Wasserstoff ist ein Eckpfeiler der Energiewende

Wasserstoff ist ein sehr leichtes und brennbares Gas. Abgekürzt wird Wasserstoff mit dem chemischen Symbol H: Das steht für Hydrogenium. Dieser griechisch-lateinische Ausdruck bedeutet so viel wie „Wassererzeuger“. Wasserstoff ist vor Helium das häufigste Element im Universum. Auf der Erde kommt das farb- und geruchslose Gas Wasserstoff hauptsächlich gebunden mit Sauerstoff in Wasser (H₂O) oder als Wasserstoffgas (H₂) vor. In molekularer Form steckt er außerdem in fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl sowie in über der Hälfte aller bekannten Mineralien. Wasserstoff verfügt über einige chemische Besonderheiten, die es als Element auszeichnen. So hat es etwa die geringste Atommasse und verfügt lediglich über ein Elektron. Da Wasserstoff etwa 14-mal leichter als Luft ist, diente er früher dazu, Ballone oder Zeppeline zu füllen und zum Fliegen zu bringen. Wegen der Explosionsgefahr findet dafür inzwischen aber hauptsächlich das Edelgas Helium Verwendung, das im Gegensatz zu Wasserstoff nicht brennbar ist.

Das Verfahren zur grünen Wasserstoffproduktion nennt sich Power-to-Gas und ist eine der Power-to-X-Technologien (PtX-Technologien), bei denen Strom genutzt wird, um zum Beispiel Gase (Power-to-Gas), Wärme (Power-to-Heat) oder flüssige Energieträger (Power-to-Liquid) herzustellen. PtX-Technologien gelten als aussichtsreichste Lösung, verschiedene Energieträger aus Ökostrom zu erzeugen, so den Ausstoß von Treibhausgasen in wichtigen Sektoren zu verringern und die Klimaziele zu erreichen.

Ausgangsbasis für die Herstellung von Wasserstoff sind beim sogenannten Reformierungsverfahren fossile Brennstoffe wie Kohle, Biomasse oder Erdgas. In einem mehrstufigen Verfahren wird diesen Brennstoffen Wasserdampf zugegeben (Dampfreformierung) und dem Gemisch anschließend der Wasserstoff entzogen. Bei der Dampfreformierung entsteht ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, weshalb man hier von grauem also nicht klimaneutral erzeugtem Wasserstoff spricht.

Eine klimaneutrale Wasserstoffproduktion hingegen ist das Umwandeln von Methan aus biogenen Quellen, wie Biogas in Wasserstoff. Die Methanpyrolyse zersetzt Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff. Neben den positiven Effekten für die Umwelt, werden für dieses Verfahren auch fast 90 Prozent weniger Energie benötigt, als bei der Wasserelektrolyse.

Bisher hat die Methanpyrolyse allerdings überwiegend im Labor Anwendung gefunden. Ob das Verfahren auch künftig im industriellen Maßstab werden kann, sollen Forschungsprojekte zeigen.

Wasserstoff findet bereits in Raffinerien und in der chemischen, petrochemischen und stahlerzeugenden Industrie in großen Mengen Verwendung – größtenteils allerdings der klimaschädliche Wasserstoff, der hohe CO₂-Emissionen verursacht. Das soll sich in Zukunft ändern: Grüner Wasserstoff aus Ökostrom kann in der Industrie die hohen Emissionen klimaschädlicher Treibhausgase erheblich senken. Darüber hinaus kann grüner Wasserstoff künftig in vielen Lebensbereichen eine elementare Rolle spielen und so zum Gelingen der Energiewende beitragen.

Laut Nationalem Wasserstoffrat – das ist ein von der Bundesregierung ins Leben gerufenes, unabhängiges Beratungsgremium – liegen die wichtigsten Einsatzbereiche von Wasserstoff in der Stahl- und Chemieindustrie. In der Stahlindustrie kann Wasserstoff Kohle als Reduktionsmittel ersetzen. In der Chemieindustrie braucht es Wasserstoff, um beispielsweise Erdöl als Rohstoff abzulösen. Außerdem kann Wasserstoff die Brennöfen in der Glas-, Zement- und Stahlindustrie klimaneutral beheizen.

