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Wasserstoff-Wirtschaft: Erzeugung, Nutzung, Potentiale

Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas mit flexiblen Einsatzmöglichkeiten. H bzw. H2 ist das leichteste chemische Element, besitzt die geringste Dichte und kommt im gesamten Universum am häufigsten vor. Wasserstoff ist überwiegend in gebundener Form, z.B. in H2O, (Wasser) vorzufinden. Durch seine sehr gute Brennbarkeit ist Wasserstoff als Energieträger geeignet: Beim Verbrennen von Wasserstoff oxidiert dieser mit dem Luftsauerstoff und es wird Wasserdampf als "Abgas" freisetzt. 

Außerdem kann Wasserstoff in einer so genannten Brennstoffzelle direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei keine Flamme entsteht und der Wirkungsgrad bei einer Vielzahl von Anwendungen höher ist als bei einer einfachen Verbrennung.

Wasserstoff Energieträger der Zukunft

Kommt grüner Wasserstoff zum Einsatz, so ist dieser vollständig nachhaltig im Sinne der Dekarbonisierungsstrategie und trägt damit zum Schutz des Klimas bei. Allerdings steht er in Konkurrenz zur direkten Verwertung der elektrischen Energie aus erneuerbaren Quellen.

Da bei einer direkten Verwertung von erneuerbaren Energien keine Umwandlungsverluste entstehen, ist der Wirkungsrad dort höher und sorgt, wo immer dies möglich ist, für eine effizientere Nutzung der Energien.

Sollen die erzeugten erneuerbaren Energien jedoch entweder zwischengespeichert oder aber über eine längere Strecke transportiert werden, ist Wasserstoff in den meisten Fällen die deutlich bessere Option.


Herstellung: Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff ist das am häufigsten im Universum vorkommende Element, allerdings fast immer in gebundener und nicht in freier Form. Neben Sauerstoff ist Wasserstoff ein Bestandteil von Wasser, davon gibt es auf der Erde reichlich.

Um Wasserstoff in Reinform zu erhalten, wird Wasser mittels Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, dies ist praktisch der Umkehrprozess zur Brennstoffzelle. Dafür muss elektrische Energie von außen zugeführt werden. Erfolgt dieser Prozess mithilfe Erneuerbarer Energien, wird bei dem Endprodukt von grünem Wasserstoff gesprochen.

Welche Farbe hat die Erzeugung von Wasserstoff?

Der gasförmige Wasserstoff selbst ist farbneutral bzw. transparent. Immer wieder werden jedoch  verschiedene Farbbezeichnungen mit Wasserstoff in Verbindung gebracht: grau, blau, türkis und grün. Was steckt dahinter?

Die vier Farben beziehen sich auf den Produktionsprozess, den dabei verwendeten Strom, die entstehenden Nebenprodukte und die Klimaneutralität. Dazu gibt es die folgende Übersicht:

 Wasserstoff  verwendete EnergieErzeugung durchEndprodukteKlimaneutral 
   
Grün     
erneuerbare Energien,
wie Wind, Sonne etc.

Elektrolyseur
Wasserstoff und 
Sauerstoff

✔️ zu 100 Prozent

Türkis

elektrische Energie und
(fossiles) Erdgas


Methanpyrolyse
Wasserstoff und
fester Kohlenstoff (C)
❌ nur teilweise, C wird
weiterverarbeitet

Blau
aus fossilen Energieträgern,
wie Erdgas oder Kohle

Dampfreformierung
Wasserstoff und
Kohlenstoffdioxid (CO2)
❌ teilweise; CO2 wird gespeichert und
entweicht nicht in die Athmosphäre* 

Grau
aus fossilen Energieträgern,
wie Erdgas oder Kohle
Dampfreformierung 
oder Elektrolyse
Wasserstoff und
Kohlenstoffdioxid (CO2)
❌ 0 Prozent; CO2 entweicht
in und belastet die Athmosphäre 

* CCS: Carbon and Capture Storage (Abscheidung und Speicherung von CO2); Die Langzeitfolgen sind noch nicht bekannt

Teilweise werden auch noch andere Farben ins Spiel gebracht, wenn zum Beispiel Atomstrom als Energieträger (violett, z.T. auch rosa oder rot) oder eine Mischung aus erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen (gelb) verwendet wird. Entsteht Wasserstoff selbst nur als Neben- oder Abfallprodukt aus anderen industriellen Prozessen, wird er in der Regel als weißer Wasserstoff bezeichnet.

