Wasserstoff - das bekannte Wesen wird neu entdeckt

Wien. Wasserstoff ist seit geraumer Zeit in aller Munde. Vor allem als sauberer Energielieferant der Zukunft soll das Element der Welt einen guten Dienst erweisen.

War es früher eher die Wasserstoffbombe an die man dachte, so gehen die Entwicklungen und Forschungen in der jüngeren Vergangenheit eher in Richtung Antrieb für Autos, als Kraftwerke oder auch in Form einer H-Elektrolyseanlage am Voest-Gelände in Linz.

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Das chemische Element mit dem Symbol H (für lateinisch hydrogenium "Wassererzeuger") hat im Periodensystem die Ordnungszahl 1. Er ist Bestandteil des Wassers und somit auch beinahe aller organischen Verbindungen - gebundener Wasserstoff kommt in sämtlichen lebenden Organismen vor.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Sein häufigstes Isotop, das auch als Protium bezeichnet wird, enthält kein Neutron, sondern besteht aus nur einem Proton und einem Elektron. Unter Bedingungen, die normalerweise auf der Erde herrschen, kommt nicht dieser atomare Wasserstoff vor, sondern stattdessen die dimerisierte Form, der molekulare Wasserstoff H2, ein farb- und geruchloses Gas vor. Bei bestimmten chemischen Reaktionen tritt Wasserstoff vorübergehend atomar als H auf, bezeichnet als naszierender Wasserstoff. In dieser Form reagiert er besonders stark mit anderen Verbindungen oder Elementen.

Die Entdeckung des Wasserstoffs

Der englische Chemiker und Physiker Henry Cavendish entdeckte im Jahre 1766 den Wasserstoff. Als Cavendish mit Metallen (Eisen, Zink und Zinn) und Säuren experimentierte, entstand ein Gas, welches leicht brennbar war und daher vom Chemiker als "inflammable air" bezeichnet wurde.

Schon im 17. Jahrhundert entdeckten Théodore Turquet de Mayerne (um 1620) und Robert Boyle (um 1670) das Knallgas - eine detonationsfähige Mischung aus gasförmigem Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2).

Seinen Namen erhielt der Wasserstoff dann durch den französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, der das Gas im Jahr 1787 unabhängig von Cavendish entdeckte. Lavoisier führte auch als Erster die bekannte "Knallgasprobe" durch. Als er in weiteren Experimenten zeigte, dass sich aus dem Gas umgekehrt Wasser erzeugen lässt, taufte er es hydro-gène (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach: "Wassererzeuger". Die deutsche Bezeichnung lässt auf die gleiche Begriffsherkunft schließen.

Ein Universum voller Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element in der Sonne und den großen Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, die über 99,99  Prozent der Masse des Sonnensystems in sich vereinen. Wasserstoff stellt 75 Prozent der gesamten Masse beziehungsweise 93 Prozent aller Atome des Sonnensystems. Im gesamten Weltall wird (unter Nichtbeachtung dunkler Materie) ein noch höherer Anteil an Wasserstoff vermutet, meint Wikipedia.

Auf der Erde ist der Massenanteil allerdings wesentlich geringer. Bezogen auf die Erd-Gesamtmasse bestehen etwa 0,12 Prozent und bezogen auf die Erdkruste etwa 2,9 Prozent aus Wasserstoff. Zudem liegt der irdische Wasserstoff im Gegensatz zu den Vorkommen im All überwiegend gebunden und nur selten in reiner Form als unvermischtes Gas vor. Die bekannteste und am häufigsten auftretende Verbindung ist das Wasser. Neben diesem sind auch Erdgase wie etwa Methan sowie das Erdöl wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen auf der Erde. Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten.

