Was ist Wasserstoff?
Derzeit werden etwa 80% des weltweiten Energiebedarfs über die fossilen Brennstoffe Kohle, Öl und Gas gedeckt. Die Emissionen dieser fossilen Energieträger sind die Hauptursache für die globale Erderwärmung durch den Treibhausgaseffekt, das Treibhausgas CO2 gilt als Hauptverursacher. Um die fossilen Brennstoffe zu ersetzen, werden andere Brennstoffe gesucht. In diesem Zusammenhang kommt Wasserstoff ins Spiel. Wasserstoff ist ein vielseitiges Element und gewinnt zunehmend an Bedeutung als zukunftsweisende erneuerbare Energie.
In diesem Artikel werden wir Wasserstoff als erneuerbare Energie detaillierter beleuchten, stellen die Anwendungsmöglichkeiten dar und zeigen auf, welche Vor- und Nachteile mit der Nutzung von Wasserstoff einhergeht.
Wasserstoff als erneuerbare Energie
Wasserstoff (H2) ist ein geruchloses und ungiftiges Gas. Es ist das erste und leichteste Element im Periodensystem der Elemente und das häufigste Element in unserem Universum. Wasserstoff besitzt viele vorteilhafte Eigenschaften: Es ist weder giftig noch ätzend oder wassergefährdend. Das Gas entzündet sich nicht selbst und verbrennt rückstandsfrei.
In reiner Form kommt Wasserstoff auf der Erde jedoch kaum vor, sondern ist chemisch gebunden, zum Beispiel in Wasser, Biomasse oder Methan. Somit muss Wasserstoff durch komplexe chemische Prozesse erzeugt werden.
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Herstellung von Wasserstoff
Wasserstoff ist nicht, wie andere Bodenschätze, in roher Form auf der Erde vorhanden, sondern muss durch Einwirkung von Energie aus Wasser oder Kohlenwasserstoffen gewonnen werden. Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Ausgangsstoffe sind Rohstoffe wie Wasser, Erdgas oder Biomasse und Energie, die zugeführt wird. Je nach Herstellungsprozess trägt Wasserstoff unterschiedliche Namen: blauer, türkiser oder grüner Wasserstoff. Es existieren weitere Herstellungsmethoden für zum Beispiel pinken, gelben oder braunen Wasserstoff, die aber auch aufgrund der verwendeten Energiequellen weniger geeignet sind und die in diesem Artikel nicht weiter berücksichtigt werden sollen.
Verschiedene Arten der Wasserstoff Herstellung
Zur Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab gibt es verschiedene Verfahren:
Dampfreformierung: Was ist blauer Wasserstoff?
Bei der Dampfreformierung wird ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff, heute hauptsächlich Erdgas, in Gegenwart von Wasserdampf umgewandelt. Die hohen Temperaturen und die Zugabe von Wasserdampf führen zur Produktion von Wasserstoff. Allerdings besteht das Problem, dass bei der Gewinnung einer Tonne Wasserstoff gleichzeitig zehn bis 19 Tonnen klimaschädliches Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden. Die Dampfreformierung ist gegenwärtig das wirtschaftlichste und am weitesten verbreitete Verfahren zur Wasserstoffherstellung, insbesondere in der industriellen Anwendung, vor allem in Erdölraffinerien. Dieses Verfahren kann auch mit Biomasse angewendet werden, beispielsweise zur Herstellung von Biowasserstoff durch Biomassevergasung.
Methan-Pyrolyse: Was ist türkiser Wasserstoff?
Die Methan-Pyrolyse zeigt sich als vielversprechende Technologie. Dabei erfolgt die Spaltung von Erdgas, insbesondere Methan, unter Hitzeeinwirkung. Dies führt zur Bildung von Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C). Um das Verfahren CO2-neutral zu gestalten, wird die thermische Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen. Der entstandene Kohlenstoff findet Anwendung, unter anderem in der Bau- und Werkstoffindustrie. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass wesentlich weniger Energie für die Wasserstoffherstellung benötigt wird als bei der Elektrolyse für grünen Wasserstoff. In diesem Kontext gibt es eine neu entwickelte Methode, die im Mai 2021 von Wissenschaftlern der TUM im „International Journal of Hydrogen Energy“ vorgestellt wurde: die sogenannte „Elektronenstrahl-Plasmapyrolyse“ (Electron beam plasma methane pyrolysis). Dies ermöglicht eine effizientere und umweltfreundlichere Wasserstoffproduktion im Vergleich zu bisherigen Methoden der Methanpyrolyse, wobei signifikante Verbesserungen im Wirkungsgrad gegenüber anderen Pyrolyseverfahren festzustellen sind.
