Wie entsteht Wasserstoff?
Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Die gängigste Methode ist derzeit die Dampfreformierung von Erdgas: ein Verfahren, bei dem neben Wasserstoff allerdings auch CO₂ produziert wird. Spaltet man Wasser mithilfe von elektrischem Strom in seine molekularen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf, 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.
Wo wird in Deutschland grüner Wasserstoff hergestellt?
Die Produktion von grünem Wasserstoff steht in Deutschland noch ganz am Anfang. Dennoch gibt es vereinzelt schon Projekte, die sich mit der Erzeugung von grünem Wasserstoff beschäftigen. In Grenzach-Wyhlen (Landkreis Lörrach) betreibt die EnBW-Tochter Energiedienst (ED) seit 2018 auf ihrem Wasserkraftwerksgelände eine Power-to-Gas-Anlage. Dort erzeugt sie mit klimaneutralem Strom aus Wasserkraft hochreinen Wasserstoff 5.0. „Bei Volllast produzieren wir täglich gut 400 Kilogramm Wasserstoff, damit ließen sich etwa 100 Pkw volltanken“, sagt André Büssers vom ED-Bereich Wasserstoff.
In Heilbronn ist eine weitere Tochter der EnBW aktiv. Unter dem Projektnamen H₂ORIZON erzeugt Markus Wiench seit 2019 mit seinem Team hochreinen Wasserstoff 5.0 aus Windenergie. Zum Einsatz kommt hier eine neue Elektrolyseform, die sogenannte Proton Exchange Membrane (PEM). „Das ist eine dynamische Anlage, die Schwankungen in der Stromzufuhr besser ausgleichen kann“, erklärt Wiench. Weil der Wind nicht ständig und gleich stark weht, müssen bei der Wasserstoffproduktion aus Windenergie solche Schwankungen aber immer mit einkalkuliert werden. Projektpartner der ZEAG ist das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR), auf dessen Gelände auch die Anlagen stehen. „Der von uns produzierte Wasserstoff wird im ersten Schritt hauptsächlich für die Triebwerksforschung hier am Standort eingesetzt“, so Wiench. Das DLR testet unter anderem Wasserstoff-Sauerstoff-Antriebe für die Ariane-5-Rakete. Mit über 400 Tonnen Wasserstoffverbrauch jährlich gilt es als einer der größten Wasserstoffnutzer Europas.
Geplantes EnBW-Wasserstoffprojekt in Norddeutschland
Auf dem Gelände des EnBW-Steinkohlekraftwerks in Rostock soll in den nächsten vier Jahren eine Elektrolyseanlage entstehen. Gebaut werden soll die Anlage von einem Zusammenschluss mehrerer Firmen, dem neben der EnBW die Energieversorger RWE und RheinEnergie (letzterer ist Miteigentümer des Kraftwerks) sowie der Hafen Rostock (Rostock Port GmbH) angehören.
Die Elektrolyseanlage ist zunächst auf eine Leistung von 100 Megawatt ausgelegt. Sie wird jedoch modular aufgebaut – das heißt, eine spätere Erhöhung der Leistung auf bis zu 1.000 Megawatt ist möglich. Den Betrieb übernimmt die Kraftwerksmannschaft in Rostock. Der für die Produktion des Wasserstoffs notwendige Strom soll aus Onshore- und Offshore-Windkraftanlagen kommen. Jährlich sollen so – voraussichtlich ab 2026 – pro Jahr etwa 6.500 Tonnen „grüner“ Wasserstoff erzeugt werden. Dieser soll lokalen Verbrauchern im Raum Rostock zur Verfügung gestellt und in die entstehende Wasserstoffpipeline Rostock-Berlin eingespeist werden.
Wie teuer ist Wasserstoff?
Einen einheitlichen Preis für Wasserstoff gibt es nicht. „Die Spanne für grünen Wasserstoff reicht von 5 bis 20 Euro pro Kilogramm“, sagt Markus Wiench. „Die breite Preisspanne ist auf die unterschiedlichen Größen der Erzeugungsanlagen und die Produktionsart aus erneuerbarer Energie zurückzuführen. Grauer Wasserstoff aus Erdgas ist bereits um 3 bis 4 Euro pro Kilogramm erhältlich.“ In Wyhlen bei der ED kostet ein Kilogramm grüner Wasserstoff aktuell 7 Euro und mehr. „Das liegt mitunter an den hohen Strompreisen“, sagt André Büssers. Fährt man an eine Wasserstofftankstelle, zahlt man den bundesweit einheitlichen Preis von 9,50 Euro. Ein Kunstpreis, der weniger auf den Erzeugungsaufwand als vielmehr auf eine politische Komponente zurückzuführen ist. „Der Preis von 9,50 Euro wurde mit einem sogenannten Dieseläquivalent festgelegt. Dabei wird der Kraftstoffverbrauch von Verbrenner und Wasserstoffantrieb verglichen und der Wasserstoffpreis schließlich äquivalent zum Dieselpreis festgelegt“, so Wiench. „Wobei der Wasserstoff an den öffentlichen Tankstellen meistens kein grüner ist.“
Wie kann grüner Wasserstoff günstiger werden?
Grüner Wasserstoff lässt sich günstiger produzieren, 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. Ende 2022 ist die 1-MW-Elektrolyseanlage in den Regelbetrieb gegangen. „Wir wollen zeigen, wie Sektorenkopplung im industriellen Maßstab schon heute in der Praxis funktioniert“, sagt Markus Wiench. Neben der Elektrolyseanlage betreibt die ZEAG auf dem DLR-Standort auch zwei Blockheizkraftwerke, von denen eines in Zukunft 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.
In Niedersachsen sind bereits die weltweit ersten wasserstoffbetriebenen Züge unterwegs. Auf der Teststrecke zwischen Cuxhaven und Buxtehude fuhr 2019 zunächst der „Coradia iLint“ des französischen Unternehmens Alstom. Dieser verfügte über eine Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff betankt wird. Mit einer Tankfüllung kann der „Coradia iLint“ 600 Kilometer zurücklegen. Jetzt wird seit August 2022 das gesamte Netz Bremervörde mit insgesamt 14 Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb bedient. Damit haben die Eisenbahnen und Verkehrsbetriebe Elbe-Weser (evb) ihre gesamte Dieselzugflotte durch Wasserstoffzüge ersetzt. Gebaut werden die „Coradia iLint“-Züge am Alstom-Standort in Salzgitter.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Wasserstofferzeugung in Deutschland?
„Am Anfang des Projektvorhabens war die eingesetzte Elektrolysetechnologie noch recht neu, und da mussten wir uns erst herantasten“, erinnert sich Wiench. „Wir hatten einen Windpark, einen Abnehmer (DLR) und ein paar motivierte Kolleg*innen, und jetzt sind wir Ende 2022 in den kommerziellen Betrieb übergegangen.“ Das mache ihn stolz, sagt der junge Projektleiter, 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 Produktion von grünem Wasserstoff zu decken.