Wasserstoff – das häufigste Element in unserem Universum – ist in gebundener Form in nahezu allen organischen Verbindungen vorhanden. Er hat die geringste Atommasse aller Elemente: Er ist 14-mal leichter als Luft, weder giftig noch ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei.
Wo kommt Wasserstoff in der Natur vor?
Wasserstoff (H2) kommt nur gebunden vor, zum Beispiel mit Sauerstoff (O2) als Wasser (H2O). Auch Methan (CH4) – der Hauptbestandteil von Erdgas – sowie Erdöl sind wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen, so genannte Kohlenwasserstoffe. Zudem enthalten mehr als die Hälfte aller bisher bekannten Minerale Wasserstoff. In der Erdatmosphäre ist er im Wasserdampf enthalten.
Wie wird Wasserstoff erzeugt?
Wasserstoff ist ein natürliches chemisches Element, dessen Energiegehalt genutzt werden kann. Er lässt sich als Energieträger speichern und transportieren sowie zur Energieumwandlung einsetzen. Zudem ist er ein wichtiges Industrieprodukt.
Da Wasserstoff auf der Erde jedoch nicht allein, sondern nur in Form von Verbindungen vorkommt, muss er mit Hilfe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten werden. Als Ausgangsstoffe kommen unter anderem in Frage:
- Erdgas, mit seinem Hauptbestandteil Methan
- andere Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Erdöl
- Biomasse
- Wasser
- andere wasserstoffhaltige Verbindungen
Diese Stoffe werden mit Hilfe von chemischer, elektrischer, thermischer oder solarer Energie getrennt und so reiner, ungebundener Wasserstoff erzeugt. Aktuelle Konzepte sehen zunehmend eine Wasserstoffgewinnung mit Hilfe Erneuerbarer Energien vor. Damit ist eine klimaneutrale Wasserstoffherstellung möglich.
Wasserstoff lässt sich durch verschiedene Verfahren gewinnen:
Elektrolyseverfahren: Emissionsfreie Erzeugung von grünem Wasserstoff
In Deutschland sind bereits mehr als 30 Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff installiert. Bei diesen Anlagen handelt es sich zum Großteil um Demonstrations- und Forschungsprojekte. Wir haben für Sie eine Übersicht über Einsatzgebiete und einige Best-Practice-Beispiele zusammengestellt.
Aber was genau passiert bei diesem Verfahren?
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser unter Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.
Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen, wird sogenannter grüner Wasserstoff erzeugt. Weitere Möglichkeiten, grünen Wasserstoff zu erzeugen, bestehen in der Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie der Reformierung von Biogas. All diese Verfahren sind CO2-neutral.
Reformierungsverfahren: Grauer bzw. blauer Wasserstoff aus Erdgas
Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich aus Erdgas, zum Beispiel durch Zugabe von Wasserdampf (Dampfreformierung), erzeugt. Bei dieser chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Hierbei spricht man von grauem Wasserstoff.
Wenn das entstandene CO2 nach der Wasserstoff-Herstellung aufgefangen und in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwendet wird (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff. Dieser ist ebenfalls klimaneutral, solange das abgeschiedene CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt.
Methanpyrolyse: Türkiser Wasserstoff
Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas, zum Beispiel Methan (CH4), unter Zugabe von Hitze gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Damit das Verfahren CO2-neutral ist, muss die Energieversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen stammen.
Außerdem muss der entstehende Kohlenstoff langfristig gebunden werden. Er kann beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie sowie im Straßenbau verwendet werden.
Hintergründe und ausführliche Erklärungen zur Herstellung von Wasserstoff, seiner Geschichte und den Potenzialen gibt es auch in unserer aktuellen Lehrerhandreichung "Wasserstoff" und im BDEW-Factsheet "Wasserstoff".
Mithilfe der Elektrolyse von Wasser kann man Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff trennen. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt.Dieser Vorgang ist in unserem Alltag von essentieller Bedeutung. So entsteht bei der Photosynthese von Pflanzen mithilfe der Elektrolyse, der für uns überlebensnotwendige Sauerstoff.
Neben diesem natürlichen Beispiel für die Elektrolyse von Wasser, wird sie vom Menschen oft zur Wasserstoffherstellung verwendet.
Definition Elektrolyse
Als Elektrolyse wird die Spaltung chemischer Verbindungen bezeichnet, die unter Stromeinfluss stattfindet. Künstlich kann dieser Vorgang mit einer Galvanischen Zelle nachgestellt erreicht werden.