Elektrolyse: Was ist grüner Wasserstoff?
Eine bedeutende Herausforderung der Energiewende besteht in der volatilen Einspeisung von regenerativ erzeugtem Strom. Bereits heute übersteigt die regionale Stromproduktion gelegentlich die Kapazität des Stromnetzes. Dies führt dazu, dass beispielsweise Windparks kurzfristig abgeregelt werden müssen. In diesen Zeiten bietet sich die Produktion von grünem Wasserstoff besonders an: Anstatt den überschüssigen Strom aus Wind und Sonne abzuregeln, wird er zur Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt, der dann ins Gasnetz eingespeist wird.
Die Elektrolyse zerlegt die chemische Verbindung H2O (Wasser) mithilfe elektrischen Stroms in ihre Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Wird für die Elektrolyse Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet, entstehen keine Treibhausgase bei der Wasserstoffproduktion. Der resultierende Wasserstoff ist somit CO2-frei und wird als grüner Wasserstoff bezeichnet.
Wozu wird Wasserstoff genutzt?
Bereits seit vielen Jahren wird Wasserstoff für industrielle und technische Prozesse eingesetzt, z. B. für die Herstellung von Düngemitteln. Seine Einsatzmöglichkeiten können künftig deutlich ausgebaut werden:
Wasserstoff im Straßenverkehr
Der Wasserstoffantrieb ist keine neuartige Idee. Tatsächlich wurde das erste Wasserstofffahrzeug bereits vor über 200 Jahren gebaut. Auch in Zukunft könnte man Wasserstoff im Straßenverkehr nutzen. Im Vergleich zu den reinen Batteriefahrzeugen versprechen sie aber eine größere Reichweite und lassen sich fast ebenso schnell betanken wie ein Verbrenner.
Im Verkehrssektor ist die Nutzung jedoch bislang auf größere Fahrzeuge mit Drucktanks beschränkt. Forscher vom Fraunhofer Institut in Dresden haben jetzt eine Methode entwickelt, mit der sich Wasserstoff unter Normaldruck in einer Paste binden lässt – nicht explosiv und vielfältig einsetzbar. Die „Powerpaste“ soll künftig insbesondere für den Antrieb von Kleinstfahrzeugen wie E-Rollern dienen.
Wasserstoff im Bahnverkehr
Die Züge der Deutschen Bahn verbrauchen derzeit 250 Millionen Liter Diesel pro Jahr – ein Wert, der bis 2050 auf null Liter reduziert werden soll. Um dieses Ziel zu erreichen, plant das Unternehmen, zukünftig auch auf Wasserstoffzüge zu setzen. Insbesondere auf nicht elektrifizierten Nebenstrecken, wo sich Oberleitungen wirtschaftlich kaum rentieren. Regionale Zugbetreiber wie die EVB in Niedersachsen haben in den letzten Jahren bereits erfolgreich Wasserstoffzüge getestet. Ab 2022 sollen 14 Brennstoffzellenzüge planmäßig im Elbe-Weser-Raum eingesetzt werden.
Wasserstoff im Schiffsverkehr
Rund 90 Prozent des globalen Warenverkehrs wandern über die Weltmeere. Und der Verkehr auf dem Wasser wird in den kommen Jahren weiterwachsen – und damit auch die Belastung für die Umwelt. Einen Königsweg zu sauberem Schiffsverkehr gibt es dabei nicht, darin sind sich viele Expert:innen einig.
Wasserstoff im Flugverkehr
Die Luftfahrtindustrie wird zunehmend als Hauptverursacher von Klimabelastungen betrachtet. Es steht außer Frage, dass kein anderes Verkehrsmittel pro zurückgelegtem Kilometer derart erhebliche Auswirkungen auf das Klima hat. Ebenso besteht unter Expert:innen Einigkeit: Bei Langstreckenflügen wird es auch in der Zukunft nicht möglich sein, Menschen und Fracht ausschließlich mit elektrischen Antrieben zu befördern. Die heutigen Batterien sind schlichtweg zu groß und zu schwer für diese Aufgabe. Neben Biokraftstoffen setzt die Politik und die Luftfahrtbranche ihre Hoffnungen daher auf Wasserstoff. Dieser kann entweder direkt als Treibstoff verwendet oder zu synthetischem Kerosin weiterverarbeitet werden, das grundsätzlich in heutigen Flugzeugen getankt werden kann.