Nutzung – Wie effizient ist H2 wirklich?

Beim Erzeugen von Wasserstoff mittels Elektrolyse werden ca. 65 % der eingesetzten elektrischen Energie im Wasserstoff gespeichert. Der energetische Rest von ca. 35 % liegt als Abwärme vor. Bei der Rückverwandlung in Strom werden weitere ca. 35 % als Abwärme an die Umgebung abgegeben und ca. 65 % der im Wasserstoff enthaltenen Energie werden in elektrische Energie zurückverwandelt.

Für die Lagerung von Wasserstoff, zum Beispiel in Tanks, muss wiederum Energie zur Verdichtung aufgebracht werden. Dadurch liegt der elektrische Gesamtwirkungsgrad einer Verwandlung und Rückverstromung bei ca. 40 %. Das bedeutet, dass ca. 60 % als Wärme in die Umgebung ausgestrahlt werden. Findet sich eine energetische und ortsnahe Verwendung der anfallenden Abwärme, z.B. zur Nutzung in einem Heizkraftwerk, kann der Gesamtwirkungsgrad deutlich gesteigert werden.

Die Fachliteratur geht derzeit davon aus, dass mittels effizienterer Verfahren zukünftig ein elektrischer Gesamtwirkungsgrad von bis zu 55 % erreicht werden kann. Ein beschleunigter Ausbau erneuerbarer Energien kann dazu beitragen, dass die Fragen nach dem Wirkungsgrad in den Hintergrund und die Fragen nach der Speicherung und den Transportmöglichkeiten in den Vordergrund treten. Das wäre für den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft von großem Vorteil.

Wasserstoff - Einsatzgebiete und Potentiale

Fossile Energieträger, wie Kohle, Mineralöl und Erdgas sind nicht nur umweltschädlich, sondern auch endlich. Erneuerbare Energien hingegen gelten als sauber und beinahe unendlich verfügbar. Aber weder der Wind weht rund um die Uhr noch scheint die Sonne in unseren Breitengraden an jedem Tag des Jahres. Wie also lässt sich grüne Energie nutzen und gleichzeitig für wind- und sonnenlose Tage speichern?

Hier kommt Wasserstoff ins Spiel und demonstriert eine seiner Stärken: Er kann z.B.

    • durch hohen Druck oder
    • in chemischen Prozessen

die ungenutzte elektrische Energie (im besten Fall aus Erneuerbaren Energien) direkt am Erzeugerstandort zwischenspeichern und das selbst über einen sehr langen Zeitraum. Später lässt sie sich durch Rückverstromung wieder zurückverwandeln, so ähnlich, wie bei einem Pumpspeicherkraftwerk.

Die so gespeicherte Energie lässt sich aber auch über größere Strecken transportieren und ist deshalb für den Im- oder Export von Energien interessant. Aber auch im Bereich Mobilität kann Wasserstoff damit sinnvoll zur Anwendung kommen, z.B. in

Inzwischen lassen sich in sogenannten Power-to-X-Verfahren E-Fuels (Elektro-Kraftstoffe), also synthetisches Kerosin oder Benzin, herstellen. Diese werden mit Strom aus Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2)  produziert. Weil bei diesen Methoden jedoch (noch) zusätzliche Energie und eine Kohlenstoff-Quelle nötig sind, wird weiter an nachhaltigeren Prozessen geforscht.

Ebenfalls untersucht werden Methoden zur Umwandlung des Wasserstoffs in den Energieträger Ammoniak, da hier als weitere Quelle der in der Umgebungsluft reichlich vorhandene Stickstoff verwendet werden kann. Jedoch ist hierfür zusätzliche Energie nötig. Zu beachten ist außerdem die Klassifizierung von Ammoniak als giftiger Gefahrenstoff.