Wie entsteht Wasserstoff?

Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weisen hergestellt werden. Die gängigste Methode ist derzeit die Dampfreformierung von Erdgas: ein Verfahren, bei dem neben Wasserstoff allerdings auch CO₂ produziert wird. Wird Wasser mithilfe von elektrischem Strom in seine molekularen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, spricht man von Elektrolyse. Und wenn der dazu benötigte Strom aus erneuerbaren Energien kommt, gewinnt man klimaneutralen oder auch grünen Wasserstoff Die Reinheit von Wasserstoff wird in Maßzahlen angegeben. Dabei gibt die erste Zahl an, wie oft die Ziffer 9 im Prozentwert vorkommt. So entspricht Wasserstoff 3.0 einer Reinheit von 99,9 Prozent, Wasserstoff 5.0 hingegen weist eine Reinheit von 99,999 Prozent auf.

Wie kann grüner Wasserstoff günstiger werden?

Indem Nebenprodukte genutzt werden. „Sowohl bei der Elektrolyse als auch im Wasserkraftwerk entsteht Abwärme“, sagt Büssers. „Mit der Abwärme des Kraftwerks werden wir mittelfristig ein neues Wohngebiet beheizen. Auch von der PtG-Anlage kann künftig die Abwärme ausgekoppelt und damit nutzbar gemacht werden.“ Von der Wasserstoffproduktion können also noch weitere Sektoren, wie beispielsweise die Wärmeversorgung profitieren. Sektorenkopplung nennt sich dieses Zusammenspiel. In einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Reallabor entwickelt ED deshalb ein Geschäftsmodell zur wirtschaftlichen Nutzung von grünem Wasserstoff.Bereits einen Schritt weiter ist H₂ORIZON bei Heilbronn. Anfang 2022 soll die 1-MW-Elektrolyseanlage in den Regelbetrieb gehen. „Wir wollen zeigen, wie Sektorenkopplung im industriellen Maßstab schon heute in der Praxis funktioniert“, sagt Isabelle Tuchek. Neben der Elektrolyseanlage betreibt die ZEAG auf dem DLR-Standort auch zwei Blockheizkraftwerke, von denen eines 2022 zu Forschungszwecken auch mit bis zu 60 Prozent Wasserstoff betrieben werden kann. Damit soll auch die Energie- und Wärmeversorgung in den Gebäuden am Standort nachhaltiger werden. Entscheidend für die Kostenreduktion ist aber auch, dass künftig ausreichend günstiger Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Wasserstofferzeugung?

„Am Anfang des Projektvorhabens war die eingesetzte Elektrolyse-Technologie noch recht neu, und da mussten wir uns erst herantasten“ erinnert sich Tuchek. „Wir hatten einen Windpark, einen Abnehmer (DLR) und ein paar motivierte Kolleg*innen, und jetzt stehen wir als Vorreiter kurz vor dem Übergang in den kommerziellen Betrieb.“ Das mache sie stolz, sagt die junge Projektleiterin, allerdings gab es einige Hürden zu meistern: „Diese Anlagen werden hauptsächlich als Containersysteme angeboten. Wir haben sie aber im Gebäude in Betrieb genommen, wodurch zahllose Auflagen hinzukamen, die wir als Betreiber zu erfüllen hatten.“ Und dann sind da noch die politischen Rahmenbedingungen, die aktuell noch nicht vollumfänglich geklärt sind. Denn trotz der Direktanbindung an den eigenen Windpark und der Tatsache, dass H₂ORIZON keinen Strom aus dem Netz der öffentlichen Versorgung bezieht, ist noch nicht ganzheitlich geklärt, ob und in welchem Umfang die ZEAG eine Umlage auf den Strompreis bezahlen muss. Generell müssen aber auch die erneuerbaren Energiequellen im Land massiv ausgebaut werden, um den hohen Bedarf an klimaneutralem Strom für die grüne Wasserstoffproduktion zu decken.

Herstellung von Wasserstoff

Inhalt

Auf der Erde kommt Wasserstoff hauptsächlich gebunden vor – in Form von Wasser (H₂O) oder als Wasserstoffgas (H₂). (Quelle: Adobe Stock)

Kommt Wasserstoff in der Natur vor?

