Energiegehalt von Wasserstoff im Vergleich zu Öl und Gas
Wasserstoff (H₂) gewinnt als Energieträger in der Energiewende zunehmend an Bedeutung. Um sein Potenzial als Ersatz für fossile Brennstoffe wie Öl und Gas zu verstehen, ist es wichtig, den Energiegehalt von Wasserstoff zu kennen und ihn mit herkömmlichen Energieträgern zu vergleichen.
Was bedeutet Energiegehalt?
Der Energiegehalt eines Stoffes gibt an, wie viel Energie bei seiner vollständigen Verbrennung oder Umwandlung freigesetzt wird. Er wird oft in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) oder pro Liter (kWh/l) angegeben. Dies ist ein entscheidender Wert, um die Effizienz verschiedener Brennstoffe zu vergleichen.
Dabei unterscheidet man:
- Heizwert (Hi): Die nutzbare Energiemenge ohne Berücksichtigung der Wärmeenergie des entstehenden Wasserdampfs.
- Brennwert (Hs): Die gesamte freiwerdende Energiemenge, inklusive der Energie, die durch die Kondensation des Wasserdampfs gewonnen werden kann.
Für Wasserstoff beträgt der Heizwert ca. 33,3 kWh/kg, während der Brennwert durch die Wasserdampfkondensation etwas höher liegt.
Energiegehalt von Wasserstoff im Vergleich zu Öl und Gas
| Energieträger | Heizwert (kWh/kg) | Heizwert (kWh/l) |
|---|---|---|
| Wasserstoff (gasförmig, Normaldruck) | 33,3 | 0,003 |
| Wasserstoff (700 bar) | 33,3 | 1,855 |
| Wasserstoff (flüssig, -253°C) | 33,3 | 2,36 |
| Erdgas | 13,9 | 11,1 |
| Benzin | 11,6 | 8,5 |
| Diesel | 11,9 | 9,7 |
Wasserstoff hat einen hohen massebezogenen Energiegehalt, jedoch eine geringe volumetrische Energiedichte, was die Speicherung und den Transport erschwert.
Ein Kilogramm Wasserstoff enthält zwar etwa drei Mal so viel Energie wie ein Kilogramm Benzin, benötigt jedoch viel mehr Platz. Beispielsweise nehmen 22,9 Liter komprimierter Wasserstoff bei 700 bar etwa das Volumen eines kleinen Reisekoffers ein, während dieselbe Energiemenge in Benzin weniger als 5 Liter ausmacht – also weniger als ein kleiner Kanister. Dies zeigt, dass für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger effiziente Speichertechnologien erforderlich sind.
Praktisches Beispiel: Wasserstoff als Treibstoff
Angenommen, ein Auto verbraucht 5 Liter Benzin auf 100 Kilometer. Bei einem Energiegehalt von 8,5 kWh/l entspricht dies einem Energieverbrauch von 42,5 kWh auf 100 Kilometer.
Würde dasselbe Auto mit Wasserstoff betrieben, müsste es ebenfalls 42,5 kWh Energie für 100 Kilometer bereitstellen. Bei einem Energiegehalt von 33,3 kWh/kg wären dafür etwa 1,28 kg Wasserstoff erforderlich. Da gasförmiger Wasserstoff bei 700 bar einen Energiegehalt von 1,855 kWh/l aufweist, würde man für 42,5 kWh etwa 22,9 Liter komprimierten Wasserstoff benötigen.
Dieses Beispiel zeigt, dass trotz des hohen massebezogenen Energiegehalts von Wasserstoff die volumetrische Energiedichte eine Herausforderung darstellt.
Effizienz der Wasserstoffnutzung
Effizienz beschreibt das Verhältnis von eingesetzter Energie zu tatsächlich nutzbarer Energie. Je höher die Effizienz, desto weniger Energie geht bei der Umwandlung verloren.
Bei Wasserstoff entstehen Verluste in verschiedenen Umwandlungsstufen:
- Elektrolyse: 60–70% Effizienz (30–40% Verluste) – Energieverluste durch Wärmeabgabe und elektrische Widerstände.
- Kompression/Verflüssigung: 10–30% Verluste – Energieaufwand für die Speicherung, insbesondere Kühlung bei Flüssigwasserstoff.