In Deutschland liegt ein weiterer Schwerpunkt der Nationalen Wasserstoffstrategie neben der Dekarbonisierung der Industrie auf dem Verkehrssektor und dem Transportwesen. Insbesondere Lastkraftwagen, Busse und die Luftfahrt, die sich nicht so einfach elektrifizieren lassen wie der motorisierte Individualverkehr, sollen mit grünem Wasserstoff ihre Emissionen verringern.

Hier dient Wasserstoff als Ausgangsbasis für synthetische Kraftstoffe, um Klimafreundlichkeit im Flug-, Fern-, Schwerlast- und Schiffsverkehr zu erreichen

In der Wärmeversorgung dürfte Wasserstoff, der bereits heute in kleinen Mengen in das bestehende Gasnetz fließt, als Energieträger ebenfalls zunehmend Verwendung finden. Die Netze BW erprobt derzeit mit der „Wasserstoff-Insel Öhringen“ nahe Heilbronn die Potenziale der Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz und ist bereits jetzt überzeugt davon, dass sich bis zu 30 Prozent Wasserstoff dem Erdgas beimischen lassen.

Grüner Wasserstoff lässt sich durch die Elektrolyse von Wasser herstellen. Dafür ist Energie notwendig, die bei grünem Wasserstoff in der Regel aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Grüner Wasserstoff ist deshalb CO₂-frei, weil bei seiner Produktion kein CO₂ anfällt und bei seiner Verbrennung kein CO₂ entsteht. Grundsätzlich hat Wasserstoff vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Mit Wasserstoff (H2) kann Energie gespeichert, umgewandelt oder durch Verbrennung zu hohen Temperaturen klimaneutral freigesetzt werden.

Einzig bei grün erzeugtem Wasserstoff fällt kein CO₂ an. Weil es noch andere Erzeugungsarten gibt, dient die Aufteilung in grünen, blauen, türkisen oder grauen Wasserstoff dazu, die Herstellungsarten und letztlich das Maß an Klimaneutralität des jeweils erzeugten Wasserstoffs zu unterscheiden. Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung meist aus fossilem Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund zehn Tonnen CO₂ pro Tonne Wasserstoff, die in die Atmosphäre gelangen.

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Entstehung das CO₂ jedoch teilweise abgeschieden und über das Verfahren „Carbron Capture and Storage“ (CCS) im Erdboden gespeichert wird. Höchstens 90 Prozent des anfallenden CO₂ sind bei der Erzeugung von blauem Wasserstoff speicherbar.

Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) entsteht. Anstelle von CO₂ fällt dabei fester Kohlenstoff an. Das Verfahren der Methanpyrolyse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.

Um grünen Wasserstoff als klimaneutralen Energieträger zu etablieren, ist eine zunehmende inländische Wasserstoffproduktion und Wasserstoffverwendung unverzichtbar. Um eine langfristig wirtschaftliche und nachhaltige Herstellung und Nutzung von Wasserstoff sicherzustellen, müssen vor allem die Erzeugungskapazitäten von Strom aus erneuerbaren Quellen weiter steigen. Ein konsequenter Ausbau von Photovoltaik- und Windkraftanlagen ist unerlässlich, um ausreichend Ökostrom für die Erzeugung von grünem Wasserstoff zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig noch ausreichend erneuerbaren Strom für die bereits gängigen Nutzungen zusichern zu können.

Die Bedeutung von Wasserstoff für die Energiewende wächst auch angesichts der Tatsache, dass Deutschland seinen hohen Energiebedarf vermutlich noch lange Zeit nicht aus eigener, nachhaltiger Erzeugung decken kann. Energieimporte sind also auch in Zukunft notwendig. Grüner Wasserstoff ist hier eine vielversprechende Lösung dafür, anstelle von Erdgas und Erdöl zunehmend klimafreundliche Energie zu importieren. Denn grüner Wasserstoff speichert sozusagen die Energie von Sonne und Wind und lässt sich unter hohem Druck, verflüssigt, gebunden an eine Trägerflüssigkeit oder in Form von Wasserstoff-Folgeprodukten effizient transportieren.