Wasserstoff kommt auf der Erde hauptsächlich in gebundener Form vor, also nicht als reines H₂-Gas. Man findet ihn zum Beispiel in Wasser (H₂O), in fossilen Brennstoffen wie Erdgas und Erdöl sowie in vielen Mineralien. Er wird daher auch als Sekundärenergie bezeichnet. Um Wasserstoff in seiner reinen Form (H₂) nutzen zu können, muss er mit Hilfe von Energie aus diesen Verbindungen herausgelöst werden. Ob dabei umweltfreundlicher Wasserstoff entsteht, hängt davon ab, welche Energiequelle dafür genutzt wird.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Die Herstellung von Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Die gängigsten Methoden sind die Dampfreformierung, die Methanpyrolyse sowie die Elektrolyse. Die einzelnen Produktionswege unterscheiden sich nicht nur durch den Einsatz verschiedener Rohstoffe und Verfahrensweisen, sondern auch durch die Menge der im Prozess entstehenden Treibhausemmissionen. Unterschiedlich ist auch der Wirkungsgrad der einzelnen Verfahren, also wie viel der eingesetzten Energie in nutzbare Energie umgesetzt wird.

Dampfreformierung ist derzeit am kostengünstigsten, setzt aber große Mengen an CO₂  frei.

Dampfreformierung: Auf die konventionelle Art

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute am häufigsten über die Dampfreformierung von Erdgas erzeugt. Das so produzierte Gas wird als grauer Wasserstoff bezeichnet.

So funktioniert’s: In einem mehrstufigen Verfahren reagiert Erdgas mit Wasserdampf unter hohen Temperaturen und Druck. Bei dieser chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und CO₂. Das Reformierungsverfahren lässt sich auch mit Kohle, Methanol und Biomasse durchführen.

Wird das bei der Dampfreformierung entstehende CO₂ aufgefangen und unterirdisch gespeichert (CCS-Technik – Carbon Capture and Storage) entsteht blauer Wasserstoff.

In einem Reaktor, der mit Strom auf etwa 1.000 Grad Celsius erhitzt wird, zerfällt das Methan in gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff – im Verhältnis 1:3.

Methanpyrolyse: Fester Kohlenstoff als Nebenprodukt

Die Methanpyrolyse spaltet Methan aus Erdgas oder biogenen Quellen durch Hitzeeinwirkung. Das Ergebnis dieses Prozesses wird als türkisfarbener Wasserstoff bezeichnet. Um tatsächlich CO₂-neutral zu sein, muss die Energie dafür erstens aus erneuerbaren Quellen stammen. Zweitens muss der gewonnene Kohlenstoff anschließend dauerhaft gelagert oder in festem Zustand genutzt werden. Verwendungsmöglichkeiten für festen Kohlenstoff gibt es viele, etwa als Granulat im Straßenbau, der Werkstoffindustrie sowie in der Landwirtschaft zur Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit.

Energiesparende Brückentechnologie

Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode liegt in ihrem geringeren Energiebedarf. Im Vergleich zur Elektrolyse benötigt sie für die gleiche Wasserstoffmenge nur etwa ein Fünftel der Energie. Dies erklärt sich durch die leichtere Lösbarkeit der Bindungen zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff im Methan gegenüber den Bindungen zwischen Sauerstoff und Wasserstoff im Wasser. Dennoch gilt die Methanpyrolyse als Brückentechnologie: Bei weit verbreiteter Anwendung könnte die Lagerung und Verwendung von festem Kohlenstoff schnell an Grenzen stoßen.

Wird bei der Elektrolyse Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet, entsteht grüner Wasserstoff.

Elektrolyse: Ohne Wasser läuft nichts

Es gibt vier verschiedene Verfahren der Elektrolyse. Sie unterscheiden sich in Technik, Materialwahl, Stromdichte und Betriebstemperatur – Faktoren, die den energetischen Wirkungsgrad bestimmen. Das Grundprinzip bleibt jedoch gleich: Elektrischer Strom spaltet Wasser in seine Bestandteile. Aus zwei H₂O-Molekülen entstehen zwei Wasserstoffmoleküle (H₂) und ein Sauerstoffmolekül (O₂).

Die verschiedenen Elektrolyseverfahren im Detail

Die AEL ist die in der Praxis meist erprobte und am weitesten verbreitete Technologie.
Sie erlangte bereits in den 1950er Jahren technische Reife.
Das Verfahren verwendet deionisiertes Wasser, das mit Kaliumhydroxid vermischt wird.
In der durch eine durchlässige Membran getrennten Elektrolysezelle entsteht unter Gleichspannung an der Kathode gasförmiger Wasserstoff.
Vorteile: hohe Langzeitstabilität [Mouseover: Langzeitstabilität bedeutet, dass ein Elektrolyseur seine Leistungsfähigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten kann, ohne signifikante Einbußen in der Effizienz oder Produktionsrate zu erleiden] und geringe Investitionskosten, kommt praktisch ohne kritische Rohstoffe aus.
Nachteile: hoher Energieverlust und geringe Effizienz, lange Kaltstartzeit.