Wasserstoff für die Industrie
Mit einem Anteil von 24 Prozent war die Industrie im vergangenen Jahr der zweitgrößte CO2-Produzent in Deutschland – noch vor dem Verkehr, der 20 Prozent beisteuerte. Künftig soll Wasserstoff die Produktion von Stahl, Treibstoffen und Grundchemikalien klimafreundlicher machen.
Vor- und Nachteile von Wasserstoff
Doch welche Vor- und Nachteile hat die Nutzung von Wasserstoff?
Vorteile Wasserstoff
- Umweltfreundlichkeit: Grüner Wasserstoff, der mittels Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt wird, ist emissionsfrei und trägt aktiv zur Verminderung der Treibhausgasemissionen bei.
- Vielseitige Anwendung: Wasserstoff findet in verschiedenen Bereichen wie der Industrie, dem Verkehr und der Energie Verwendung, was Flexibilität und Anpassungsfähigkeit ermöglicht.
- Energiespeicherung: Der größte Vorteil dieses Energieträgers liegt darin, dass er große Mengen erneuerbarer Energie langfristig speichern kann. Somit kann er dazu beitragen, saisonale Schwankungen in der erneuerbaren Energieerzeugung auszugleichen, insbesondere in Zeiten mit geringem Angebot an Wind- und Solarstrom.
- Dekarbonisierung: In Branchen wie der Schwerindustrie, in denen Elektrifizierung herausfordernd ist, kann Wasserstoff als sauberer Brennstoff eingesetzt werden, um Emissionen effektiv zu reduzieren.
- Energieeffizienz: Wasserstoff weist eine hohe Energieeffizienz auf und verbrennt etwa 3-mal effizienter als Benzin. Mit einer Energiedichte von 33,33 kWh/kg hat dieser Energieträger die höchste Energiedichte aller Brennstoffe bezogen auf die Masse.
Nachteile Wasserstoff
- Energieaufwand bei der Herstellung: Die Herstellung von Wasserstoff erfordert Energie, und je nach Produktionsmethode können damit verbundene Emissionen entstehen, insbesondere bei der Grau- oder Braunkohlewasserstoffproduktion.
- Transport und Lagerung: Wasserstoff hat eine niedrige Energiedichte, was den Transport und die Lagerung anspruchsvoll macht. Es erfordert spezielle Infrastrukturmaßnahmen.
- Kosten: Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist derzeit teuer und erfordert den Einsatz erneuerbarer Energien, deren Kosten weiterhin sinken müssen, um wettbewerbsfähig zu werden.
- Technologische Herausforderungen: Die Integration von Wasserstoff in bestehende Infrastrukturen erfordert technologische Weiterentwicklungen und Investitionen, um eine nahtlose Integration zu gewährleisten.
Herstellung von Wasserstoff in Deutschland
Neben den klimapolitischen Aspekten ist es von Bedeutung, dass die Wasserstoffstrategie bereits frühzeitig einen Beitrag zur Diversifizierung der Energieimporte leistet und somit zur Versorgungssicherheit Deutschlands beiträgt. Darüber hinaus spielen Wasserstofftechnologien eine Schlüsselrolle bei der Schaffung zukunftsfähiger Arbeitsplätze, der Erschließung neuer Wertschöpfungspotenziale und der Teilnahme an einem globalen Milliardenmarkt. Das Ziel besteht darin, dass Deutschland eine führende Rolle in Wasserstofftechnologien auf globaler Ebene einnimmt.
Die Bundesregierung hat daher im Juni 2020 eine Nationale Wasserstoffstrategie mit einem Aktionsplan verabschiedet. Zur konsequenten Umsetzung und Weiterentwicklung der Strategie wurde eine flexible und ergebnisorientierte Governance-Struktur geschaffen. Im Mittelpunkt steht der Nationale Wasserstoffrat, der erstmals am 09. Juli 2020 zu seiner konstituierenden Sitzung zusammengetreten ist und fortlaufend berät.
Die Strategie verfolgt insbesondere folgende Ziele:
- Klimafreundlich hergestellten Wasserstoff, insbesondere aus erneuerbaren Energien, und seine Folgeprodukte als Schlüsselelemente der Energiewende etablieren.
- Die regulativen Voraussetzungen für einen Markthochlauf der Wasserstofftechnologien schaffen, das heißt inländische Märkte für die Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff ermöglichen.
- Die Kosten bei der Umsetzung von Wasserstofftechnologien senken.
- Deutsche Unternehmen und ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken.
- Die zukünftige nationale Versorgung mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien und dessen Folgeprodukten sichern und gestalten.