Um die gesetzten Klimaziele zu erreichen, ist die intensive Nutzung von Wasserstofftechnologien in Deutschland aus aktueller Sicht alternativlos. Die Energiewende in allen Lebensbereichen ist nur erreichbar, wenn es gelingt, etablierte und sehr energieintensive Produktionsprozesse auf Wasserstoff umzustellen und langfristig auf eine Wasserstoffwirtschaft hinzuwirken..

Erst die Kopplung mit Wasserstofftechnologien ermöglicht es, Ökostrom aus Erzeugungsanlagen für erneuerbare Energien in den bislang von der Stromwende nicht erfassten Bereichen zu nutzen. Grüner Wasserstoff eröffnet hier zudem das Potenzial, erneuerbare Energien flexibel zu speichern und bei Bedarf wieder umzuwandeln und ins Stromnetz einzuspeisen. Die hohen Schwankungen in der Stromerzeugung aus Sonne und Wind lassen sich so glätten und eine grundlastfähige Versorgung mit erneuerbaren Energien sicherstellen.

Eine Fraunhofer-Studie kommt zu dem Ergebnis, dass Deutschland 2050 bis zu 800 Terawattstunden (TWh) Wasserstoff jährlich benötigen könnte, wenn es die Potenziale ausschöpft und etwa auch der Schiffs- und Flugverkehr auf Wasserstoff und daraus erzeugten synthetischen Treibstoffen basiert. Der Aufbau einer Elektrolyse-Kapazität von 80 Gigawatt (GW) in Deutschland erscheint den Forscher*innen bis 2050 möglich – aber selbst diese hohen Produktionskapazitäten dürften aus Sicht des Fraunhofer-Instituts nur einen Teil der bis dahin stark ansteigenden Nachfrage decken können.

Die Bundesregierung schätzt den Bedarf an Wasserstoff sowie wasserstoffbasierten Energieträgern und Rohstoffen auf 200 bis 900 TWh pro Jahr ein. Der Grund für diese große Spannweite sind unterschiedliche Annahmen hinsichtlich des künftigen Elektrifizierungsgrads in Deutschland, von dem auch die Nachfrage nach stofflichen Energieträgern wie Wasserstoff, synthetischem Methan sowie synthetischen Flüssigkraftstoffen im Verkehrssektor abhängt. Zudem ist unklar, wie stark Deutschland im Jahr 2050 industrialisiert sein wird, was den Bedarf an wasserstoffbasierten Grundstoffen von Unternehmensseite stark beeinflussen wird. Unklar ist auch, wie sich die Elektrifizierungsquote im Gebäudesektor entwickelt. In einem Szenario, das eine fast ausschließliche Nutzung von Wasserstoff in der Industrie und eine hohe Verwendung in den Bereichen Wärme und Verkehr sowie zur Speicherung von Ökostrom unterstellt, geht die Bundesregierung ebenfalls von einem Wasserstoffbedarf in Höhe von jährlich rund 800 TWh ab 2050 aus.

Ein weiteres Projekt der EnBW-Tochter Netze BW beschäftigt sich mit dem Transport von Wasserstoff. Denn obwohl Deutschland über ein mehr als 500.000 Kilometer langes Gasnetz verfügt, kann das nicht einfach für den Wasserstofftransport genutzt werden. Erdgas und Wasserstoff unterscheiden sich nämlich in ihrer chemischen Zusammensetzung, daher kann man Erdgas nicht ohne Weiteres eins zu eins durch Wasserstoff ersetzen. In der Stadt Öhringen wird ein Teil des bestehenden Gasnetzes wie eine Insel vom restlichen Netz abgetrennt und schrittweise mit bis zu 30 Prozent Wasserstoff versorgt. Das Besondere beim Projekt Wasserstoffinsel Öhringen ist, dass es im realen Netzt durchgeführt wird. Dabei sind die Haushalte ein wesentlicher Eckpfeiler des Projekts: Denn die Menschen unterscheiden sich in ihrem Verbrauchsverhalten und auch die verbaute Technik ist nirgendwo gleich.

