Wasserstoff

Wasserstoff kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden: Bei der sogenannten Dampfreformierung wird bei hoher Temperatur und unter Druck aus Biomasse oder Kohlenwasserstoffen und Wasser(dampf) ein wasserstoffhaltiges Synthesegas erzeugt. Neben weiteren Verfahren kann Wasserstoff auch durch partielle Oxidation aus z. B. Erdgas, Heizöl oder Kohle gewonnen werden. Die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse gewinnt mit dem Ausbau von Windkraft und Photovoltaik zunehmend an Bedeutung. Dabei wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, um beispielsweise „überschüssigen“ erneuerbaren Strom längerfristig speichern zu können.

Da Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen nur eine geringe Energiedichte aufweist, sehr flüchtig und hochentzündlich ist, stellen die Bevorratung und der Transport von Wasserstoff eine große Herausforderung dar. Wasserstoff wird gasförmig bei hohem Druck von 350 bzw. 700 bar oder flüssig bei -253 °C gespeichert. Eine weitere Möglichkeit besteht in der vorübergehenden chemischen Bindung von Wasserstoff in Form von Methanol oder Ammoniak sowie durch die Reaktion mit flüssigen organischen Wasserstoffträgern, sogenannten LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers). Am Ort der Nutzung wird Wasserstoff dann wieder aus den Verbindungen herausgelöst.
Der Transport des gasförmigen Wasserstoffs kann mit Druckluftbehältern oder im Erdgasnetz erfolgen. Die derzeit maximal zugelassene Beimischung im Netz von zehn Prozent soll perspektivisch erhöht bzw. die Leitungen H2-ready gemacht werden.
Hemmend für den Einsatz in Landmaschinen ist, dass es nur sehr wenige Wasserstofftankstellen gibt und der Ausbau der Betankungsinfrastruktur sehr teuer ist. Eine flächendeckende Versorgung des ländlichen Raums ist nicht absehbar. Eine mögliche Lösung sind mobile Wasserstofftankstellen, wie z. B. die sogenannten Wasserstofftrailer der Firma JCB zur Wasserstoff-Versorgung von Baumaschinen.
Zu beachten ist, dass der hohe Strom- und Wasserbedarf zur Herstellung von Wasserstoff sowie die Energie zur Verdichtung bzw. Verflüssigung und Speicherung von Wasserstoff die Energie- und Umweltbilanz stark belastet.

Wasserstoff ist das kleinste aller Moleküle und besitzt ein sehr hohes Diffusionsvermögen. Der Energiegehalt von Wasserstoff liegt bei 350 bar Druck nur bei etwa acht Prozent, bei 700 bar bei etwa 13 Prozent und im flüssigen Zustand bei -253 °C bei etwa 24 Prozent im Vergleich zu Diesel. Die Energiedichte je Volumeneinheit Wasserstoff ist also gering, so dass größere Tankvolumina oder häufigere Tankvorgänge erforderlich sind.

Grüner Wasserstoff ist ein klimafreundlicher Kraftstoff für Verbrennungsmotoren. Die Deutz AG hat einen Wasserstoffmotor für Offroad-Fahrzeuge mit hohen Leistungsanforderungen entwickelt, der 2024 in Serie gehen soll. Ein anderer Ansatz findet sich im H₂DualPower-Traktor von New Holland. Dort wird im Dieselmotor Wasserstoff zudosiert, um CO₂- und Stickoxid-Emissionen zu verringern. Daneben arbeiten noch weitere Hersteller an Wasserstoff-Verbrennungsmotoren.

Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden, mit dem ein Elektromotor angetrieben wird. Dies bietet den Vorteil eines lokal emissionsfreien Betriebs und geräuscharmen Fahrens. Derzeit werden erste Prototypen bei Traktoren entwickelt, unter anderem von der Firma AGCO Fendt im Projekt H2Agrar. Gegenüber rein batterie-elektrischen Antrieben ermöglicht die Brennstoffzellentechnologie deutlich größere Reichweiten bei gleichem Gewicht. Die Kosten eines seriengefertigten Wasserstoff-Brennstoffzellen-Traktors lassen sich derzeit noch kaum abschätzen.
Neben Wasserstoff können auch Methanol und Ammoniak als Kraftstoff für Brennstoffzellen genutzt werden. Ammoniak-Brennstoffzellen sind insbesondere für maritime Anwendungen in Entwicklung. Der Vorteil von Ammoniak im Vergleich zu Wasserstoff ist seine höhere Energiedichte und einfachere Handhabung.

Über das chemische Verfahren der Haber-Bosch-Synthese kann aus Wasserstoff und Luftstickstoff Ammoniak produziert werden. Ammoniak ist frei von Kohlenstoff, so dass bei der Verbrennung auch kein CO₂ entsteht. Die Logistik für Ammoniak besteht bereits, da dieser als chemischer Grundstoff unter anderem für die Düngerherstellung in großen Mengen umgeschlagen wird. Ammoniak wird bereits bei moderaten -33 °C und Normaldruck bzw. bei 20 °C und 9 bar flüssig.
Ammoniak wird als erneuerbarer Kraftstoff vor allem für maritime Anwendungen diskutiert. Ein mit Ammoniak betriebener Traktor mit Brennstoffzelle wird in einem Demonstrationsvorhaben an der Stony Brook University, New York getestet.

Methanol kann aus Wasserstoff und CO₂ hergestellt werden. Zunächst wird über den Prozess der Wasserstoff-Shift-Reaktion das Synthesegas für die anschließende Methanolsynthese erzeugt. Als Rohstoff für das Synthesegas kann auch Biomasse bzw. Biogas/Biomethan dienen. Das gewonnene „grüne“ Methanol kann entweder direkt als Kraftstoff oder als Basismolekül für die Herstellung anderer Kraftstoffe verwendet werden. Durch Dehydratisierung wird Dimethylether (DME), durch das Methanol-to-Gasoline-Verfahren (MtG) Benzinfraktionen und durch das Methanol-to-Jet-Verfahren (MtJ) Flugkraftstoff gewonnen.
Methanol besitzt eine Dichte von 0,80 kg/l bei 15 °C. Der Heizwert liegt bei etwa 16 MJ/l und ist damit knapp doppelt so hoch wie zum Beispiel verflüssigter Wasserstoff bei -253 °C. Da Methanol flüssig ist und eine höhere Energiedichte gegenüber Wasserstoff aufweist, kann der Kraftstoff deutlich einfacher gespeichert und transportiert werden. Methanol eignet sich beispielsweise gut als erneuerbarer Kraftstoff für die Schifffahrt. Neben der Verwendung im Verbrennungsmotor kann Methanol auch in der Brennstoffzelle genutzt werden, wenn vorab in einer Reformereinheit wieder Wasserstoff gewonnen wird.