Wasserstoffherstellung

Eine Methode zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die Dampfreformierung. Dabei werden bei hoher Temperatur und hohem Druck Kohlenwasserstoffe mit Wasser umgesetzt, es entsteht Synthesegas, ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Mengenverhältnis kann dann durch die sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion eingestellt werden. Diese Methode wird hauptsächlich für industrielle Hochdrucksynthesen eingesetzt. Die zweite gängige Methode in der Industrie ist die partielle Oxidation. Hierbei reagiert meistens Erdgas mit Sauerstoff unter Bildung von H2 und Kohlenmonoxid.

Atomarer Wasserstoff kann durch Zufuhr der Dissoziationsenergie aus dem molekularen Element erzeugt werden. Methodisch wird dieses bewerkstelligt durch Erhitzung auf mehrere tausend Grad, elektrische Entladung bei hoher Stromdichte und niedrigem Druck, Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, Beschuss mit Elektronen bei 10 bis 20 Elektronenvolt oder Mikrowellenstrahlung. Allerdings reagiert atomarer Wasserstoff (z. B. an Behälterwänden) sehr schnell wieder zu molekularem Wasserstoff. Es stellt sich somit ein Fließgleichgewicht ein, das in der Regel weit auf der Seite des molekularen Wasserstoffs liegt.

Wasserstoff als Energiespeicher

Wasserstoff als Energieträger verursacht keine schädlichen Emissionen, insbesondere kein Kohlendioxid, wenn er aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne oder Biomasse gewonnen wird.

Wasserstoffgas enthält mehr Energie pro Gewichtseinheit als jeder andere chemische Brennstoff, allerdings deutlich weniger Energie pro Volumeneinheit, selbst in flüssigem Zustand. Wasserstoff ist, wie auch elektrische Energie, keine Primärenergie, sondern muss wie Strom aus Primärenergie hergestellt werden.

Die technischen Probleme bei der Speicherung von Wasserstoff gelten heute als gelöst. Verfahren wie Druck- und Flüssigwasserstoffspeicherung und die Speicherung in Metallhydriden befinden sich im kommerziellen Einsatz. Daneben existieren weitere Verfahren, die sich noch im Stadium der Entwicklung oder in der Grundlagenforschung befinden.

Die verschiedenen Speichermethoden werden nach ihren Eigenschaften und den spezifischen Anforderungen der Fahrzeuge (etwa PKW, Bus, Schiff, Flugzeug) eingesetzt:

die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckbehältern,

die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in vakuumisolierten Behältern,

die Einlagerung von Wasserstoff in Metallhydriden oder in Kohlenstoff-Nanoröhren.

Die ersten beiden Methoden erlauben eine einfache Wiedergewinnung des Wasserstoffs. Drucktanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff mit bis zu 800 bar sind Behälter, die allen Sicherheitsanforderungen der Fahrzeughersteller entsprechen und vom TÜV abgenommen sind.

Da sich das Sicherheitsventil für Überdruck innerhalb des Tanks befindet, wird Wasserstoff im Notfall schrittweise abgegeben und verflüchtigt sich schnell. Wenn eine Zündquelle in der Nähe ist, kann sich der Wasserstoff entzünden, verbrennt aber schnell und mit geringer Wärmeabstrahlung. Eine Explosion ist nahezu unmöglich, da die Konzentration des Wasserstoffs in der Luft nicht ausreicht. Reiner Wasserstoff ist nicht explosiv.

Speicherung in Hydriden oder Nanoröhren stellen die sichersten Methoden dar. Die Tanks sind jedoch schwerer. In einem 200-kg-Tank können nur etwa 2 kg Wasserstoff gespeichert werden, was energetisch etwa 8 Litern Benzin entspricht. Auch ist die Rückgewinnung gasförmigen Wasserstoffs durch Wärmezuführung aufwendiger. Diese Form der Speicherung ist kostenintensiver als die Speicherung in Druck- und Flüssiggastanks.

Einsatzgebiete

Jedes Jahr werden weltweit mehr als 600 Milliarden Kubikmeter Wasserstoff (das entspricht etwa 30 Millionen Tonnen) für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik gewonnen.

