Grüner Wasserstoff: Der Schlüssel für eine emissionsfreie Zukunft?

Was ist Wasserstoff und was macht ihn so interessant?

118 chemische Elemente sind der Menschheit bislang bekannt, doch über kaum eines wird in letzter Zeit so viel gesprochen wie über Wasserstoff. Was macht das leichteste aller Elemente aus und welche Bedeutung hat es – für Industrie, Politik und Gesellschaft? 

Als chemisches Element hat Wasserstoff das Symbol „H“ (lateinisch Hydrogenium = „Wasserbildner“) und die Ordnungszahl 1 im Periodensystem. Es ist nicht nur das leichteste, sondern auch das häufigste Element im Universum. Wasserstoff ist farblos, geruchlos und geschmacklos. Das Element kommt in verschiedenen Formen vor, darunter molekularer Wasserstoff (H2), der auch als Diwasserstoff oder Wasserstoffgas bezeichnet wird, sowie in Verbindungen mit anderen Elementen wie Wasser (H2O) oder Methan (CH4). 

Wasserstoff hat eine Vielzahl von Anwendungen und das Potenzial, fossile Roh- und Brennstoffe zu ersetzen. Deshalb ist er für die Industrie so interessant und ein so großer Hoffnungsträger für die Klimawende. Als Brennstoff kann er in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, wobei lediglich Wasser als Nebenprodukt entsteht. Als Rohstoff wird Wasserstoff für die Herstellung vieler Produkte der chemischen Industrie verwendet, etwa Ammoniak und Methanol. Darüber hinaus wird Wasserstoff als Treibstoff in der Raumfahrt, als Reduktionsmittel in metallurgischen Prozessen und in der Lebensmittelindustrie als Schutzgas zur Haltbarmachung eingesetzt. 

Der Boom, den grüner Wasserstoff in letzter Zeit erfährt, entstand aber vor allem dadurch, dass er auf dem Weg zur ausschließlichen Nutzung erneuerbarer Energien zum Erfolg führen kann – besonders, weil bei der Verbrennung oder Verwendung in Brennstoffzellen keine schädlichen Emissionen erzeugt werden, sondern nur Wasser entsteht. Zudem kann Wasserstoff als Energiespeicher mit hoher Dichte genutzt werden. Allerdings gibt es auch Hürden: Obwohl Wasserstoff als Element so häufig vorkommt, ist die Erzeugung großer Mengen bisher energie- und kostenintensiv. Speicherung und Transport bringen noch weitere Herausforderungen mit sich. 

Wasserstoff: Herstellung auf verschiedenen Wegen

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Wasserstoff, darunter die Dampfreformierung von Erdgas, die Pyrolyse von Biomasse und die Elektrolyse von Wasser. Jedes Verfahren hat jeweils Vor- und Nachteile und wird weiterhin erforscht und weiterentwickelt.

Jede Methode zur Wasserstoffherstellung hat Stärken und Schwächen – etwa in Bezug auf Umweltauswirkungen, Energieeffizienz, Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Die Wahl der Methode hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der verfügbaren Ressourcen, der Umweltauswirkungen und der gewünschten Anwendungen für den Wasserstoff.

Wie funktioniert die Elektrolyse von Wasserstoff?

Die Wasserstoffelektrolyse ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch die Aufspaltung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mithilfe von elektrischem Strom. Wird dafür Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet, ist der Prozess nahezu emissionsfrei und hat keine negativen Auswirkungen auf Umwelt und Klima. 

Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyseverfahren. Die Prozesse unterscheiden sich in den verwendeten Materialien, den Betriebsbedingungen und den Anwendungsbereichen: 

• Alkalische Elektrolyse: Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige Lösung von Natronlauge (Natriumhydroxid, NaOH) oder Kalilauge (Kaliumhydroxid, KOH) als Elektrolyt verwendet. Ein Elektrolyseur besteht aus zwei Elektroden, einer Anode und einer Kathode, die in die Elektrolytlösung getaucht sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden werden Wasserstoffionen (H+) an der Kathode reduziert und zu Wasserstoff (H2) umgewandelt, während Sauerstoffionen (O2-) an der Anode oxidiert werden und Sauerstoff (O2) freigesetzt wird. 
• PEM-Elektrolyse: Bei der PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane) wird eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwendet, um den Protonenfluss zwischen den Elektroden zu ermöglichen und die Gase zu trennen. Die PEM besteht aus einem sauren Polymer, das selektiv Protonen durchlässt, während Elektronen blockiert werden. Wasser wird auf der Anode in Sauerstoff und Protonen (H+) oxidiert, während Wasserstoffionen auf der Kathode reduziert werden, um Wasserstoffgas (H2) zu erzeugen. Die PEM-Elektrolyseure sind kompakter und reagieren schneller auf Änderungen der Eingangsleistung im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse, was sie flexibel und für viele Anwendungen geeignet macht. 
• Hochtemperatur-Elektrolyse: Bei der Hochtemperatur-Elektrolyse wird die Elektrolyse typischerweise bei über 800 °C durchgeführt, und feste Oxide wie Zirkonoxid oder Ceriumoxid werden als Elektrolyt verwendet. Bei hohen Temperaturen können Wasserstoff- und Sauerstoffionen leichter durch den Elektrolyten wandern, was zu einer höheren Effizienz führt. Allerdings erfordert diese Form der Elektrolyse hohe Betriebstemperaturen, was die Anlagenkomplexität und die Materialanforderungen erhöht. 

Die Elektrolyse von Wasser benötigt Energie, um den Strom zu liefern, der den Prozess antreibt. Da diese Energie aus verschiedenen Quellen stammen kann, hängt die Umwelt- und Klimaverträglichkeit des Verfahrens wesentlich von der verwendeten Energiequelle ab: Werden erneuerbare Energien wie Windkraft oder Photovoltaik verwendet, wird die Wasserstoffelektrolyse zu einer vielversprechenden Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Denn so bietet sie die Möglichkeit, erneuerbaren Wasserstoff ohne Treibhausgasemissionen zu erzeugen und ihn als sauberen Brennstoff in Brennstoffzellen oder anderen Anwendungen zu nutzen.

Aus Treibhausgasen wird Wasserstoff: CO2 und Methan als Rohstoffe

Wasserstoff kann aus Erdgas hergestellt werden – und umgekehrt. Doch für die Produktion von H2 gibt es noch spannendere Verfahren und Rohstoffe: Denkbar ist auch, dass bei der Umwandlung von Methan zu Wasserstoff künftig der dabei entstehende Kohlenstoff abgeschieden und als Rohstoff für andere Produkte genutzt wird. Für die Umwandlung von klimaschädlichen Gasen in Wasserstoff gibt es verschiedene Ansätze. 

Bei der Methanreformierung mit CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) wird Methan mit Wasserstoff vermischt und in einer chemischen Reaktion bei hoher Temperatur in Wasserstoff und CO2 umgewandelt. Das entstandene CO2 wird abgeschieden und entweder unterirdisch gespeichert oder anderweitig genutzt, um die Emissionen zu reduzieren. Dieser Prozess wird als „graue Wasserstoffproduktion“ bezeichnet, da er CO2 als Nebenprodukt erzeugt, aber mit CCS-Technologien zur Emissionsreduzierung kombiniert werden kann. 

Beim Verfahren der biologischen Methanisierung wird CO2 mit Wasserstoff in Gegenwart von speziellen Mikroorganismen in eine chemische Reaktion gebracht, die zu Methan führt. Dieser Prozess wird Power-to-Gas genannt, da er erneuerbaren Wasserstoff verwendet, um CO2 in Methan umzuwandeln, das als erneuerbarer Brennstoff verwendet werden kann. 