- Brennstoffzelle: 50–60% Effizienz – Umwandlungsverluste durch Wärmeabgabe und elektrochemische Prozesse.
Die Well-to-Wheel-Effizienz von Wasserstoffautos liegt somit bei ca. 25–30%, während batterieelektrische Fahrzeuge 70–80% erreichen. Dennoch kann Wasserstoff dort sinnvoll sein, wo Batterien nicht praktikabel sind (z. B. Schwerlastverkehr, Industrie).
Vergleich der Verluste bei Öl und Gas
Auch fossile Brennstoffe unterliegen Effizienzverlusten:
- Verbrennungsmotoren (Benzin/Diesel): Nur 20–30% der Energie werden in Bewegungsenergie umgesetzt, der Rest geht als Abwärme verloren. In PKWs erreichen Ottomotoren typischerweise einen zeitlich gemittelten Wirkungsgrad von weniger als 25% und Dieselmotoren weniger als 30%.
- Gaskraftwerke: Moderne Gas- und Dampfkombikraftwerke erreichen Effizienzen von 55–60%, während ältere Kohlekraftwerke oft unter 40% liegen.
Das bedeutet, dass auch bei fossilen Brennstoffen ein erheblicher Anteil der eingesetzten Energie nicht genutzt wird.
Kostenvergleich: Wasserstoff vs. Öl und Gas
| Energieträger | Preis pro kg | Kosten pro kWh |
|---|---|---|
| Wasserstoff (grau) | 2–4 € | 0,06–0,12 €/kWh |
| Wasserstoff (grün) | 6–12 € | 0,18–0,36 €/kWh |
| Benzin/Diesel | 1,80 €/l | 0,20 €/kWh |
| Erdgas | 0,07 €/kWh | 0,07 €/kWh |
Aktuell kostet ein Kilogramm Wasserstoff an deutschen Tankstellen zwischen 10 und 12 Euro. In den günstigsten Tarifen liegt der Gaspreis derzeit bei rund 11 Cent pro Kilowattstunde.
Grüner Wasserstoff ist derzeit noch teurer als fossile Brennstoffe, jedoch könnten Skaleneffekte und technologische Fortschritte die Kosten senken. Prognosen zufolge könnten die Kosten für grüne Wasserstoffproduktion aus Elektrolyse in den kommenden Jahren um 60% fallen, in Europa von heute 5,4 €/kg auf 2,3 €/kg.
Speicherung und Infrastruktur
Wasserstoff kann auf verschiedene Weisen gespeichert werden:
- Drucktanks (350–700 bar): Gängig in Fahrzeugen, benötigt jedoch große Volumina.
- Flüssigwasserstoff (-253°C): Höhere Dichte, aber energieintensive Kühlung.
- LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) oder Ammoniak: Chemische Speicherung mit hoher Energiedichte, jedoch komplexer Rückgewinnung.
Einsatzbereiche von Wasserstoff
Wasserstoff kann fossile Brennstoffe in verschiedenen Sektoren ersetzen:
- Industrie: Stahlproduktion, Chemieindustrie, Ammoniakherstellung.
- Mobilität: Schwerlastverkehr, Schiffe, Flugzeuge.
- Energie: Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie, Rückverstromung.
- Wärme: Fernwärmenetze, industrielle Hochtemperaturprozesse.
Zukunftsperspektiven für Wasserstoff und seine Energiedichte
Der hohe massebezogene Energiegehalt von Wasserstoff ist ein großer Vorteil, doch seine geringe volumetrische Energiedichte stellt weiterhin eine Herausforderung dar. Während fossile Brennstoffe eine hohe Energiedichte pro Liter aufweisen und damit in bestehenden Infrastrukturen effizient gelagert und transportiert werden können, benötigt Wasserstoff größere Tanks oder spezielle Speichertechnologien.
Langfristig könnten Fortschritte in der Wasserstoffspeicherung – beispielsweise durch LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) oder Metallhydride – dazu beitragen, das Problem der geringen volumetrischen Energiedichte zu lösen. Gleichzeitig könnte eine effizientere Wasserstoffproduktion und bessere Umwandlungstechnologien dazu führen, dass Wasserstoff nicht nur ökologisch, sondern auch wirtschaftlich eine echte Alternative zu Öl und Gas wird.