Wichtige Einsatzgebiete sind - laut Wikipedia:

Energieträger: Beim Schweißen, als Raketentreibstoff. Von seiner Verwendung als Kraftstoff für Strahltriebwerke, in Wasserstoffverbrennungsmotoren oder über Brennstoffzellen verspricht man sich, in absehbarer Zeit die Nutzung von Erdölprodukten ablösen zu können (siehe Wasserstoffantrieb), weil bei der Verbrennung vor allem Wasser entsteht, doch kein Ruß und kein Kohlenstoffdioxid. Wasserstoff ist jedoch im Gegensatz zu Erdöl keine Primärenergie.

Kohlehydrierung: Durch verschiedene chemische Reaktionen wird Kohle mit H2 in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt. So lassen sich Benzin, Diesel und Heizöl künstlich herstellen. Momentan haben beide vorgenannten Verfahren wegen höherer Kosten noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, sobald die Ölvorräte der Erde zur Neige gehen.

Reduktionsmittel: H2 kann mit Metalloxiden reagieren und ihnen dabei den Sauerstoff entziehen. Es entsteht Wasser und das reduzierte Metall. Das Verfahren wird bei der Verhüttung von metallischen Erzen angewandt, insbesondere um Metalle möglichst rein zu gewinnen.
Mit dem Haber-Bosch-Verfahren wird aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak hergestellt und daraus wichtige Düngemittel und Sprengstoffe.

Fetthärtung: Gehärtete Fette werden aus Pflanzenöl mittels Hydrierung gewonnen. Dabei werden die Doppelbindungen in ungesättigten Fettsäure-Resten der Glyceride mit Wasserstoff abgesättigt. Die entstehenden Fette haben einen höheren Schmelzpunkt, wodurch das Produkt fest wird. Auf diese Weise stellt man Margarine her. Dabei können als Nebenprodukt auch gesundheitlich bedenkliche trans-Fette entstehen.

Lebensmittelzusatzstoff: Wasserstoff ist als E 949 zugelassen und wird als Treibgas, Packgas u. ä. verwendet.

Kühlmittel: Aufgrund seiner hohen Wärmekapazität benutzt man (gasförmigen) Wasserstoff in Kraftwerken und den dort eingesetzten Turbogeneratoren als Kühlmittel. Insbesondere setzt man H2 dort ein, wo eine Flüssigkeitskühlung problematisch werden kann. Die Wärmekapazität kommt dort zum Tragen, wo das Gas nicht oder nur langsam zirkulieren kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls hoch ist, verwendet man strömendes H2 auch zum Abtransport von thermischer Energie in große Reservoire (z. B. Flüsse). In diesen Anwendungen schützt Wasserstoff die Anlagen vor Überhitzung und erhöht die Effizienz. Von Vorteil ist dabei, dass Wasserstoff durch seine geringe Dichte, die in die Reynoldszahl eingeht, bis zu höheren Geschwindigkeiten widerstandsarm laminar strömt als andere Gase.

Kryogen: Wegen der hohen Wärmekapazität und niedrigem Siedepunkt eignet sich flüssiger Wasserstoff als Kryogen, also als Kühlmittel für extrem tiefe Temperaturen. Auch größere Wärmemengen können von flüssigem Wasserstoff gut absorbiert werden, bevor eine merkliche Erhöhung in seiner Temperatur auftritt. So wird die tiefe Temperatur auch bei äußeren Schwankungen aufrechterhalten.

Traggas: In Ballons und Luftschiffen fand Wasserstoff eine seiner ersten Verwendungen. Wegen der leichten Entzündlichkeit von H2-Luft-Gemischen führte dies jedoch wiederholt zu Unfällen. Die größte Katastrophe in diesem Zusammenhang ist wohl das Unglück der "Dixmude" 1923, am bekanntesten wurde sicherlich die "Hindenburg-Katastrophe" im Jahr 1937. Wasserstoff als Traggas wurde mittlerweile durch Helium ersetzt und erfüllt diesen Zweck nur noch in sehr speziellen Anwendungen.

Die beiden natürlichen Isotope haben spezielle Einsatzgebiete.

