Kommt Wasserstoff in der Natur vor?
Ja, aber nicht als reines Gas, sondern hauptsächlich in gebundener Form. Man findet ihn zum Beispiel in Wasser (H₂O), in fossilen Brennstoffen wie Erdgas und Erdöl und in vielen Mineralien. Deshalb bezeichnet man Wasserstoff auch als Sekundärenergie: um Wasserstoff in seiner reinen Form (H₂) nutzen zu können, muss er mit Hilfe von Energie aus diesen Verbindungen herausgelöst werden. Ob dabei Grüner Wasserstoff entsteht, hängt davon ab, welche Energiequelle für diesen Prozess genutzt wird.
Wie wird Wasserstoff hergestellt?
Wasserstoff lässt sich grundsätzlich auf drei Arten herstellen:
- thermisch über die Dampfreformierung von Erdgas,
- pyrolytisch über die Methanpyrolyse und
- elektrochemisch durch die Spaltung von Wasser (Elektrolyse).
Die Produktionswege unterscheiden sich durch den Einsatz verschiedener Rohstoffe und Verfahrensweisen und durch die Menge, des im Prozess entstehenden Kohledioxids (CO₂). Deshalb hat Wasserstoff auch unterschiedliche Farben – sie bezeichnen die Art der Herstellung.
Laut Internationaler Energieagentur (IEA) wird der heute weltweit produzierte Wasserstoff noch fast vollständig aus fossilen Energieträgern hergestellt. Damit Wasserstoff einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Energiesystems leisten kann, braucht es alternative Herstellungsverfahren. Hier wird die Elektrolyse entscheidend sein, da sie die einzige großskalige Methode darstellt, bei der im eigentlichen Herstellungsprozess kein CO₂ entsteht – vorausgesetzt, der eingesetzte Strom stammt zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energien.
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.
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.
So funktioniert’s: Methan wird unter Ausschluss von Sauerstoff stark erhitzt. Dabei zerfällt es in Wasserstoff und festen Kohlenstoff – CO₂ entsteht im eigentlichen Spaltprozess nicht.
Entscheidend für die Klimabilanz ist jedoch, welche Energie für die notwendige Prozesswärme genutzt wird: Nur wenn diese zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt und der feste Kohlenstoff dauerhaft gebunden bleibt oder weiterverwendet wird, ist die Herstellung im Vergleich zur konventionellen Dampfreformierung mit geringeren direkten CO₂-Emissionen verbunden.
Wie funktioniert die Elektrolyse?
Es gibt unterschiedliche Elektrolyseverfahren. Sie unterscheiden sich zum Beispiel darin, welche Materialien eingesetzt werden und bei welchen Temperaturen gearbeitet wird. Diese Unterschiede beeinflussen den Wirkungsgrad – also wie effizient Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird.
Das Grundprinzip ist jedoch bei allen gleich: Elektrischer Strom spaltet Wasser in seine Bestandteile. Aus zwei H₂O-Molekülen entstehen zwei Wasserstoffmoleküle (H₂) und ein Sauerstoffmolekül (O₂).
Alkalische Elektrolyse (AEL)
Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist das älteste und am weitesten verbreitete Verfahren. Sie arbeitet mit einer Kaliumhydroxid-Lösung, erreicht eine hohe Langzeitstabilität und hat geringe Investitionskosten. Ihr Nachteil: Sie reagiert nur langsam auf Laständerungen und benötigt eine lange Kaltstartzeit. Sie wird typischerweise dort eingesetzt, wo Wasserstoff in großen Mengen dauerhaft und zu niedrigen Preisen benötigt wird, beispielsweise in großen Industrieparks und Raffinerien.
PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM) nutzt eine feste Polymermembran und reagiert besonders flexibel auf Schwankungen in der Stromversorgung. Dadurch eignet sie sich gut für die Anbindung an Wind- und Solaranlagen und die Vor-Ort-Erzeugung. Für die Reaktion werden jedoch Edelmetalle wie Iridium und Platin als Katalysatoren benötigt, was zu hohen Kosten führt. Da das Verfahren noch nicht in großem Maßstab skalierbar ist, sind die Investitionskosten hoch: Das Department of Energy rechnet mit Kapitalkosten von rund 2.000 US-Dollar je Kilowatt.
Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Am effizientesten ist die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC), die Wasserdampf bei bis zu 850 Grad spaltet und dabei Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent erreicht – allerdings mit höheren Materialanforderungen und komplexem Anlagenbetrieb. Sie ist vor allem dort sinnvoll, wo bereits hohe Temperaturen bzw. Abwärme verfügbar sind, also vor allem in energieintensiven Industrieprozessen wie der Stahlproduktion.
Die verschiedenen Elektrolyse-Verfahren im Überblick
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Merkmal
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
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Merkmal
Technologiereife
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
Sehr hoch: Etablierte Technologie
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Hoch: Kommerziell verfügbar
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Niedrig: Pilotphase
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Merkmal
Wirkungsgrad
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
60–70 %
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
65–75 %
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
75–90 % (nur bei Abwärmenutzung)
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Merkmal
Reaktionsgeschwindigkeit
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
Für konstanten Betrieb
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Sehr dynamisch (ideal für Wind/Solar)
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Weniger flexibel, eher für konstanten Betrieb
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Merkmal
Materialien
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
Günstig (Nickel, Kalilauge)
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Teuer (Iridium, Platin, Spezial-Membranen)
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Keramiken, Abwärme vorteilhaft
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Merkmal
Vorteile
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
Kostengünstig & langlebig
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Kompakt, hoher Druck, flexibel
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Extrem effizient durch Wärme-Integration
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Merkmal
Herausforderungen
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Alkalische Elektrolyse (AEL)
Großer Platzbedarf, unflexibel
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PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane)
Hohe Investitionskosten (CAPEX – Capital Expenditure)
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Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC)
Hoher Materialverschleiß durch Hitze
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Quelle: Eigene Darstellung auf Basis von IRENA, Innovation landscape for smart electrification: Polymer electrolyte membrane electrolysers, sowie IEA, Global Hydrogen Review 2024.
Warum sollte man Strom in Wasserstoff umwandeln?
Wandelt man Strom in Wasserstoff um – auch Power-to-Gas genannt –, lässt sich dieser länger speichern und besser transportieren. Zwar liegt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff durch Elektrolyse bei lediglich 60–70 Prozent, dennoch lohnt sich das Power-to-Gas-Prinzip:
Was kostet die Wasserstoffherstellung?
In Europa liegen die Kosten für grünen Wasserstoff laut ACER im Durchschnitt bei rund 8 Euro pro Kilogramm; konventioneller hergestellter Wasserstoff aus Erdgas ist demnach etwa viermal günstiger. Tagesaktuelle Preise zeigt der deutsche Hydex-Index.
Für die Herstellung von einem Kilogramm Wasserstoff werden je nach Verfahren und Wirkungsgrad etwa 50 bis 55 Kilowattstunden Strom benötigt. Der tatsächliche Strombedarf hängt vom eingesetzten Elektrolyseur, den Betriebsbedingungen und der Effizienz der Anlage ab. Der Strompreis ist mit der wichtigste Kostenfaktor der Wasserstoffherstellung – er macht fast 80 Prozent der Produktionskosten aus. Dazu kommen Investitionskosten für Elektrolyseure, Betriebskosten und die Auslastung der Anlagen.
Wie viel Wasserstoff wird heute schon in Deutschland hergestellt?
Laut der Deutschen Energieagentur (dena) sind derzeit in Deutschland Elektrolyseure mit einer Leistung von rund 193 Megawatt (MW) in Betrieb. Damit hat sich die installierte Elektrolysekapazität seit der Veröffentlichung der Nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 nahezu verfünffacht. Im Bau befinden sich aktuell Anlagen mit einer Gesamtleistung von etwa 1,2 Gigawatt (GW). Im Vergleich zum politischen Ziel von 10 GW Elektrolysekapazität bis 2030 ist das noch wenig: Die heute installierte Leistung entspricht nur einem kleinen Bruchteil des angestrebten Ausbaus.
Das liegt vor allem an der fehlenden Wirtschaftlichkeit: Aktuell kommen Elektrolyseprojekte kaum ohne staatliche Förderung aus: 90 % der bereits in Betrieb befindlichen oder bis Ende 2026 geplanten Anlagen wird durch öffentliche Fördermittel unterstützt.
