Wasserstoff ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente (PSE). Es hat die Ordnungszahl 1 und das Elementsymbol H.
Wasserstoff steht an der ersten Position des Periodensystems und nimmt eine Sonderstellung ein. Das Element zählt nämlich nicht zur Gruppe der Alkalimetalle (im PSE direkt unter Wasserstoff angeordnet), sondern definiert sich als klassisches Nichtmetall.
Wasserstoff ist das leichteste chemische Element, dessen häufigstes Isotop (Protium) nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. Unter normalen Bedingungen kommt Wasserstoff nicht in atomarer Form vor, sondern liegt als dimerisiertes Molekül H₂ vor – ein farb- und geruchloses Gas.
Bei einer Abkühlung auf -253 °C verflüssigt sich Wasserstoff, und bei weiterer Runterkühlung auf -259 °C geht er in einen festen Aggregatzustand über. Mit einer Dichte von 84 g/m³ bei 15 °C und 1 bar ist Wasserstoff das leichteste aller Gase. Seine Atommasse liegt bei 1,00784 u.
In reiner Form ist Wasserstoff weder brennbar noch explosiv. Er wird jedoch in Verbindung mit Sauerstoff entzündlich.
Tatsächlich ist Wasserstoff mit einer Dichte von 0,0899 g/l (0°C) ungefähr 14-mal leichter als Luft.
Aktuelle Studien zeigen, dass mit Wasserstoff versetztes Wasser zu zahlreichen gesundheitlichen Vorteilen, einer verbesserten Hautbeschaffenheit sowie einer höheren Leistungsfähigkeit beitragen kann. Bei regelmäßiger Anwendung können folgende positive Effekte auf den Körper stattfinden:
Da die Verbrennung von Wasserstoff bei niedriger Temperatur die Stickstoffoxid-Emissionen deutlich reduziert und durch Niedertemperatur-Brennstoffzellen sogar vollständig vermieden werden können, fällt die Emission bis zu 100-mal geringer aus, als in herkömmlichen Kraftwerken.
Da bei der Verbrennung also nur geringe Emissionen entstehen ist Wasserstoff grundsätzlich umweltfreundlich. Um jedoch eine konkrete Aussage über den Einfluss von Wasserstoff auf die Umwelt zu tätigen, müsste der gesamte Prozess der Brennstoffkette, also von der Primärenergie bis zur Endanwendung, analysiert werden.
Wasserstoff wurde 1766 vom englischen Chemiker Henry Cavendish entdeckt, als er mit Metallen und Säuren experimentierte. Dabei beobachtete er die Bildung eines brennbaren Gases, welches er wegen seiner Eigenschaften „inflammable air“ (brennbare Luft) nannte.
Der Name Wasserstoff selbst stammt vom französischen Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier, der 1783 eine wichtige Entdeckung machte: Bei einer chemischen Reaktion stellte er fest, dass sich aus dem Gas durch Verbrennung Wasser erzeugen lässt. Dieser Vorgang wird heute als Knallgasprobe bezeichnet.
Nach der Entdeckung von Sauerstoff erkannte man das große Potenzial von Wasserstoff und nutzte ihn vor allem als Traggas für Ballone und Zeppeline. Doch aufgrund seiner hohen Entzündlichkeit und Explosionsgefahr wurde er später durch das sicherere, nicht brennbare Helium ersetzt.
Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum. Er ist ein wesentlicher Bestandteil von Wasser und nahezu allen organischen Verbindungen.
Auch unsere Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff. Im Inneren der Sonne herrschen hohe Temperaturen und Druckverhältnisse, unter welchen Wasserstoffatome miteinander verschmelzen und Helium bilden. Diese Kernfusion setzt enorme Mengen an Energie frei, die anschließend als Licht und Wärme auf die Erde strahlen. Die Sonne funktioniert also wie ein riesiger Kernfusionsreaktor, in dem der Wasserstoffvorrat nach und nach verbrannt wird. Laut Schätzungen des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) dürfte dieser Vorrat der Sonne noch für rund 5 Milliarden Jahre ausreichen.
