Chemische Energieträger: Wasserstoff & Power-to-Gas erklärt

Hast du dich schon mal gefragt, warum sich manche Windräder an stürmischen Tagen gar nicht drehen? Oft produzieren sie in diesem Moment mehr Strom, als wir verbrauchen können! Da das Stromnetz nicht überlastet werden darf, müssen sie abgeschaltet werden.

Das ist natürlich eine riesige Verschwendung. Wäre es nicht toll, wenn wir diesen überschüssigen Strom für windstille Nächte aufheben könnten? In dieser Lektion lernst du, wie wir elektrische Energie in Gase verwandeln können, um sie als chemische Energieträger wie Wasserstoff und durch Power-to-Gas riesigen Ausmaßes zu speichern.

Vorwissen

• Elektrolyse: Die Zerlegung von Wasser durch elektrischen Strom. Beispiel: Im Unterricht haben wir gesehen, wie an zwei Elektroden im Wasser Bläschen aus Wasserstoff und Sauerstoff aufsteigen.
• Brennstoffzelle: Ein Gerät, das chemische Energie direkt wieder in elektrischen Strom umwandelt. Beispiel: Wasserstoffautos nutzen Brennstoffzellen, um aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom für den Motor zu erzeugen.

Aufgabentyp 1: Wasserstoffherstellung und -verwendung

Wenn die Sonne stark scheint und der Wind weht, haben wir oft zu viel elektrischen Strom. Da wir diesen Strom nicht einfach in riesigen Mengen in normalen Batterien speichern können, nutzen wir die Elektrolyse als zentralen Baustein der Energiespeicherung.

Der überschüssige Strom spaltet Wasser ($\text{H}_2\text{O}$) in Wasserstoff ($\text{H}_2$) und Sauerstoff ($\text{O}_2$). Der Sauerstoff wird meist einfach an die Umwelt abgegeben. Der Wasserstoff hingegen wird aufgefangen und in großen Tanks gespeichert. Er ist jetzt unser chemischer Energiespeicher!

Was machen wir nun mit diesem gespeicherten Wasserstoff, wenn wir die Energie wieder brauchen? Es gibt drei wesentliche Möglichkeiten zur Nutzung:

1. Direkte Verbrennung: Er kann verbrannt werden, um Wärme für die Industrie zu erzeugen.
2. Beimischung ins Erdgasnetz: Er kann dem normalen Erdgas beigemischt werden, um unsere Häuser zu heizen.
3. Betrieb von Brennstoffzellen: Er kann in Brennstoffzellen genutzt werden, um wieder elektrischen Strom für Autos, Züge oder das Stromnetz zu erzeugen.

Aufgabentyp 2: Power-to-Gas-Technologie (Methanisierung)

Wasserstoff ist ein toller Energiespeicher, hat aber einen Nachteil: Als Gas nimmt er extrem viel Platz weg. Um mehr Energie auf kleinerem Raum zu speichern, nutzen Chemiker das Power-to-Gas-Verfahren (auf Deutsch: „Strom zu Gas").

Dabei wird der Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid zur Reaktion gebracht. Es entsteht Methan (der Hauptbestandteil von Erdgas) und Wasser. Die chemische Reaktionsgleichung sieht so aus:

$4 \textcolor{#08BFFF}{\text{ H}_2\text{(g)}} + \textcolor{#9570FF}{\text{CO}_2\text{(g)}} \to \textcolor{#9570FF}{\text{C}}\textcolor{#08BFFF}{\text{H}_4\text{(g)}} + 2 \text{ H}_2\text{O}\text{(g)}$

Alltagsbezug: Warum betreiben wir diesen zusätzlichen Aufwand? Das liegt an der sogenannten volumetrischen Energiedichte (Energie pro Volumen). Stell dir eine Box vor, die genau einen Kubikmeter ($1 \text{ m}^3$) groß ist.

Füllen wir diese Box mit Wasserstoff und verbrennen ihn, erhalten wir etwa $11 \text{ MJ}$ (Megajoule) Energie. Füllen wir exakt dieselbe Box mit Methan, erhalten wir satte $36 \text{ MJ}$ Energie! Methan speichert also mehr als dreimal so viel Energie im gleichen Platz. Das macht den Transport und die Lagerung in Tanks viel einfacher.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du herausfinden möchtest, wie viel Energie in einem bestimmten Tank steckt, kannst du diese einfache Methode nutzen:

1. Volumen und Gasart bestimmen: Lies aus der Aufgabe ab, wie groß der Tank ist (in $\text{m}^3$) und welches Gas verwendet wird.
2. Den richtigen Energiewert wählen: Nutze die festen Werte für die volumetrische Energiedichte: Wasserstoff = $11 \text{ MJ/m}^3$, Methan = $36 \text{ MJ/m}^3$.
3. Gesamtenergie berechnen: Multipliziere das Volumen des Tanks mit dem Energiewert des Gases ($\text{Gesamtenergie} = \text{Volumen} \cdot \text{Energiewert}$).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Die Elektrolyse wandelt überschüssigen Strom in Wasserstoff um, der als chemischer Energiespeicher dient.
• Wasserstoff kann direkt verbrannt, dem Erdgas beigemischt oder in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden.
• Beim Power-to-Gas-Verfahren reagieren Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser ($4 \text{ H}_2 + \text{CO}_2 \to \text{CH}_4 + 2 \text{ H}_2\text{O}$).
• Methan hat eine viel höhere volumetrische Energiedichte als Wasserstoff, es speichert also deutlich mehr Energie im gleichen Volumen.