Deuterium findet (in Form von schwerem Wasser) in Schwerwasserreaktoren als Moderator Verwendung, d. h. zum Abbremsen der bei der Kernspaltung entstehenden schnellen Neutronen auf thermische Geschwindigkeit.

Deuterierte Lösungsmittel werden in der magnetischen Kernresonanzspektroskopie benutzt, da Deuterium einen Kernspin von Eins besitzt und im NMR-Spektrum des normalen Wasserstoff-Isotops nicht sichtbar ist.

In der Chemie und Biologie helfen Deuteriumverbindungen bei der Untersuchung von Reaktionsabläufen und Stoffwechselwegen (Isotopenmarkierung), da sich Verbindungen mit Deuterium chemisch und biochemisch meist nahezu identisch verhalten wie die entsprechenden Verbindungen mit Wasserstoff. Die Reaktionen werden von der Markierung nicht gestört, der Verbleib des Deuteriums ist in den Endprodukten dennoch feststellbar.

Ferner sorgt der erhebliche Massenunterschied zwischen Wasserstoff und Deuterium für einen deutlichen Isotopeneffekt bei den massenabhängigen Eigenschaften. So hat das schwere Wasser einen messbar höheren Siedepunkt als Wasser.

Das radioaktive Isotop Tritium wird in Kernreaktoren in industriell verwertbaren Mengen hergestellt. Außerdem ist es neben Deuterium ein Ausgangsstoff bei der Kernfusion zu Helium. In der zivilen Nutzung dient es in Biologie und Medizin als radioaktiver Marker. So lassen sich beispielsweise Tumorzellen aufspüren. In der Physik ist es einerseits selbst Forschungsgegenstand, andererseits untersucht man mit hochbeschleunigten Tritiumkernen schwere Kerne oder stellt künstliche Isotope her.

Mit Hilfe der Tritiummethode lassen sich Wasserproben sehr genau datieren. Mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren eignet es sich besonders für die Messung relativ kurzer Zeiträume (bis zu einigen hundert Jahren). Unter anderem lässt sich so das Alter eines Weines feststellen.

Es findet Verwendung als langlebige, zuverlässige Energiequelle für Leuchtfarben (im Gemisch mit einem Fluoreszenzfarbstoff), vor allem in militärischen Anwendungen, aber auch in Armbanduhren. Weitere militärische Verwendung findet das Isotop in der Wasserstoffbombe und gewissen Ausführungen von Kernwaffen, deren Wirkung auf Spaltung beruht.

Wasserstoffwirtschaft

"Eine Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept einer Energiewirtschaft, die hauptsächlich oder ausschließlich Wasserstoff als Energieträger verwendet. Bisher wurde eine Wasserstoffwirtschaft in keinem Land der Erde verwirklicht", so Wikipedia.<p>Wasserstoff ist wie Elektrischer Strom kein Primärenergieträger, sondern muss erst künstlich und unter Energieverlusten aus anderen Energiequellen (fossile Energie, Kernenergie oder Erneuerbare Energien) gewonnen werden. Damit ist eine Wasserstoffwirtschaft nicht automatisch nachhaltig, sondern nur so nachhaltig wie die Primärenergie, aus denen der Wasserstoff gewonnen wird. Derzeit geschieht dies bei Wasserstoff zum Einsatz in der Chemieindustrie weitestgehend auf Basis Fossiler Energieträger. Konzepte für zukünftige Wasserstoffwirtschaften sehen hingegen zumeist die Wasserstoffgewinnung aus Erneuerbaren Energien vor, womit eine solche Wasserstoffwirtschaft emissionsfrei sein könnte.

 Wasserstoff oder aus Wasserstoff gewonnene Brennstoffe wie Methan oder Methanol verstärkt in die bisherige Energieinfrastruktur einzubinden. Eine wichtige Rolle hierbei spielt die Power-to-Gas-Technologie, der eine wichtige Rolle als Langfristspeicher zuerkannt wird.