Im Fall von Wasser kann dafür noch zusätzlich ein Wasserzersetzungsapparat verwendet werden. Beide Methoden laufen gleich ab. Den Aufbau dieser Apparaturen zeigt dir die folgende Abbildung:
Durch das Anlegen von Strom wandern Elektronen von der Anode, dem Pluspol (rechts im Bild), zur Kathode, dem Minuspol (links im Bild). Beide Elektroden befinden sich in einer Flüssigkeit, die als Elektrolytlösung bezeichnet wird. In der Elektrolytlösung kommen frei bewegliche, geladene Teilchen vor.
Unterschiedliche geladene Teilchen ziehen sich an. Diese Gesetzmäßigkeit kommt auch hier zur Anwendung. Dank des Stromflusses ist die Anode positiv geladen, da sich dort inzwischen mehr Protonen als Elektronen befinden. Durch diese positive Ladung werden negativ geladene Teilchen angezogen. Sie werden als Anionen bezeichnet. Die entgegengesetzten Prozesse finden an der Kathode statt. Hier werden Kationen angezogen.
ACHTUNG! Verwechsle nicht die Ladung der Elektroden, die durch den Stromfluss entsteht, mit der Ladung, die zum Beispiel Ionen besitzen!
| Elektroden | Ionen |
| Kathode = Minuspol, insgesamt negative Ladung | Kation = positiv geladenes Teilchen |
| Anode = Pluspol, insgesamt positive Ladung | Anion = negativ geladenes Teilchen |
Dabei wandern Kationen zur Kathode und Anionen zur Anode.
Durch das Anziehen der verschiedenen geladenen Teilchen werden die einzelnen Stoffe nun getrennt. Je nach Reaktion kann dann auf einer Seite ein Gas aufsteigen oder es fällt ein Feststoff an der Elektrode aus. Das ist abhängig von der chemischen Substanz, die du spalten bzw. trennen willst. Bei der Elektrolyse von Wasser steigt zum Beispiel auf beiden Seiten Gas auf.
Ablauf der Elektrolyse von Wasser
Die Elektrolyse von Wasser verläuft nach dem gleichen Prinzip, das du gerade gelernt hast. Dabei ist die Elektrolytlösung das Wasser selbst. Manchmal wird die Reaktion mithilfe weiterer Stoffe beschleunigt. Für den Beginn solltest du zunächst nur reines Wasser betrachten.
Im Rahmen der Spaltung entsteht aus dem Wasser (H₂O) Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O₂). Dafür kannst du die folgende Reaktionsgleichung aufstellen:
Hierbei handelt es sich um eine Redoxreaktion, da ein Wassermolekül reduziert wird (Elektronen kommen hinzu), während das andere oxidiert wird (Elektronen werden entzogen).
Basis dafür ist das chemische Gleichgewicht des Wassers, dargestellt durch folgende Gleichgewichtsreaktion:
Die Produkte dieser Reaktion sind die frei beweglichen Teilchen in der Elektrolytlösung. Durch ihre Ladung wandern die positiv geladenen Oxonium-Ionen (H3O+) zur Kathode. Hier erhalten sie jeweils ein Elektron, das durch den Stromfluss zum Minuspol gewandert ist. Es entsteht wieder neutrales Wasser und ein zusätzliches Wasserstoff-Atom, das sich mit einem weiteren zu molekularem Wasserstoff (H2) verbindet. Dieser steigt als Gas nach oben und kann mithilfe der Knallgasprobe nachgewiesen werden.
Da an dieser Stelle Elektronen hinzugefügt werden, ist dies der Teil der Reduktion.
Bringt man eine offene Flamme in ein Wasserstoff-Luftgemisch ein, so kommt es zu einer explosionsartigen Reaktion von Wasserstoff mit dem Luft-Sauerstoff. Dabei entsteht Wasser. Diese Reaktion wird Knallgasreaktion genannt.
Die negativ geladenen Hydroxid-Ionen (OH-) hingegen wandern zu Anode. Mehrere Ionen verbinden sich unter der Abgabe von Elektronen miteinander. Es entsteht ebenfalls reines Wasser und Sauerstoff, der als Gas noch oben entweicht. Da in dieser Teilreaktion Elektronen entzogen werden, sprechen wir von einer Oxidation.
Die Einzelreaktionen lassen sich konkret auf diese Weise zusammenfassen:
| Teilreaktion | Reaktionsgleichung |
| Wassergleichgewicht | |
| Kathodenreaktion | |
| Anodenreaktion | |
| Gesamtgleichung | |
| gekürzt |
Elektrolyse von Wasser – Wikrungsgrad
Zur Einschätzung, wie effizient eine technische Anlage oder eine chemische Reaktion abläuft, kann der Wirkungsgrad betrachtet werden. Dabei gibt dieser den prozentualen Anteil der zugeführten Energie an, der nach dem Prozesse als Nutzenergie zur Verfügung steht.
