Wasserstoff

Wasserstoff ist das chemische Element (Symbol: H; Ordnungszahl: 1), das in unserem Universum am häufigsten vorkommt; es macht drei Viertel der Masse unserer Galaxie aus. Es ist das leichteste aller Elemente und im Normalzustand ein farbloses, geruchloses, geschmackloses, ungiftiges und leicht brennbares Gas. Als solches hat es ein enormes Potenzial als Energieträger und wird manchmal als Brennstoff der Zukunft bezeichnet. Erfahre im Folgenden mehr über die Potenziale und Herausforderungen.

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Was ist Wasserstoff?

Auf der Erde findet sich der größte Teil des verfügbaren Wasserstoffs in gebundener Form; in elementarer Form als reines Gas kommt er nur selten vor. Wasser, Methan und Mineralöl sind die bekanntesten Verbindungen, in denen Wasserstoff hier existiert. Neben den natürlichen Vorkommen kann Wasserstoff auch hergestellt werden. Heute haben sich vor allem zwei Verfahren zur Herstellung des Elements etabliert: Dampfreformierung und Elektrolyse.

Wasserstoff im Energiekontext

Wasserstoff als Element wurde im 18. Jahrhundert vom englischen Physiker und Chemiker Henry Cavendish entdeckt. Heute wird er in einer Vielzahl von Sektoren verwendet, darunter die Raffinerie und die chemische Industrie. Doch erst in den letzten Jahren hat man sein Potenzial für den Energiesektor erkannt. Wasserstoff gilt heute als wertvoller Energieträger und sollte nicht fälschlicherweise als Energiequelle bezeichnet werden. Er ist in der Lage, eine enorme Menge an Energie zu liefern oder zu speichern und kann daher mit den richtigen Technologien, nämlich der Brennstoffzellentechnologie, zur Stromerzeugung genutzt werden. Brennstoffzellen ermöglichen entweder die Erzeugung von elektrischem Strom oder die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme. Bisher wird Wasserstoff vor allem in der Erdölraffinerie und der Düngemittelproduktion eingesetzt, aber auch das Transportwesen und die Energieversorgung werden immer stärkere Märkte.

Erzeugung von Wasserstoff

Wie beschrieben, kommt Wasserstoff auf der Erde hauptsächlich in festen Verbindungen vor. Im Laufe der Zeit hat die Menschheit jedoch Wege gefunden, das Element in seiner ursprünglichen Form zu nutzen. Dabei haben sich zwei Methoden zur Erzeugung von reinem Wasserstoff herauskristallisiert:

Dampfreformierung

Etwa 95 Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs wird durch Dampfreformierung aus einer Methanquelle, wie Erdgas, gewonnen. Bei diesem Produktionsverfahren reagiert Methan mit Hochtemperaturdampf unter Druck und in Gegenwart eines Katalysators zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid und einer relativ geringen Menge Kohlenstoffdioxid. Da es sich um ein endothermes Verfahren handelt, muss dem Prozess Wärme zugeführt werden, damit die Reaktion abläuft. Die Dampfreformierung kann auch zur Herstellung von Wasserstoff aus anderen Brennstoffen wie Ethanol, Propan oder sogar Benzin verwendet werden. Da bei diesem Verfahren auch Kohlenstoffdioxid entsteht, ist es nicht die umweltfreundlichste Option.

Elektrolyse

Die Elektrolyse, auch Power-to-Gas genannt, ist ein Verfahren, bei dem mit Hilfe von Strom Wasserstoff aus Wasser erzeugt wird. Die Verwendung von erneuerbaren Energiequellen ermöglicht eine kohlenstofffreie Wasserstofferzeugung. Die Elektrolysereaktion findet in einem Elektrolyseur statt. Wie Brennstoffzellen enthalten Elektrolyseure eine Anode und eine Kathode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind und zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff dienen. Elektrolyseure unterscheiden sich nach der Art des verwendeten Elektrolyts und der Art der geleiteten Ionen. Es gibt drei Haupttypen von Elektrolyseuren: Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseure, alkalische Elektrolyseure und Festoxid-Elektrolyseure.

