Fahrzeug transportiert Wasserstoff im Stahlbehaelter
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19.04.2021 Fachinformation

Wasserstoff: Chemischer Winzling mit riesiger Bedeutung für eine erfolgreiche Energiewende

Gerade einmal 0,000000031 mm klein und dennoch mit großem Potential – das ist Wasserstoff. Insbesondere grüner Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft gehandelt, allen voran im Mobilitätssektor. Der Umgang mit Wasserstoff ist allerdings nicht ungefährlich.

Fachleute in der Normung engagieren sich, um die Nutzung von Wasserstoff in verschiedenen Bereichen und für unterschiedliche Anwendungen sicher zu gestalten und ihn als Bestandteil intelligenter Energiesysteme zu integrieren.

Kontakt

Dr. David Urmann
Zuständiges Gremium

Wasserstoff – Element Nr. 1

Im Periodensystem der Elemente befindet sich Wasserstoff oben links unter der Ordnungszahl 1 und dem Symbol H (lat: hydrogenium; de: „Wassererzeuger“). Unter alltäglichen Bedingungen ist Wasserstoff ein farb- und geruchloses, zweiatomiges Gas (H2). Wird Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff (O2) zur Reaktion gebracht, setzt es viel Energie und etwas Wasser frei, jedoch kein Kohlenstoffdioxid (CO2).

Die gewichtsbezogene (gravimetrische) Energiedichte von Wasserstoff übertrifft mit 120 kJ/g alle uns bislang bekannten elektrischen Speichermöglichkeiten um mindestens zwei Größenordnungen. Überschüssige Energie aus regenerativen Quellen (z. B. Windkraft und Photovoltaik) ließe sich daher in großem Umfang als Wasserstoff speichern. All diese Eigenschaften machen Wasserstoff für die Energiewende hochinteressant (BMWi 2020)1.

Auf der Erde sind große Mengen Wasserstoff vorhanden. Die bislang bekannten Vorkommen umfassen jedoch nahezu ausschließlich Wasserstoff in chemisch gebundener Form, zum Beispiel Wasser, Kohlenwasserstoffe und Mineralien. Freier Wasserstoff kann zwar auch durch geologische Vorgänge in nennenswerten Mengen entstehen (IFPEN 2013)2, größere Ansammlungen in der Erdkruste konnten aber bislang nicht nachgewiesen werden (Franke 2020)3. Wasserstoff muss daher unter Energieaufwand aus chemischen Verbindungen hergestellt werden.


Wasserstoff Innovation und Energie
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VDE Faktencheck: Wasserstoff in der Mobilität

Mit steigendem Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien wächst der Bedarf an Speichertechnologien. Parallel steigt die Nachfrage nach alternativen Kraftstoffen im Verkehrssektor. Wasserstoff spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Der VDE Faktencheck beinhaltet Grundlegendes zum Einsatz von Wasserstoff und Brennstoffzellen und geht dabei auf die verschiedenen Mobilitätsanwendungen ein.

Zum VDE Faktencheck

Erzeugung und Kosten

Das meistgenutzte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die sog. „Dampfreformierung“. In diesem mehrstufigen Prozess werden Kohlenwasserstoffe (allen voran Erdgas) zusammen mit Wasserdampf bei hohem Druck und hoher Temperatur über Katalysatoren zur Reaktion gebracht. Heraus kommen dabei Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) – letzteres sogar in relativ hohen Mengen. Abgesehen von Prozessen, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt, erfolgt derzeit praktisch die gesamte weltweite Wasserstoffgewinnung über Dampfreformierung. Mit Herstellungskosten von 1,50 €/kg ist es zudem das preiswerteste Verfahren zur Wasserstoffgewinnung (IEA)4.

