkte |
-253 °C |
-161,5 °C |
141 ... 462 °C |
30 ... 215 °C |
Flammpunkt |
entfällt |
entfällt |
> 56 °C |
< -35 °C |
Explosionsbereich – |
4,0 Vol.-% 3,4 g/m³ |
4,4 Vol.-% 29 g/m³ |
0,6 Vol.-% |
ca. 0,6 Vol.-% |
Explosionsbereich – |
77 Vol.-% 65 g/m³ |
17 Vol.-% 113 g/m³ |
6,5 Vol.-% |
ca. 8 Vol.-% |
Verbrennungsgeschwindigkeit |
102 – 346 cm/s |
43 cm/s |
|
40 cm/s |
Zündtemperatur |
560 °C |
595 °C |
>= 225 °C |
Ca. 220 °C |
Temperaturklasse |
T1 |
T1 |
T3 |
T3 |
Mindestzündenergie |
0,02 mJ |
0,29 mJ |
|
0,24 mJ |
Explosionsgruppe |
IIC |
IIA |
IIA |
IIA |
Quellen: https://gestis.dguv.de/data?name=007010; https://gestis.dguv.de/data?name=010000; https://gestis.dguv.de/data?name=531390; https://gestis.dguv.de/data?name=536303; https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/265 |
Die stofflichen Eigenschaften bedingen unterschiedlichste Gefahren. Wasserstoff ist extrem entzündlich und kann unter bestimmten Bedingungen eine explosionsfähige Atmosphäre verursachen. Ein wesentlicher Unterschied zu etablierten Brennstoffen ist die Einstufung der Explosionsgruppe. Bisherige Brennstoffe wurden vorrangig als Gase der Gruppe IIA oder IIB eingestuft. Wasserstoff ist der Gasgruppe IIC zuzuordnen. Hier müssen die höchsten Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Zur Erhöhung der Speicherdichte wird Wasserstoff komprimiert und auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt. In vielen Wasserstoffsystemen sind demzufolge Gefährdungspotenziale durch die gespeicherte Energie (Druckenergie) zu berücksichtigen.
Gesellschaftliche Verantwortung und Akzeptanz
Der sichere Umgang mit Wasserstoff ist realisierbar. Dies zeigen die bisherigen Nutzer, insbesondere die chemische Industrie, tagtäglich. Hier befassen sich sensibilisierte und qualifizierte Fachkräfte mit der Gewährleistung der Sicherheit. Der Wandel des grünen Wasserstoffes zum Energieträger führt jedoch zur starken Erweiterung des Nutzerkreises, sowohl im Bereich der industriellen als auch der privaten Anwendung. Infolgedessen entstehen neue Herausforderungen im Bereich der Sicherheitstechnik. Beispielsweise ergibt die Anwendbarkeit der bestehenden Sicherheitskonzepte in neuen größeren Maßstäben neue Fragestellungen, die eine Weiterentwicklung und Anpassung bedürfen. Dabei sind sowohl technische als auch personelle Faktoren zu berücksichtigen.
Diese Herausforderungen sind zu bewältigen, um die Wasserstofftechnologien und deren Nutzung sicher zu gestalten. Unfälle mit katastrophalen Folgen sind zu vermeiden, um eine gesellschaftliche Akzeptanz der Wasserstofftechnologie zu festigen. Demnach tragen alle Beteiligten des aktuellen Wandels eine hohe gesellschaftliche Verantwortung.