Wasser und Wasserstoff als Energieträger einfach erklärt

Stell dir vor, du könntest dein Handy nur aufladen, wenn draußen die Sonne scheint oder der Wind weht. Nachts oder bei Windstille bliebe der Bildschirm schwarz! Genau dieses Problem haben wir bei erneuerbaren Energien wie Solar- und Windkraft: Sie liefern nicht immer dann Strom, wenn wir ihn gerade brauchen.

Wir brauchen also riesige „Batterien“, um die Energie der Natur für später aufzuheben. In diesem Artikel lernst du, wie wir ganz normales Wasser und das Gas Wasserstoff als Energieträger nutzen können, um riesige Mengen an Energie zu speichern und so fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl zu ersetzen.

Vorwissen

• Zusammensetzung von Wasser: Wasser ist eine chemische Verbindung aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff ($\text{H}_2\text{O}$).

  Beispiel: Durch chemische Reaktionen kann Wasser in diese beiden Gase zerlegt werden.

• Exotherme und endotherme Reaktionen:

  • Exotherm: Eine Reaktion, bei der Energie (z. B. als Wärme oder Licht) an die Umgebung abgegeben wird. (Beispiel: Ein Holzfeuer brennt).

  • Endotherm: Eine Reaktion, die ständig Energie aus der Umgebung aufnehmen muss, um abzulaufen. (Beispiel: Kuchenbacken im Ofen).

Aufgabentyp 1: Der Heizwert und die Eigenschaften von Wasserstoff

Um Brennstoffe vergleichen zu können, nutzen Chemiker den Heizwert. Der Heizwert gibt an, wie viel nutzbare Wärmeenergie bei der Verbrennung von einem Kilogramm eines Stoffes frei wird. (Dabei geht man davon aus, dass der entstehende Wasserdampf im Abgas nicht flüssig wird, sondern als Gas entweicht).

Wasserstoff ist ein absoluter Spitzenreiter! Sein Heizwert liegt bei unglaublichen $120 \text{ MJ/kg}$ (Megajoule pro Kilogramm). Vergleichen wir das mit anderen bekannten Brennstoffen:

• Wasserstoff: $120 \text{ MJ/kg}$
• Butan (Campinggas): $46 \text{ MJ/kg}$
• Benzin: $44 \text{ MJ/kg}$
• Erdgas: $33 \text{ MJ/kg}$

Wasserstoff liefert pro Kilogramm also fast dreimal so viel Energie wie Benzin! Doch es gibt einen großen Haken in der Praxis: Das Volumen.

Weil Wasserstoff ein Gas ist, sind seine Teilchen sehr weit voneinander entfernt. Bei normaler Raumtemperatur ($20 \text{ }^\circ\text{C}$) und normalem Luftdruck nimmt nur $1 \text{ kg}$ Wasserstoff ein riesiges Volumen von über $12 \text{ m}^3$ (Kubikmetern) ein.

Das ist so groß wie der Laderaum eines kleinen Lieferwagens! $1 \text{ kg}$ Benzin passt hingegen locker in eine große Trinkflasche. Dieses enorme Volumen macht die Lagerung und den Transport von Wasserstoff sehr schwierig und teuer, da man riesige Tanks braucht oder das Gas unter extrem hohem Druck zusammenpressen muss.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du wissen möchtest, wie viel Energie eine bestimmte Menge eines Brennstoffs liefert, kannst du diese einfache Formel nutzen: $\text{Energie} = \text{Masse} \cdot \text{Heizwert}$.

1. Werte identifizieren: Finde die Masse des Brennstoffs (in $\text{kg}$) und seinen Heizwert (in $\text{MJ/kg}$) heraus.
2. Multiplizieren: Multipliziere die Masse mit dem Heizwert. Die Einheit $\text{kg}$ kürzt sich weg, und das Ergebnis ist die Energie in Megajoule ($\text{MJ}$).

Durchgerechnete Beispiele

Wasserkraft und Pumpspeicherung zur Energiespeicherung

Bevor wir uns ansehen, wie Wasserstoff Energie speichert, schauen wir uns an, wie Wasser selbst das macht.