Für die Pyrolyse von Biomasse mit CO2-Abscheidung wird Biomasse, also etwa Pflanzenreste oder Holz, in einer Pyrolyse-Reaktion in Wasserstoff, Kohlenstoff und andere Gase umgewandelt. Das entstandene CO2 wird abgeschieden und gespeichert, um klimaschädliche Emissionen zu reduzieren. Dieser Prozess hat also das Potenzial, erneuerbaren Wasserstoff aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen und gleichzeitig die Emission von CO2 zu reduzieren. 

Farbenlehre: Wissenswertes zu grünem Wasserstoff

Grau, braun, rot – Wasserstoff wird mit vielen Farben in Verbindung gebracht. Zwar ist das chemische Element farblos, doch die Farben verweisen auf das Herstellverfahren und die Energiequelle, die zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt wird.  

Besonders zukunftsträchtig ist der grüne Wasserstoff. Auch als erneuerbarer Wasserstoff oder nachhaltiger Wasserstoff bezeichnet, ist Wasserstoff dann grün, wenn er unter Verwendung von erneuerbaren Energiequellen hergestellt wird und keine oder nur minimale Treibhausgasemissionen verursacht. 

Die Herstellung von grünem Wasserstoff erfolgt durch Elektrolyse – unter Verwendung von Strom aus Quellen wie Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft oder Biomasse. Im Vergleich zu Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas gewonnen wird, führt die Herstellung von grünem Wasserstoff also nicht zur Freisetzung von CO2 und somit auch nicht zur Klimaerwärmung. 

Ein entscheidender Faktor für die zukünftigen Marktchancen von grünem Wasserstoff sind die Kosten, die für die Herstellung entstehen. Sie variieren abhängig von verschiedenen Faktoren, wie 

• der Art der verwendeten erneuerbaren Energiequelle, 
• dem verwendeten Herstellungsverfahren, 
• der Skalierung der Produktion, 
• der Verfügbarkeit und den Kosten von Rohstoffen, 
• der Infrastruktur und 
• den regionalen Marktbedingungen.

Grüner Wasserstoff: teuer, aber langfristig erfolgversprechend

Generell sind die Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff bislang noch relativ hoch im Vergleich zu Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas gewonnen wird. Außerdem ist die Herstellung durch den Prozess der Elektrolyse energieintensiv. Da die Wasserstoffinfrastruktur einschließlich der Speicherung, des Transports und der Verteilung von Wasserstoff noch nicht so gut entwickelt ist wie die Infrastruktur für fossile Brennstoffe, sind erhebliche Investitionen und technologische Entwicklungen nötig, um eine umfassende Wasserstoffinfrastruktur aufzubauen, die für eine breite Anwendung von grünem Wasserstoff erforderlich ist. 

Zu erwarten ist aber, dass die Kosten für grünen Wasserstoff in Zukunft sinken werden, da erneuerbare Energiequellen zunehmend wettbewerbsfähiger werden und immer stärkere Skaleneffekte eintreten. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass die Kosten für grünen Wasserstoff bis 2030 um 50 Prozent oder mehr reduziert werden könnten, was ihn wirtschaftlicher und wettbewerbsfähiger gegenüber konventionellem Wasserstoff macht.

Wasserstoffwirtschaft: Ein neues Konzept der Energieversorgung

Das Potenzial von Wasserstoff für Industrie und Gesellschaft ist gewaltig – so gewaltig, dass Fachleute bereits von einer Wasserstoffwirtschaft sprechen, die in Zukunft entstehen soll. Doch was ist damit gemeint? Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept, bei dem Wasserstoff als zentraler Energieträger verwendet wird, um verschiedenste Sektoren der Wirtschaft mit Energie zu versorgen. Die Wasserstoffwirtschaft basiert auf der Vorstellung, dass Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle genutzt werden kann, um fossile Brennstoffe zu ersetzen und den Übergang zu einer kohlenstoffarmen oder sogar kohlenstofffreien Wirtschaft zu ermöglichen. 

Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft wird Wasserstoff als vielseitiger Energieträger betrachtet, der in unterschiedlichsten Anwendungen genutzt werden kann: 

• Verkehrssektor: Wasserstoff kann in Brennstoffzellenfahrzeugen als sauberer Kraftstoff verwendet werden, der Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umwandelt und dabei nur Wasser als Abgas erzeugt. Diese Anwendung hat besonders in der Luft- und Schifffahrt großes Potenzial, da der Betrieb von Flugzeugen und Schiffen mit batterieelektrischen Antrieben über weite Strecken auf absehbare Zeit als eher unrealistisch angesehen wird. 
• Energiespeicherung: Wasserstoff kann als Speichermedium für erneuerbare Energien eingesetzt werden, um überschüssige Energie aus der Stromerzeugung mit Wind-, Solar- oder Wasserkraftanlagen zu speichern und bei Bedarf wieder freizusetzen. 
• Industrie: Wasserstoff kann als Rohstoff oder Energieträger in industriellen Prozessen genutzt werden, etwa für die Herstellung von chemischen Produkten, Stahl und anderen Industriegütern. 
• Wärmeerzeugung: Wasserstoff könnte langfristig auch als sauberer Brennstoff für die Erzeugung von Wärme und Warmwasser in Gebäuden und Industrieanlagen verwendet werden. 
• Stromerzeugung: Wasserstoff kann in Brennstoffzellen-Kraftwerken verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen, indem Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umgewandelt werden.

Die Wasserstoffwirtschaft wird oft als eine nachhaltige Alternative zur Nutzung von fossilen Brennstoffen gesehen: Denn Wasserstoff verursacht bei der Verbrennung oder Verwendung in Brennstoffzellen nur Wasser als Abgas und setzt keine kohlenstoffhaltigen Emissionen frei. Allerdings gibt es auch noch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Wasserstoffwirtschaft, wie 

• die nachhaltige Produktion von grünem Wasserstoff, 
• die Entwicklung von Infrastruktur für Wasserstoffproduktion, -speicherung und -transport und 
• die wirtschaftliche Rentabilität und Integration von Wasserstoff in bestehende Energiesysteme.

Grüner Wasserstoff: Treibstoff für eine klimaneutrale Industrie und Mobilität

Grüner Wasserstoff ist zweifellos ein Schlüssel zur Verwirklichung einer emissionsfreien Zukunft und kann einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung von Umweltbelastungen und zur Bekämpfung des Klimawandels leisten. 

Die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen bietet die vielversprechendste Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff ohne klimaschädliche Emissionen. Obwohl die Kosten für die Herstellung derzeit noch hoch sind und die Infrastruktur noch ausgebaut werden muss, wird erwartet, dass mit dem Fortschreiten von Technologie und Skaleneffekten die Kosten für grünen Wasserstoff sinken werden. Dies wird die wirtschaftliche Rentabilität fördern und den Weg für eine breite Anwendung von grünem Wasserstoff ebnen. 

Die Wasserstoffwirtschaft als Konzept bietet die Möglichkeit, Wasserstoff als zentralen Energieträger in verschiedenen Sektoren wie Verkehr, Industrie, Energiespeicherung und Stromerzeugung einzusetzen. Dabei müssen jedoch auch die Herausforderungen der nachhaltigen Produktion, Infrastrukturentwicklung und Integration in bestehende Energiesysteme bewältigt werden. 

Um die Vision einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft zu verwirklichen, ist eine koordinierte Zusammenarbeit von Industrie, Politik und Forschung erforderlich. Investitionen in Forschung und Entwicklung, der Ausbau der Infrastruktur und die Schaffung von Anreizen für den Einsatz von grünem Wasserstoff sind entscheidende Schritte auf diesem Weg.