Der Brennwert von Wasserstoff ist ein zentrales Thema in der Diskussion um alternative Energieträger und die Zukunft der Energieversorgung. Wasserstoff, das häufigste Element im Universum, hat das Potenzial, fossile Brennstoffe zu ersetzen und zur Reduktion von CO2-Emissionen beizutragen. Gelingen wird dies aber freilich nur, wenn der Brennwert mit jenem von fossilen Brennstoffen konkurrieren kann.
Was ist der Brennwert von Wasserstoff?
Der Brennwert ist die Energiemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzt wird. Bei Wasserstoff wird dieser Wert meist in Kilowattstunden pro Kilogramm (KWh/kg) oder pro Kubikmeter (KWh/m³) angegeben. Der Brennwert von Wasserstoff beträgt etwa 39,33 KWh/kg, was ihn zu einem der energieintensivsten Brennstoffe macht. Im Vergleich dazu hat Heizöl einen Brennwert von etwa 10-12 KWh/kg und Benzin etwa 13 KWh/kg (Quelle: Bundesverband Geothermie).
Technische Aspekte des Brennwerts von Wasserstoff
Physikalische Grundlagen
Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses Gas, das in der Natur in molekularer Form (H2) vorkommt. Bei der Verbrennung von Wasserstoff reagiert es mit Sauerstoff zu Wasser (H2O), wobei eine erhebliche Menge an Energie freigesetzt wird. Diese Energieumwandlung ist die Grundlage für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger.
Verbrennungsprozesse und Energieumwandlung
Die Verbrennung von Wasserstoff erfolgt in einem exothermen Prozess, bei dem Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren und dabei thermische Energie freisetzen. Dieser Prozess kann in Brennstoffzellen genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, oder in Verbrennungsmotoren, um mechanische Energie zu liefern.
Einfluss von Druck und Temperatur auf den Brennwert
Der Brennwert von Wasserstoff kann durch Druck und Temperatur beeinflusst werden. Unter hohem Druck und tiefen Temperaturen kann die Dichte des Gases erhöht werden, was die Speicherung und den Transport von Wasserstoff erleichtert.
Allerdings ist dies auch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Inzwischen sind die Transportkosten je Kilogramm Wasserstoff teilweise unter 1 Euro gefallen. Dies hängt aber von der Transportart ab.
Die günstigste Möglichkeit ist der Transport über eine Pipeline. Beim Transport per Schiff können die Preise aber auch leicht auf 2-5 Euro pro kg hochschnellen (Agora Energiewende/TU Hamburg). Im Vergleich dazu bewegen sich die Kosten für den Transport eines Kilogramms Benzin eher im Centbereich.
Heizwert von Wasserstoff
Der Heizwert, auch als unterer Heizwert (Hu) bezeichnet, ist eng mit dem Brennwert verknüpft. Der Begriff bezeichnet die Energiemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Brennstoffs freigesetzt wird. Dabei berücksichtigt der Wert aber nicht die Kondensationswärme des enthaltenen Wasserdampfs. Dies unterscheidet ihn vom Brennwert, der auch die Kondensationswärme einbezieht.
Der Heizwert von Wasserstoff liegt bei etwa 120 Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) oder umgerechnet etwa 33,33 Kilowattstunden pro Kilogramm (KWh/kg). Im Vergleich zu anderen Brennstoffen hat Wasserstoff einen sehr hohen Heizwert, was ihn zu einem attraktiven Energieträger macht.
Heizwert: Wasserstoff im Vergleich zu Fossilen
Um die Bedeutung des Heizwerts von Wasserstoff besser zu verstehen, ist ein Vergleich mit anderen gängigen Brennstoffen hilfreich (Quelle Bundesverband Geothermie):
- Erdgas: Ca. 34-42 MJ/kg (etwa 9,4 – 11.8 KWh/kg)
- Benzin: Ca. 44 MJ/kg (etwa 12,1 KWh/kg)
- Kohle (Koks): Ca. 29 MJ/kg (etwa 8,0 – 8,2 KWh/kg)
Dieser Vergleich zeigt, dass Wasserstoff im Vergleich zu konventionellen fossilen Brennstoffen einen deutlich höheren Heizwert besitzt.
Praktische Relevanz des Heizwerts von Wasserstoff
Der hohe Heizwert von Wasserstoff bedeutet, dass er eine große Menge an Energie pro Masseneinheit freisetzt. Das sorgt für eine hervorragende Effizienz und prädestiniert den Energieträger zum Einsatz bei Stromerzeugung und in Fahrzeugen. Darüber hinaus gilt Wasserstoff als ein guter Energieträger, um Energie zu speichern.
Interessant ist dies vor allem mit Blick auf den Klimaschutz. Da sich grüner Wasserstoff grundsätzlich vollständig mit erneuerbaren Energien herstellen lässt, wäre zumindest in der Theorie eine CO2-neutrale Speicherung von Energie möglich.
Der Transport von Wasserstoff stellt Politik und Wirtschaft aktuell noch vor Herausforderungen. Es wird aber bereits an ersten Tankern gearbeitet und in vielen Ländern sollen Pipelines entstehen. Deutschland gilt dabei mit dem geplanten Wasserstoff-Kernnetz als Vorreiter. Jenes soll es bis 2045 auf eine Länge von fast 10.000 km bringen.
Herausforderungen und Lösungen
Trotz der Vorteile gibt es auch Herausforderungen bei der Nutzung des Heizwerts von Wasserstoff. Die Speicherung ist aufgrund der benötigten Hochdrucktanks herausfordernd. Die Kosten für Herstellung und Lagerung fallen bisher noch zu hoch aus, sodass viele Unternehmen sich auf günstigere fossile Alternativen konzentrieren. Wie bereits erwähnt gibt es zudem beim Transport noch einige Hürden zu überwinden.
Technologische Fortschritte und Investitionen in Forschung und Entwicklung sind jedoch vielversprechend, um diese Herausforderungen zu überwinden. Neue Materialien und Verfahren zur Speicherung und Verteilung von Wasserstoff könnten die Kosten senken und die Effizienz erhöhen. Daran arbeiten derzeit mehrere große Unternehmen wie zum Beispiel Air Liquide.
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