Große Hoffnungen werden auf die Darstellung von Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse mittels verschiedener Verfahren (z. B. alkalische Elektrolyse (AEL) oder PEM-Elektrolyse) gesetzt. Wasser (H2O) wird jeweils in einem Elektrolyseur unter Einsatz von elektrischem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Noch ist Wasserstoff in der Herstellung aus Elektrolyse mit etwa 4 €/kg teuer. Die Internationale Energieagentur (IEA) geht aber davon aus, dass Skalierungseffekte und sinkende Preise für elektrischen Strom aus erneuerbaren Energiequellen die Kosten bis 2030 um 30 Prozent sinken lassen können (IEA 2019)5.

Wasserstoff: Darstellung oder Herstellung?

Ganz gleich ob Elektrolyse, Dampfreformierung oder vergleichbare Verfahren: Durch die Brille der Physik betrachtet, wird bei keinem dieser Prozesse Wasserstoff „erzeugt“ bzw. „hergestellt“.

Was tatsächlich stattfindet: eine Abspaltung bzw. Freisetzung von Wasserstoffmolekülen aus wasserstoffhaltigen chemischen Ausgangsverbindungen. Deshalb wird nicht selten auch von einer „Darstellung“ beim Wasserstoff gesprochen.

In der Wissenschaft somit durchaus von Bedeutung, wird diese feine Unterscheidung im Alltag hingegen kaum getroffen.

Die bunte Welt des Wasserstoffs

Ob mit fossilen oder auch regenerativen Energieträgern gewonnen, klimafreundlich oder -schädlich: Wasserstoff ist zunächst einmal Wasserstoff. Vor diesem Hintergrund wird Wasserstoff daher mitunter sprachlich „gefärbt“.

Die „Farbe“ bzw. Kategorie, die der Wasserstoff dabei zugewiesen bekommt, gibt einen grundlegenden Aufschluss über die Energiequelle, die zur Gewinnung des Wasserstoffs angezapft wurde und erlaubt so Rückschlüsse auf dessen Umweltverträglichkeit.

Die bunte Welt des Wasserstoffs

Die bunte Welt des Wasserstoffs

| VDE DKE

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich unter Einsatz von regenerativen Energiequellen gewonnen und kann somit eine vorteilhafte CO2-Bilanz aufweisen. Allen voran steht hier die Elektrolyse von Wasser mit elektrischem Strom aus regenerativen Energiequellen. Darüber hinaus sind aber auch andere Verfahren denkbar, zum Beispiel die Vergärung oder Vergasung von Biomasse und die Reformierung von Biogas.

Roter Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen, wobei der elektrische Strom in diesem Fall aus Atomkraft stammt. Mitunter ist hier auch von pinkem, rosa oder violettem Wasserstoff die Rede.

Gelber Wasserstoff wird durch Elektrolyse gewonnen. Der genutzte elektrische Strom weist einen Mix aus erneuerbaren und fossilen Quellen auf.

Weißer Wasserstoff entstammt natürlichen bzw. geologischen Vorgängen. Noch ist allerdings unklar, inwiefern die Nutzung dieser Vorkommen technisch und wirtschaftlich durchführbar ist.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, vor allem mittels Dampfreformierung aus Erdgas. Das entstehende CO2 wird in die Atmosphäre freigesetzt, wo es den globalen Treibhauseffekt verstärkt.

Brauner und schwarzer Wasserstoff wird unter Einsatz von (Braun-)Kohle gewonnen. Er ähnelt damit dem grauen Wasserstoff.

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff gewonnen. Das entstehende CO2 wird beim blauen Wasserstoff jedoch mittels Carbon Capturing and Storage (CCS) aufgefangen und gespeichert (zum Beispiel durch Verpressen in ausgediente Erdgaslagerstätten) oder durch Carbon Capturing and Utilization (CCU) zur Verwendung in anderen chemischen Prozessen abgetrennt. Das Verfahren kann CO2-arm sein, sofern das hierbei abgetrennte CO2 auch in den nachgelagerten Schritten nicht in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Türkiser Wasserstoff wird durch Pyrolyse von Methan gewonnen. Das Verfahren wird derzeit noch erprobt. Als Nebenprodukt fällt kein CO2 an, sondern fester Kohlenstoff. Ähnlich dem blauen Wasserstoff kann auch dieses Verfahren CO2-arm sein, sofern der abgeschiedene Kohlenstoff in den nachgelagerten Schritten nicht als CO2 in die Atmosphäre abgegeben wird.