Alkalische Elektrolyse (AEL)

Bei diesem Verfahren kommt anstelle eines flüssigen Elektrolyts eine gasdichte Membran aus Polymer zum Einsatz.
Dies ermöglicht einen schnellen Lastwechsel und einen Betrieb im gesamten Teillastbereich, das heißt, der Elektrolyseur kann sich an schwankende Stromeingänge anpassen – besonders wichtig bei der Kopplung mit volatilen Stromerzeugern wie erneuerbaren Energien.
Die PEM ist eine relativ junge Technologie, weshalb die Investitionskosten noch deutlich höher als bei der alkalischen Elektrolyse sind.

Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM)

Die AEM kombiniert die Vorteile der alkalischen mit der PEM-Elektrolyse.
Der Betrieb findet lediglich unter leicht alkalischen Bedingungen statt, daher lassen sich kostengünstige, edelmetallfreie Elektrodenkatalysatoren einsetzen.
Das Verfahren verspricht hohe Effizienz, geringe Kosten sowie einen einfachen Aufbau.

Anionen-Exchange-Membran-Elektrolyse (AEM)

Die SOEC-Elektrolyse arbeitet mit sehr hohen Temperaturen von bis zu 1.200°C – ein entscheidender Unterschied zu anderen Elektrolysetechnologien.
Statt flüssigem Wasser verwendet die SOEC-Technologie Wasserdampf, der in reinen Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
Für den Prozess lässt sich industrielle Abwärme nutzen, das senkt den Stromverbrauch und ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad.
SOEC-Elektrolyseure verwenden Festoxid- oder Keramikelektrolyte mit hoher ionischer Leitfähigkeit.

Solid Oxide Electrolyser Cell-Elektrolyse (SOEC)

Grün, türkis, grau: Das bedeuten die Wasserstofffarben

Je nach Produktionsmethode wird Wasserstoff in verschiedenen Farben klassifiziert. Um CO₂-neutral zu sein, kommt es sowohl auf die ausgewählte Sekundärquelle als auch auf die eingesetzte Energie zur Spaltung der Bindungen an.

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Lohnt sich das Prinzip Power-to-Gas?

Forschungsprojekt Biowasserstoff

Im Rahmen des durch das BMWK geförderte Forschungsprojekts „HyTech“ hat die FH Münster die Herstellung von Wasserstoff durch sogenannte dunkle Fermentation erforscht. Hierbei wandeln Mikroorganismen unter Abwesenheit von Licht und Sauerstoff Biomasse in Wasserstoff und Säuren um. Mehr erfahren

Power-to-Gas ist eine spezifische Anwendung innerhalb der Power-to-X-Technologien (PtX). Während Power-to-X den Oberbegriff für verschiedene Technologien darstellt, die elektrische Energie in andere Energieformen oder chemische Verbindungen umwandeln, bezieht sich Power-to-Gas speziell auf die Umwandlung von Strom, insbesondere aus erneuerbaren Quellen, in gasförmige Energieträger wie Wasserstoff oder Methan.

Je nach angewandtem Verfahren liegt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff durch Elektrolyse bei 60 bis 70 Prozent. Dies bedeutet, dass lediglich 60 bis 70 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie in die chemische Energie des produzierten Wasserstoffs umgewandelt werden.

Das Prinzip lohnt sich dennoch – und zwar aus den folgenden Gründen:

Viele Industrieunternehmen sind auf den Einsatz von Wasserstoffmolekülen alternativlos angewiesen. Sie werden ihre Produktionsprozesse nur mithilfe von grünem Wasserstoff dekarbonisieren können.
Power-to-Gas spielt einewichtige Rolle, um Stromüberschüsse aus erneuerbaren Quellen zu nutzen. Das heißt, für die Erzeugung von grünem Wasserstoff wird Strom genutzt, der anderenfalls hätte abgeregelt werden müssen.
Die Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Quellen in Wasserstoff eröffnet neue Wege für die Langzeitspeicherung von Energie. Anders als Strom in Batterien lässt sich Wasserstoff beispielsweise in Form von komprimiertem Gas dauerhaft und in großen Mengen speichern sowie über weite Strecken transportieren.

Wie viel Wasserstoff wird in Deutschland produziert?