Damit ist Wasserstoff nicht nur der Ursprung des Lebens auf der Erde, sondern auch die treibende Kraft hinter der Energieversorgung unseres Sonnensystems.
Neben seinem natürlichen Vorkommen wird Wasserstoff auch hergestellt. Der weitaus größte Teil wird heute aus Erdgas gewonnen, ist also fossilen Ursprungs. Um Wasserstoff CO2-arm herzustellen, will man ihn künftig mithilfe von Strom aus Wasser, zum Beispiel durch Elektrolyse, produzieren.
Wasserstoff verbrennt mit Sauerstoff oder Luft zu Wasser. Diese Eigenschaft bestimmt die weitaus meisten Anwendungszwecke, wobei die technischen Ziele sehr unterschiedlich sein können.
Wasserstoff wird in großen Mengen für Industrieprozesse genutzt:
Diese vielfältigen Einsatzmöglichkeiten verdeutlichen, dass Wasserstoff weit über seinen Nutzen als Energieträger hinaus eine entscheidende Rolle in der modernen Industrie spielt.
Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, welcher großes Potenzial für die Energiewende darstellt. Vor allem für die Speicherung von erneuerbaren Energien, der CO2 – Reduktion und der Dekarbonisierung der Industrie bietet Wasserstoff vielseitige, umweltfreundliche Chancen. Mit diesen Chancen gehen jedoch auch zahlreiche Herausforderungen bei der Gewinnung von Energie aus Wasserstoff einher – insbesondere in Bezug auf Sicherheit, Infrastruktur und eine nachhaltige Herstellung.
Wasserstoff kann durch zwei unterschiedliche Verfahren erzeugt werden: der Elektrolyse von Wasser und der Dampfreformierung von Methan.
Bei der Elektrolyse müssen Hochspannungsanlagen verwendet werden, wodurch es zu einem hohen Risiko von Stromschlagen kommt. Außerdem ist Wasserstoff in bestimmten Verhältnissen in Kombination mit Luft sehr explosiv, weshalb bei der Herstellung stets auf die richtige Belüftung geachtet werden muss.
Bei der Dampfreformierung stellen die Farb- und Geruchslosigkeit von Wasserstoff eine große Herausforderung dar, da sich die Erkennung von Gaslecks als sehr schwierig gestaltet. Dies erhöht die Gefahr von Explosionen und Bränden bei der Herstellung.
Da Wasserstoff zur Versprödung von Metallen führen kann und diese so brüchig werden können, sind bestehende Erdgasleitungen für den Transport von Wasserstoff eigentlich nicht geeignet. Damit keine eigne Infrastruktur für den Transport aufgebaut werden muss, ist es notwendig, spezielle Materialien zu nutzen und häufige Kontrollen bezüglich Gaslecks durchzuführen, damit eine Versprödung verhindert werden kann.
Auch bei der Speicherung von Wasserstoff treten, durch seine besonderen Eigenschaften, Herausforderungen auf. Durch die geringe Schmelz- und Siedetemperatur von -259 °C und -252 °C erfordert die Lagerung von Flüssigwasserstoff eine extreme Kühlung.
Die Herstellung, der Transport und die Lagerung von Wasserstoff sind also grundlegend durchführbar, bringen aber eine große Sorgfalt und viel Arbeit mit sich. Auch die Integration von Wasserstoff in die Infrastruktur gestaltet sich aktuell noch schwierig, da neue Tankstellen gebaut und Pipelines angepasst werden müssen.
Dennoch ist die Energiegewinnung aus Wasserstoff ein Hoffnungsträger für unsere Umwelt. Mit gezielten Investitionen, technologischen Fortschritten und einer konsequenten Förderung erneuerbarer Energien kann das Gas in Zukunft eine Schlüsselrolle in einer nachhaltigen und klimafreundlichen Energieversorgung spielen.
Unsere Quellen – hier erfahrt ihr noch mehr zu Wasserstoff:
EnBw Unternehmen: Wasserstoff: Fakten über die Zukunftsenergie
Selbstheilung Online: Wasserstoffwasser
BEST ELEMENTS: Forschungsergebnisse: Wasserstoff in medizinischen Anwendungen, H2-Summit 2024