3D Konzept Wasser Moleküle
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Wasserstoff: Grünes Öl der Zukunft

Mit ihren Wasserstoffstrategien wollen Deutschland und die Europäische Union den Wasserstoff zum sauberen Energieträger der Zukunft machen. Nach jahrzehntelanger Forschung hat Wasserstoff das Potenzial, sich als wichtiges Element der Energiewende etablieren. Deutschland will hierbei weltweit technologieführend werden. Bis dahin ist es ein weiter Weg und es gibt noch viel zu tun.

Artikel im VDE dialog lesen

Wichtiger Rohstoff und Energieträger

Während Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gehandelt wird, ist er bereits für die Gegenwart ein wichtiger Rohstoff. So betrug die weltweite Produktion von Wasserstoff im Jahr 2019 etwa 117 Millionen Tonnen (Statista 2019)6. Die größten Abnehmer für aufgereinigten Wasserstoff sind die metallverarbeitende und die chemische Industrie. Allein für die Synthese von Ammoniak wurden 2018 rund 32 Millionen Tonnen Wasserstoff nachgefragt (Statista 2018)7.

Ammoniak ist ein bedeutender Ausgangsstoff für eine breite Palette an pharmazeutischen und kosmetischen Produkten, vor allem aber für die Produktion von Düngemittel in der Landwirtschaft. Über diese Kette ist Wasserstoff sogar ein wichtiger Faktor für die Ernährung der Weltbevölkerung.

Zukünftig soll Wasserstoff darüber hinaus als Energieträger eine wichtige Rolle spielen und helfen, die globalen Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Die um ein Vielfaches höhere gravimetrische Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien macht den Einsatz von Wasserstoff vor allem überall attraktiv, wo Gewicht und Nutzlast eine besonders hohe Bedeutung haben, wo gleichzeitig die Reichweiten hoch und die Standzeiten niedrig sein müssen wie zum Beispiel im Flug- und Schwerlastverkehr. Neben der direkten Verbrennung von Wasserstoff spielt hier vor allem die Rückverstromung mittels Brennstoffzellen eine Rolle. Für die Anwendungsmöglichkeiten im Mobilitätssektor gibt der VDE Faktencheck Wasserstoff in der Mobilität einen sehr guten Überblick.

Über die Brennstoffzellentechnologie eröffnen sich dem Wasserstoff aber weit über den Mobilitätssektor hinaus vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Perspektivisch könnten Mikrobrennstoffzellen unter anderem Batterien in elektrischen Geräten, wie Mobiltelefonen und Computern, ersetzen und dabei längere Laufzeiten der Geräte ermöglichen. Im größeren Maßstab könnten Brennstoffzellen als Ersatz für Dieselgeneratoren in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden (NOW)8. Bereits Realität sind Brennstoffzellen-basierte Flurförderfahrzeuge (z. B. Gabelstapler), die sich insbesondere für den Inneneinsatz in hygienekritischen Bereichen eignen. In Japan schon weit verbreitet, in Europa aber noch ganz am Anfang: Brennstoffzellen-Heizungen. Über Kraft-Wärme-Kopplung stellen diese Geräte elektrischen Strom zur Verfügung und nutzen die entstehende Abwärme zur Bereitstellung von Nutzwärme, zum Beispiel in Form von Warmwasser. Die Energieausbeute (der kombinierte elektrische und thermische Wirkungsgrad) kann dabei Werte von nahe 100 Prozent erreichen.


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Fachleute in der Normung machen die Arbeit mit Wasserstoff sicher

Wasserstoff im Kontext der DKE

Wasserstoff im Kontext der DKE

| VDE DKE

In der elektrotechnischen Normung gewinnt das Thema Wasserstoff zunehmend an Bedeutung, da elektrische Anlagen unter anderem dort betrieben werden, wo Wasserstoff hergestellt, gelagert und verarbeitet wird. Darüber hinaus gewinnt Wasserstoff als Energieträger für elektrische Geräte immer mehr an Bedeutung.