Weltweit wird Wasserstoff laut Angaben der International Renewable Energy Agency (IRENA) am häufigsten aus Erdgas (47 Prozent) gewonnen, gefolgt von Kohle (27 Prozent) und Erdöl (22 Prozent). Durch die Elektrolyse von Wasser entstehen derzeit nur 4 Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs (Stand 2021). Das Problem: Bei der Umwandlung fossiler Energien werden große Mengen CO₂ frei, die den Klimawandel beschleunigen. Die Umstellung auf eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft ist daher zwingend erforderlich.

Noch basiert die Produktion hauptsächlich auf fossilen Brennstoffen, doch in den kommenden Jahren soll die Produktion von grünem Wasserstoff erheblich zunehmen. Bis 2030 soll die Kapazität gemäß der Nationalen Wasserstoffstrategie bei 10 GW liegen.

Wie steht es um die Produktion weltweit?

Laut Angaben des Hydyrogen Coucil verfügt China mit 1.150 Megawatt (MW) derzeit über die weltweit größte installierte Elektrolysekapazität. Auf China folgen die Vereinigten Staaten (110 MW), Deutschland (80 MW) sowie Indien, Spanien, Taiwan, Schweden, Kanada und Japan (jeweils etwa 25 MW).

Weltweite kumulierte Elektrolysekapazität

Quelle: www.hydrogencouncil.com

Unser H₂-Engagement im Überblick

Als Infrastrukturanbieter haben wir bereits viele regionale und lokale Wasserstoffprojekte und Reallabore gestartet, von der Erzeugung auf hoher See bis zum H₂-ready-Gaskraftwerk. So gestalten wir den Aufbau des nationalen Wasserstoffmarktes aktiv mit.

Mehr zu unseren Wasserstoff Projekten

Was kostet die Herstellung von Wasserstoff?

Der Preis für Wasserstoff variiert erheblich je nach Herstellungsmethode und den zugrunde liegenden Energiequellen. Grauer Wasserstoff ist derzeit am günstigsten und kostet unter 3 Euro/Kilo. Grüner Wasserstoff liegt bei 5 Euro/kg (Stand: September 2024).

Der Wasserstoffindex Hydex zeigt die jeweiligen Preise für die verschiedenen Erzeugungstypen an. Tagesaktuelle Preiseinschätzungen für grünen Wasserstoff sind hier zu finden.

Was macht grünen Wasserstoff so teuer?

Steht mehr Windenergie zur Verfügung als gebraucht wird, kann sie zur Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt werden. (Quelle: EnBW)

Die Produktion von grünem Wasserstoff steht derzeit hauptsächlich vor zwei Herausforderungen, die zu höheren Kosten im Vergleich zu anderen etablierteren Wasserstofftypen führen. Zum einen befindet sich die Elektrolyse-Technologie noch in einem frühen Entwicklungsstadium, was hohe Investitionskosten verursacht. Zum anderen erfordert der Herstellungsprozess große Mengen erneuerbarer Energie, deren Verfügbarkeit und Kosten oftmals stark schwanken. Für die kommenden Jahre sind jedoch, je nach technologischem Fortschritt, Skaleneffekten und politischen Rahmenbedingungen, deutliche Kostensenkungen für grünen Wasserstoff zu erwarten. Als klimafreundliche Energiequelle unterliegt er nicht der CO₂-Steuer.

Markthochlauf mithilfe anderer Wasserstofffarben

Die Nationale Wasserstoffstrategie sieht vor, in der Transformationsphase auch kohlenstoffarme Wasserstoffarten wie blau, türkis und orange einzusetzen. Dies beschleunigt den Hochlauf und hilft, die erwarteten Bedarfe zu decken, bis ausreichend grüner Wasserstoff zur Verfügung steht.

Wie wird sich der Markt für Wasserstoff künftig entwickeln?

Der Wasserstoffmarkt steht am Beginn einer dynamischen Entwicklung. Aktuell liegt der Preis für grünen Wasserstoff noch deutlich über dem von Erdgas, was die Marktdurchdringung erschwert. Mit zunehmender Skalierung und technologischem Fortschritt werden die Produktionskosten für grünen Wasserstoff jedoch sinken, während fossile Brennstoffe durch steigende CO₂-Preise teurer werden. Dies könnte Ende der 2030er Jahre zu einer Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff führen.

Um den Markthochlauf zu unterstützen, sind klare politische Rahmenbedingungen und marktbasierte Anreizinstrumente für Abnehmer und Produzenten erforderlich. Diese sollen die anfängliche Preisdifferenz überbrücken und die Marktdurchdringung fördern. Insbesondere für Industriebereiche, die alternativlos auf gasförmige Energieträger angewiesen sind, ist es entscheidend, zuverlässige und bezahlbare Angebote zu entwickeln.