Es ist davon auszugehen, dass die Effizienz von serienmäßig hergestellten Elektrolyseuren zur Herstellung von Wasserstoff bei etwa 70 Prozent liegen wird, wenn sie am Markt verfügbar sind. Der sogenannte Wirkungsgrad gibt an, welche Menge der eingesetzten elektrischen Energie sich in dem erzeugten Wasserstoff speichern lassen. Ab 2030 hofft die Branche wegen technologischer Fortschritte auf Werte von 75 Prozent und mehr.

Die Effizienz der Wasserstoffproduktion per Elektrolyse lässt sich außerdem steigern, wenn die dabei entstehende Abwärme ausgekoppelt und beispielsweise zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt wird – wie es die EnBW-Tochter ZEAG mit dem Projekt H₂ORIZON bei Heilbronn, einer 1-MW-Elektrolyseanlage, bereits im industriellen Maßstab praktiziert.

Grüner Wasserstoff wird – etwa durch Elektrolyse – klimaneutral aus erneuerbarem Strom erzeugt. Die Energie von Sonne und Wind lässt sich auf diese Weise mit einem vielseitig einsetzbaren Energieträger speichern, transportieren und je nach Bedarf einsetzen, beispielsweise in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Strom und Wärme oder in Industrieprozessen.

Grüner Wasserstoff ist CO₂-frei und damit klimaneutral, weil bei seiner Produktion kein CO₂ anfällt und bei seiner Verbrennung kein CO₂ entsteht. Er kann maßgeblich dazu beitragen, eine zunehmende Dekarbonisierung von wesentlichen Lebens- und Wirtschaftsbereichen zu erreichen. Ein Vorteil ist auch sein hoher Energiegehalt: Ein Kilogramm (komprimierter) Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 33 Kilowattstunden (kWh), ein Liter Diesel etwa hat dagegen nur einen Energiegehalt von 10 kWh.

Ein Nachteil sind die Energieverluste, die bei der Umwandlung von Ökostrom in grünen Wasserstoff über den Umweg der Elektrolyse entstehen. Aktuell liegt der technologisch erreichbare Wirkungsgrad voraussichtlich bei etwa 70 Prozent, etwa 30 Prozent der eingesetzten Energie gehen also verloren. Da Strom ein wichtiger Inputfaktor bei der Produktion von grünem Wasserstoff ist, beeinträchtigen die Strompreise in hohem Maße dessen Herstellungskosten.

Ein weiterer Kostenfaktor sind die Transportkosten. Wird Wasserstoff beispielsweise auf einem Schiff in flüssiger Form transportiert, muss er dafür stark runtergekühlt werden – und das verteuert die Gesamtkosten ebenfalls. Die Transportlogistik für Wasserstoff steht jedoch noch ganz am Anfang, in Zukunft ließe sich etwa die bestehende Pipeline-Infrastruktur für Gas für einen effizienten Transport nutzen.

Gegenüber rein strombasierten Technologien sind wasserstoffbasierte Lösungen bei ausschließlicher Betrachtung der Energie- und Transportkosten im Nachteil. Der Durchbruch der Wasserstoffwirtschaft ist daher auch davon abhängig, wie schnell sich die Produktionskosten von grünem Wasserstoff senken lassen. Dafür benötigt es einen effizienten Markt, förderliche politische Rahmenbedingungen und eine entsprechend ausgebaute Infrastruktur. Mit ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie verfolgt die Bundesregierung das Ziel, Forschungsvorhaben zu fördern, Investitionen zu unterstützen und möglichst viele Unternehmen zum Einstieg in die Wasserstoffproduktion zu bewegen.