Bei VDE DKE engagieren sich daher zahlreiche Fachleute in verschiedenen Normungsgremien, die sich mit den Aspekten der sicheren Nutzung von Wasserstoff beschäftigen – national und international. Eine Auswahl der nationalen Normungsgremien, die sich bei VDE DKE unter anderem mit der Sicherheit von Wasserstoff beschäftigen, stellen wir nachfolgend vor.

Sichere Nutzung von Wasserstoff (Explosionsschutz)

Öl- und Gasindustrie - Raffinerie, Fabrik, petrochemische Anlage
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Wasserstoff spielt als Reaktionspartner und Nebenprodukt schon länger eine wichtige Rolle in der Industrie. Wie Benzin, Diesel und viele andere Energieträger auch, kann Wasserstoff mit Luft bzw. Sauerstoff explosionsfähige Gemische bilden – umgangssprachlich als „Knallgas“ bekannt.

VDE DKE hat schon früh damit begonnen, Aspekte zu erarbeiten, wie die Nutzung von Wasserstoff sicher erfolgen kann. Das Ergebnis dieser Arbeit sind technische Normen – Vereinbarungen über technische Mindestanforderungen, um ein bestimmtes Maß an Sicherheit erreichen zu können.

So wurde bereits Anfang 1973 das Normungsgremium DKE/K 235Errichten elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen gegründet, das sich seither mit dem Thema des Explosionsschutzes auseinandersetzt. Im Bereich des Explosionsschutzes stechen vor allem nachfolgende Normen heraus:

DIN EN 60079 (Normreihe)

Explosionsschutz ist ein vielfältiges Thema.

Entsprechend befasst die Normreihe DIN EN 60079 mit den vielen zusätzlichen Maßnahmen für die Errichtung und den sicheren Betrieb elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen.

DIN EN 60079-10-1 (VDE 0165-101)

Mit dem Risiko der Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre wächst auch der Aufwand zur Vermeidung der Bildung einer Zündquelle.

Explosionsgefährdete Bereiche werden daher entsprechend dem vorhandenen Risikopotential in Zonen eingeteilt, für die jeweils bestimmte konstruktive und betriebstechnische Anforderungen gelten. Die Norm bietet Hilfestellung zur Beurteilung der Entzündungsgefahr und der Festlegung jener Zonen.

DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1)

Grundsätzlich ist es sinnvoll, elektrische Anlagen nicht in explosionsgefährdeten Bereichen zu betreiben.

Das Befolgen dieses Grundsatzes ist jedoch nicht immer und überall mit vertretbarem Aufwand möglich. Die Norm behandelt die Grundsätze zur Auswahl und Eignung von Geräten zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen sowie die Errichtung von elektrischen Anlagen in denselben.

Sicherer Betrieb von Brennstoffzellen mit Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff-Brennstoffzelle - Labor
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In jüngster Vergangenheit erfährt Wasserstoff als Energieträger wachsende Aufmerksamkeit. Auch hier hat VDE DKE schon früh mit der Begleitung der Entwicklung begonnen.

1999 wurde das Normungsgremium DKE/K 384Brennstoffzellen gegründet, das sich unter anderem der Frage widmet, wie Brennstoffzellen sicher betrieben werden können. Über dieses Komitee verleiht VDE DKE der deutschen Wirtschaft eine Stimme auf dem internationalen Parkett, wenn es darum geht, global einheitliche Normen zum sicheren Betrieb von Brennstoffzellen zu entwerfen.

Eine Auswahl des Normen- und Projektportfolios zeigt deutlich, wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten von Brennstoffzellen und damit von Wasserstoff sind.