Bei der normalen Wasserkraft nutzt man den natürlichen Wasserkreislauf: Wasser verdunstet durch die Sonne, fällt als Regen in hochgelegene Berge und sammelt sich in Staubecken. Wenn man dieses Wasser durch ein steiles Fallrohr nach unten abfließen lässt, treibt die Wucht des Wassers eine Turbine an (ähnlich wie ein Windrad, nur für Wasser). Diese Turbine dreht einen Generator, der die Bewegung in elektrische Energie umwandelt.

In Deutschland sind die Flüsse und Berge für diese normale Wasserkraft aber schon fast vollständig ausgenutzt. Deshalb nutzt man eine besondere Form: Pumpspeicherwerke.

Ein Pumpspeicherwerk ist wie eine gigantische, wiederaufladbare Wasser-Batterie für unser Stromnetz. Es besteht aus einem oberen Becken auf einem Berg und einem unteren Becken im Tal.

• Aufladen (Energie speichern): Wenn der Wind stark weht und wir einen Überschuss an elektrischer Energie im Netz haben, nutzt man diesen Strom, um Wasser aus dem Tal in das obere Becken hochzupumpen.
• Entladen (Energie nutzen): Wenn abends viele Menschen Strom brauchen, aber kein Wind weht, lässt man das Wasser aus dem oberen Becken wieder durch die Turbine nach unten fließen. So wird sofort wieder Strom erzeugt.

Pumpspeicherwerke sind extrem wichtig, um Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen.

Der Wasserstoff-Energiekreislauf

Pumpspeicherwerke brauchen Berge. Aber was machen wir im flachen Land, um Wind- und Sonnenenergie zu speichern? Hier kommt der Wasserstoffkreislauf ins Spiel. Er löst das Speicherproblem, indem er Strom in ein speicherbares Gas verwandelt.

Dieser Kreislauf besteht aus zwei chemischen Hauptschritten:

Schritt 1: Energie einspeichern (Endothermer Prozess)

Wenn eine Solaranlage oder ein Windrad zu viel Strom produziert, leitet man diesen Strom in normales Wasser. Die elektrische Energie spaltet das Wasser in seine Bestandteile auf: Wasserstoff und Sauerstoff. Weil dieser Vorgang ständig Energie benötigt, nennt man ihn endotherm.

$\text{Wasser} + \textcolor{#FFCE51}{\text{elektrische Energie}} \to \textcolor{#08BFFF}{\text{Wasserstoff}} + \text{Sauerstoff}$

Den Wasserstoff kann man nun in großen Tanks speichern oder durch Gasleitungen transportieren. Die Energie der Sonne ist jetzt chemisch im Gas gefangen!

Schritt 2: Energie freisetzen (Exothermer Prozess)

Wenn wir die Energie wieder brauchen (z. B. nachts oder um ein Auto anzutreiben), lassen wir den Wasserstoff wieder mit Sauerstoff aus der Luft reagieren. Das passiert in einer sogenannten Brennstoffzelle (die Strom erzeugt) oder durch direkte Verbrennung (die Wärme erzeugt). Dabei wird die gespeicherte Energie wieder frei. Das ist ein exothermer Prozess.

$\textcolor{#08BFFF}{\text{Wasserstoff}} + \text{Sauerstoff} \to \text{Wasser} + \textcolor{#FFCE51}{\text{elektrische Energie / Wärme}}$

Das Geniale daran: Das einzige Abfallprodukt bei der Stromerzeugung ist reines Wasser! Dieses Wasser kann wieder für Schritt 1 genutzt werden. Es ist ein perfekter, sauberer Kreislauf. Wasser und Wasserstoff dienen somit als zentrale Energiespeicher für eine Zukunft ohne Erdöl und Kohle.

Wichtige Erkenntnisse

• Heizwert: Wasserstoff hat einen extrem hohen Heizwert ($120 \text{ MJ/kg}$), nimmt aber als Gas ein riesiges Volumen ein, was die Lagerung erschwert.
• Pumpspeicherwerke: Sie speichern überschüssigen Strom, indem sie Wasser einen Berg hinaufpumpen. Bei Bedarf fließt es durch eine Turbine herab und erzeugt wieder Strom.
• Wasserstoffkreislauf: Überschüssiger Ökostrom spaltet Wasser in Wasserstoff (endotherm). Der Wasserstoff wird gespeichert und später in einer Brennstoffzelle wieder zu Wasser umgewandelt, wobei Strom frei wird (exotherm).