Typen

Der meiste Wasserstoff wird heute aus fossilen Brennstoffen hergestellt, wobei der größte Teil davon mittels Erdgas erzeugt wird. Elektrizität ist zwar weniger verbreitet, aber es ist anzunehmen, dass Solarenergie und Biomasse in Zukunft aufgrund ihrer Kosteneffizienz an Bedeutung gewinnen werden.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben wird und somit kein CO₂ ausstößt. Da weder die Herstellung von grünem Wasserstoff noch die Nebenprodukte Wasserstoff und Sauerstoff umweltschädlich sind, ist grüner Wasserstoff klimaneutral.

Die Produktion großer Mengen grünen Wasserstoffs erfordert erhebliche Stromerzeugungskapazitäten aus erneuerbaren Energien. Um grünen Wasserstoff wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen, müssen die Strompreise so günstig wie möglich sein.

Türkiser Wasserstoff

Türkiser Wasserstoff wird durch Methanpyrolyse hergestellt, ein thermisches Verfahren, bei dem Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff aufgespalten wird. Wenn der Kohlenstoff dauerhaft gebunden bleibt und bei der weiteren Verarbeitung nicht verbrannt wird, kann dies als klimaneutral angesehen werden. Die Reaktoren oder Hochöfen, die zur Aufspaltung des Methans verwendet werden, müssten ebenfalls mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Da jedoch die Gewinnung des Rohstoffs Erdgas, der als Grundlage für die Methanpyrolyse dient, häufig mit Emissionen verbunden ist, ist türkiser Wasserstoff in der Regel nicht vollständig klimaneutral.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird durch die Dampfreduktion von Erdgas hergestellt. Dabei wird das Erdgas in Wasserstoff und CO₂ aufgespalten. Bei diesem Dampfreformierungsverfahren wird das Kohlenstoffdioxid jedoch nicht in die Atmosphäre freigesetzt, sondern gespeichert oder industriell verarbeitet. Mit der Carbon-Capture-and-Storage (CSS)-Technologie kann CO₂ unterirdisch gespeichert werden. Das bedeutet, dass auch blauer Wasserstoff keine CO₂-Emissionen freisetzt. Die langfristigen Auswirkungen der Speicherung sind jedoch ungewiss; Leckagen könnten immer auch negative Auswirkungen auf die Umwelt haben.

Grauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff ist das genaue Gegenteil von grünem Wasserstoff – er ist in keiner Weise klimaneutral. Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung fossiler Brennstoffe wie Erdgas oder Kohle hergestellt. Bei diesem Prozess wird das Abfallprodukt CO₂ direkt in die Atmosphäre freigesetzt. Für jede produzierte Tonne Wasserstoff entstehen zehn Tonnen Kohlenstoffdioxid, was den grauen Wasserstoff besonders umweltschädlich macht. Wenn für die Elektrolyse statt Ökostrom aus erneuerbaren Energiequellen Strom aus fossilen Brennstoffen verwendet wird, ist der erzeugte Wasserstoff ebenfalls grau.

Andere Farben

Manchmal werden auch andere Farben verwendet, um die Herstellung von Wasserstoff zu beschreiben. Bei rotem, rosa und violettem Wasserstoff wird zur Herstellung ein Elektrolyseur verwendet, der mit Kernenergie betrieben wird. Der gelbe Wasserstoff wird unter Einbezug erneuerbarer Energiequellen, darunter Solarenergie, hergestellt. Weißer Wasserstoff ist schlichtweg ein Abfallprodukt, das bei anderweitigen chemischen Prozessen entsteht. Wird Kohle zur Herstellung von Wasserstoff verwendet, entsteht in der Folge brauner Wasserstoff.

Verwendung von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein Universaltalent und wird bereits in vielen Bereichen eingesetzt oder getestet:

• Industrie: Dies ist heute die dominierende Verwendung von Wasserstoff. Ölraffination, Ammoniak-, Methanol- und Stahlherstellung – all die Produktionsprozesse, die hinter diesen Materialien stehen, benötigen Wasserstoff. Da fast der gesamte benötigte Wasserstoff aus der Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen stammt, ist das Potenzial für Emissionsreduzierungen durch den Umstieg auf sauberen Wasserstoff in der Industrie erheblich.
• Verkehrswesen: Mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge, die mit Brennstoffzellen ausgestattet sind, können längere Strecken mit weniger Energieaufwand zurücklegen. Das macht sie besonders für Schwerlasttransporte und Busse des öffentlichen Nahverkehrs interessant. Allerdings ist die Infrastruktur für Wasserstoffmobilität in den meisten Gebieten noch nicht sehr weit fortgeschritten. In der Schifffahrt und in der Luftfahrt sind die Alternativen für kohlenstoffarme Kraftstoffe begrenzt, was die Aussichten für wasserstoffbasierte Kraftstoffe in diesem Sektor erhöht.
• Bausektor: Wasserstoff könnte als Ersatz für Erdgas dienen. Es gibt Einschätzungen, dass sein größtes Potenzial durch Mehrfamilienhäuser und Geschäftsgebäuden entfaltet werden könnte, insbesondere in dicht besiedelten Städten. Da Wasserstoff und Brennstoffzellen komplett oder nahezu emissionsfrei arbeiten, haben sie das Potenzial, die Treibhausgasemissionen in vielen Use Cases erheblich zu verringern.
• Energie-Speichertechnologien: Wasserstoff ist einer der führenden Wege für die Speicherung erneuerbarer Energien. Wasserstoff wird durch Power-to-Hydrogen produziert, wenn erneuerbare Energien im Überfluss vorhanden sind, und wieder in Energie umgewandelt wird, wenn der Energiebedarf hoch ist und/oder erneuerbare Energien weniger bis gar nicht produktiv sind. Darüber hinaus können Wasserstoff und Ammoniak in Gasturbinen eingesetzt werden, um die Flexibilität des Stromsystems zu erhöhen. Ammoniak könnte auch in Kohlekraftwerken eingesetzt werden, um die Emissionen zu verringern.

Da Wasserstoff und Brennstoffzellen komplett oder nahezu emissionsfrei betrieben werden können, haben sie das Potenzial, die Treibhausgasemissionen in vielen Use Cases erheblich zu verringern.

Die Herausforderungen von Wasserstoff

Experten sind sich seit langem einig, dass Wasserstoff in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Energiesicherheit leisten und in einigen Sektoren eine tragfähige Rolle für eine erfolgreiche Energiewende spielen kann. Zahlreiche Pilotprojekte in aller Welt zeigen dies bereits heute. Bis es jedoch über das Pilotstadium hinausgeht, ist noch ein langer Weg zu meistern, denn: Die Menschheit hat es noch nicht geschafft, Produktionsverfahren für Wasserstoff zu entwickeln, die gleichzeitig klimaneutral, energieeffizient und kostengünstig sind. Noch immer ist der klimaschädliche graue Wasserstoff die am häufigsten genutzte Form. Auch die Speicherung von Wasserstoff bleibt eine Herausforderung, da es sich um ein hochentzündliches Gas handelt. Daher muss Wasserstoff sicher gelagert werden, was wiederum kostspielige und umfangreiche Maßnahmen unumgänglich macht. All das erhöht die Attraktivität für Unternehmen und Investoren nicht unbedingt und schränkt zudem die Skalierungsmöglichkeiten erheblich ein. Auch Sicherheitsbedenken scheinen zum Beispiel die großflächige Einführung von Transportfahrzeugen zu erschweren oder gar zu verhindern. Hinzu kommt, dass die Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität wenig energieeffizient ist. Angesichts der Tatsache, dass auch bei der Herstellung von Wasserstoff Energie verloren geht, scheinen die Diskussionen über die Energieeffizienz und die praktische Nutzung von Wasserstoff noch nicht abgeschlossen zu sein und eine Herausforderung darzustellen.

Bei alledem müssen auch der schleppende Ausbau der erneuerbaren Energien beschleunigt, unklare Rechtslagen durch entsprechende Regelungen geklärt und die noch hohen Investitionskosten zwangsläufig gesenkt werden. Damit die Unternehmen ihre Produktion ausweiten können, müssen zudem die Rahmenbedingungen gesichert und verbessert werden. Um all dies zu erreichen, konzentriert sich die Forschung auf die Senkung der Gesamtkosten von Wasserstoff durch: Verbesserung der Effizienz und der Lebensdauer von Wasserstoff-Produktionstechnologien sowie Senkung der Kosten für Anlagen, Betrieb und Wartung.