DIN EN IEC 62282-3-100 (VDE 0130-3-100)

Brennstoffzellen können an abgelegenen Standorten als Ersatz für Dieselgeneratoren dienen oder auch in Krankenhäusern die Notstromversorgung übernehmen. Die sicherheitstechnischen Anforderungen an diese stationären, also fest an einem Ort verankerte Brennstoffzellen, werden in diesem Normdokument beschrieben.

DIN EN 62282-6-101 (VDE 0130-6-101)

Brennstoffzellen können auch so klein gebaut werden, dass sie für die Stromversorgung von mobilen elektronischen Geräten, wie Laptops oder Mobiltelefonen geeignet sind. Die Norm definiert Sicherheitsanforderungen für diese sogenannten „Mikrobrennstoffzellen“ und die zugehörigen Brennstoffkartuschen.

DIN EN IEC 62282-4-202 (VDE 0130-4-202)

Brennstoffzellen können auch fliegen – zumindest in Verbindung mit einer Drohne. Im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien ermöglichen Brennstoffzellen höhere Nutzlasten und Reichweiten sowie kürzere Standzeiten. Die Norm befindet sich derzeit noch in der Erarbeitung und beschreibt einheitliche Testmethoden für das Leistungsverhalten entsprechender Brennstoffzellen.

DIN EN IEC 62282-8-301 (VDE 0130-8-301)

Brennstoffzellen haben einen Rückwärtsgang, fachlich korrekt auch „reversibler Betrieb“ genannt. Sogenannte „Festoxid-Brennstoffzellen“ können im reversiblen Betrieb CO2 aufnehmen und zusammen mit Wasser und elektrischem Strom zu Methan verarbeiten. Einheitliche Testmethoden für dieses Verfahren werden aktuell entwickelt und in der Norm beschrieben, sobald diese verfügbar ist.

Integration von Wasserstoff in intelligente Energiesysteme

Windräder mit Motiven zum Internet der Dinge
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Regenerative Energiequellen, beispielsweise Sonnenlicht und Wind, stellen ein kostenloses, jedoch fluktuierendes Energieangebot dar.

Das Normungsgremium DKE/K 901System Komitee Smart Energy widmet sich unter anderem der Fragestellung, wie die Ressource Elektrizität dynamisch-intelligent verteilt werden kann. Intelligente Energiesysteme ermöglichen neue Markt- und Netzfunktionen und umfassen die Verknüpfung aller Energieträger in allen Sektoren. Dazu gehört auch die Erzeugung von Wasserstoff (Power-to-Gas).

Das Gremium koordiniert darüber hinaus die gemeinsame Zusammenarbeit normungsrelevanter Kreise mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI).

IEC SRD 62913 (Dokumentenreihe)

Die Dokumentenreihe gibt eine Übersicht zu unterschiedlichen Use Cases, geordnet nach Themengebieten wie Märkte, Mobility und weiteren.

IEC SRD 63199

Dieses Dokument spiegelt den Stand der wichtigsten Normen im Bereich „Smart Energy Grid“ wider. Es identifiziert Punkte, die einer Standardisierung bedürfen, ihren aktuellen Status und die dafür erforderlichen Arbeiten.


Redaktioneller Hinweis:

Die im Text aufgeführten Normen können Sie beim VDE VERLAG erwerben.

Zum VDE VERLAG

Quellen und weiterführende Informationen

1 https://www.bmwi.de/[...]/die-nationale-wasserstoffstrategie.html

2 https://www.umweltdialog.de/[...]/2013-05-02_Der-natuerliche-Wasserstoff.php

3 Franke (2020): Dieter Franke, Martin Blumenberg und Martin Pein, Wasserstoffvorkommen im geologischen Untergrund, Commodity TopNews 63, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, 2020

4 https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen

5 The Future of Hydrogen, Seizing today’s opportunities. Final Report. International Energy Agency, Juni 2019.

6 https://de.statista.com/[...]/produktion-und-verwendung-von-wasserstoff-weltweit/

7 https://de.statista.com/[...]/weltweite-nachfrage-reiner-wasserstoff-nach-verwendung/

8 https://www.now-gmbh.de/[...]/now-factsheet_indien-1.pdf


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