Der Wirkungsgrad dieser Reaktion liegt mit reinem Wasser ungefähr zwischen 60 % und 85 %. Durch die Zugabe bestimmter Stoffe kann dieser selbst noch erhöht werden.
Elektrolyse von Wasser – Energiediagramm
Wasserstoff ist in seiner gebundenen Form ein hervorragender Energiespeicher. Das kannst du in der nächsten Abbildung sehen. Es handelt sich dabei um das Energiediagramm der Elektrolyse von Wasser.
Auf der y-Achse ist die Energie und auf der x-Achse der Reaktionsverlauf dargestellt. Das Maximum der Kurve stellt den sogenannten metastabilen Zustand dar. Dabei sind Edukte nicht vollständig zu Produkten umgesetzt und befinden sich in einem instabilen Zwischenzustand.
Da die Energie des Wassers niedriger ist, als die der beiden Produkte Wasserstoff und Sauerstoff, handelt es sich hierbei um eine endotherme Reaktion. Für die Spaltung ist also Energie notwendig.
Natürlich vorkommende Elektrolyse von Wasser
Diese Reaktion begegnet uns tagtäglich und ist sogar für unser Überleben essentiell. Im Folgenden siehst du die Reaktionsgleichung der Photosynthese:
Wusstest du, dass der Sauerstoff dabei mithilfe der Wasserspaltung entsteht?
Die Sonnenenergie löst dabei eine ähnliche Reaktion aus, wie der Strom bei der Elektrolyse. Wasser wird gespalten und der für so viele Organismen wichtige Sauerstoff entsteht. Dabei ist er im Grunde nur das Abfallprodukt. Für die Pflanzen ist schließlich die Energie entscheidend, die durch die Spaltung entsteht und in Form von Glucose gespeichert wird. Erst mithilfe dieser Energie können weitere Prozesse in Gang gesetzt werden.
Industrielle Elektrolyse von Wasser
Dank der wissenschaftlichen Fortschritte setzt auch die Industrie die Elektrolyse von Wasser ein. Dabei geht es vornehmlich um die Herstellung des Energieträgers Wasserstoff.
Wie bereits erwähnt, speichert Wasserstoff sehr viel Energie. So kommen wir zu den folgenden Beispielen, in denen die Wasserspaltung eine Rolle spielt:
- Wasserstoffverbrennung zur Stromerzeugung: Diese Methode klingt zwar bisher vielversprechend, ist aber leider noch nicht ausgereift, um vollständig darauf umsteigen zu können. Es wird allerdings weiter aktiv daran geforscht.
- Methanisierung von Wasserstoff: Indem aus Wasserstoff mithilfe von CO₂ Methan hergestellt wird, kann dieses als synthetisches Erdgas verwendet werden.
- Energiespeicher: Aufgrund der hohen Schwankungen mancher Energiequellen könnte Wasserstoff genutzt werden, um in dieser Verbindung Energie zu speichern, die später für eines der beiden vorherigen Beispiele verwendet wird. Somit kann auch dauerhaft eine stabile Stromversorgung erreicht werden.
- Wasserstoff als Ersatz zum Benzin und Diesel: Besonders in den letzten Jahren steigt der Wunsch nach einer Alternative. Dabei wird eine sogenannte Brennstoffzelle verwendet, um aus Wasserstoff und Luft-Sauerstoff unter Freisetzung von Energie Wasser zu erzeugen. Bisher sind die Brennstoffzellen-Autos noch nicht sehr erfolgreich, doch dank energiereicher Verbrennungsreaktionen steckt durchaus Potential dahinter.
Elektrolyse von Wasser - Das Wichtigste
- Die Elektrolyse beschreibt die Spaltung von chemischer Substanzen durch Anlegen eines Stroms.
- Die Gesamtgleichung der Wasserspaltung lautet:
- Die Elektrolyse fördert eine Redoxreaktion. Wasser wird gleichzeitig an der Kathode reduziert, wobei Wasserstoff entsteht, und an der Anode oxidiert, woraus Sauerstoff entsteht.
- Während der Photosynthese wird Wasser ebenfalls gespalten, um die Energie aus der Reaktion zu verwenden. Sauerstoff ist ein vorteilhaftes Nebenprodukt.
- Wasserstoff wird in der heutigen Technologie als Brennstoff und als Speichermedium verwendet. Es liegen viele Hoffnungen darin, dass sich damit eine gute verwendbare erneuerbare Energiequelle gefunden hat.