Das Bundeskabinett hat im Juli 2023 die Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie beschlossen und damit die Strategie aus dem Jahr 2020 an aktuelle Entwicklungen angepasst und weiterentwickelt. Daneben wird derzeit eine Importstrategie für Wasserstoff und dessen Derivate erarbeitet.
Die Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie verfolgt folgende Zielbilder für 2030:
- Beschleunigter Markthochlauf: Der Markthochlauf von Wasserstoff, seinen Derivaten und Wasserstoffanwendungstechnologien wird deutlich beschleunigt.
- Sicherstellung ausreichender Verfügbarkeit von Wasserstoff: Das Ziel für heimische Elektrolysekapazität in 2030 wird von 5 GW auf mind. 10 GW erhöht. Der restliche Bedarf wird durch Importe gedeckt.
- Aufbau Wasserstoffinfrastruktur: Bis 2027/2028 wird über die IPCEI-Förderung ein Wasserstoffstartnetz mit mehr als 1.800 km umgestellten und neu gebauten Wasserstoffleitungen in Deutschland aufgebaut; europaweit kommen ca. 4.500 km hinzu (European Hydrogen Backbone).
- Wasserstoffanwendungen in den Sektoren: Bis 2030 werden Wasserstoff und seine Derivate insbesondere bei Anwendungen in der Industrie, bei schweren Nutzfahrzeugen sowie zunehmend im Luft- und Schiffsverkehr eingesetzt. Zur perspektivischen Nutzung von Wasserstoff bei der zentralen und dezentralen Wärmeversorgung werden die Rahmenbedingungen aktuell im GEG, in der Wärmeplanung sowie im europäischen Gasmarktpaket weiterentwickelt.
- Deutschland wird bis 2030 Leitanbieter für Wasserstofftechnologien: Deutsche Anbieter bauen ihre Technologieführerschaft aus und bieten die gesamte Wertschöpfungskette von Wasserstofftechnologien an.
- Rahmenbedingungen: Effiziente Planungs- und Genehmigungsverfahren, einheitliche Standards und Zertifizierungssysteme, ausreichend ausgestattete und auf allen Ebenen koordinierte Verwaltung schaffen.
Die Bundesregierung hat mit der Nationalen Wasserstoffstrategie einen Grundstein für die Entwicklung von Wasserstofftechnologien gelegt und fördert aktiv ihren Markthochlauf. Die gesamte Wertschöpfungskette von Wasserstoff wird durch 62 deutsche Großprojekte erforscht, die im Rahmen des “Important Projects of Common European Interest” (IPCEI) unterstützt werden. Hierfür haben das Bundeswirtschafts- und das Bundesverkehrsministerium 19 Projekte für die Wasserstoffproduktion, 15 Infrastrukturprojekte für Wasserstoff, 16 Projekte zur Nutzung von Wasserstoff in der Industrie sowie 12 Projekte zur Verwendung von Wasserstoff im Verkehrssektor ausgewählt.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserstoff als Energieträger eine faszinierende Bandbreite an Möglichkeiten und Herausforderungen schafft. Seine Vielseitigkeit erstreckt sich über die industrielle Nutzung bis hin zur Speicherung und Bereitstellung von Energie in verschiedensten Anwendungen. Die Herausforderungen sind jedoch nicht zu vernachlässigen. Die Energieintensität bei der Herstellung von Wasserstoff und die Frage der Kosten- und Energieeffizienz sind entscheidende Faktoren für die breite Implementierung. Die nachhaltige Integration von Wasserstoff in unser Energiesystem erfordert ein ganzheitliches Bemühen um Fortschritt und Zusammenarbeit auf globaler Ebene.
Häufig gestellte Fragen
Wasserstoff gilt als sauber, da bei seiner Verbrennung oder Verwendung in Brennstoffzellen nur Wasserdampf entsteht. Es produziert keine schädlichen Emissionen, was ihn zu einer umweltfreundlichen Alternative macht.
Wasserstoff findet Anwendung in verschiedenen Sektoren, darunter die Industrie, als Rohstoff für die Chemieproduktion, im Transportwesen für Brennstoffzellenfahrzeuge und sogar als Energiespeicher.
Wasserstoff wird als Schlüsselkomponente für die Dekarbonisierung betrachtet. Er ermöglicht die Integration erneuerbarer Energien in Sektoren mit begrenzten elektrischen Optionen, wie z.B. industrielle Prozesse und den Verkehrssektor.
Die Herstellung von Wasserstoff ist energieintensiv und erfordert oft fossile Brennstoffe. Zudem besteht die Notwendigkeit einer spezialisierten Infrastruktur für Transport und Lagerung. Kosten- und Energieeffizienz sind weitere Herausforderungen.