Zu den größten in Betrieb befindlichen Elektrolyseuren zählen derzeit die 100 Megawatt-Anlage von RWE in Lingen. Sie erzeugt sei August 2026 erste Mengen Wasserstoffs. Bis Ende 2026 soll die Anlage auf 200 MW anwachsen. Der Elektrolyseur von BASF in Ludwigshafen am Rhein hat 54 Megawatt Leistung und ist seit 2025 in Betrieb. Dort werden bis zu 8.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr produziert.
EnBW-Projekte zur Wasserstoffherstellung
Die EnBW engagiert sich bei der Wasserstoffherstellung vor allem über Pilot- und Demonstrationsprojekte zur Elektrolyse. Im Mittelpunkt steht das Reallabor H₂-Wyhlen in Grenzach-Wyhlen, ein gemeinsames Projekt von EnBW und naturenergie hochrhein AG. Dort wird seit 2021 Wasserstoff mithilfe von Strom aus Wasserkraft hergestellt.
Ein weiteres Projekt findet sich bei der EnBW-Tochter VNG: Im Energiepark Bad Lauchstädt wird grüner Wasserstoff aus Windstrom im industriellen Maßstab erprobt. Vorgesehen ist eine Großelektrolyseanlage von 30 MW, die nach Angaben von VNG jährlich 2.000 bis 4.000 Tonnen grünen Wasserstoff produzieren soll; die schrittweise Inbetriebnahme der Elektrolyse läuft seit Ende 2025.
Mit dem Leitprojekt H₂Mare hat die EnBW zudem gemeinsam mit Partnern untersucht, wie grüner Wasserstoff künftig direkt auf hoher See erzeugt werden kann. Im Fokus steht die Kopplung von Offshore-Windenergieanlagen mit Elektrolyseuren, sodass der Strom ohne Netzanbindung unmittelbar für die Wasserstoffproduktion genutzt wird.
Aktueller Stand & Ausblick
Der Wasserstoffhochlauf in Deutschland ist inzwischen aus der reinen Planungsphase heraus, kommt aber langsamer voran als ursprünglich erwartet. Erste Elektrolyseure produzieren bereits grünen Wasserstoff, zugleich zeigen die geringen installierten Kapazitäten, dass der Markthochlauf noch am Anfang steht. Entscheidend ist nun, ob aus angekündigten Projekten tatsächlich Investitionsentscheidungen, Bau und verlässliche Abnahmeverträge werden.
Die größten Hürden liegen derzeit weniger in der Technik als in der Wirtschaftlichkeit. Grüner Wasserstoff ist weiterhin deutlich teurer als fossile Alternativen, während viele potenzielle Abnehmer noch zögern, langfristige Lieferverträge abzuschließen. Hinzu kommen lange Genehmigungs- und Förderprozesse sowie Unsicherheit darüber, wie schnell Leitungen, Speicher und Importstrukturen verfügbar sein werden.
Politisch wird versucht, diese Bremsen zu lösen. Das Wasserstoff-Beschleunigungsgesetz soll Planungs- und Genehmigungsverfahren für Herstellung, Import, Speicherung und Transport vereinfachen. Ob der Hochlauf gelingt, entscheidet sich jedoch nicht allein an neuen Gesetzen, sondern daran, ob Wasserstoff in ausreichend großen Mengen, zu wettbewerbsfähigen Preisen und mit verlässlicher Infrastruktur verfügbar wird.
Weitere Fragen zur Wasserstoffherstellung
Heute wird der Großteil des weltweit genutzten Wasserstoffs noch aus fossilen Energieträgern gewonnen, vor allem durch die Dampfreformierung von Erdgas. Dieses Verfahren ist technisch ausgereift und kostengünstig, verursacht jedoch hohe CO₂ Emissionen.
Welche Elektrolyse besser geeignet ist, hängt vom Einsatzfall ab. Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist robust, langlebig und vergleichsweise günstig, reagiert jedoch träge auf Laständerungen. Die PEM Elektrolyse ist deutlich flexibler und eignet sich besonders für Wind- und Solarstrom, ist aber aufgrund teurer Materialien aktuell noch kostenintensiver.
Chemisch werden für ein Kilogramm Wasserstoff rund neun Liter hochreines Wasser benötigt. In der Praxis liegt der Wasserbedarf höher, da zusätzlich Wasser für Aufbereitung, Kühlung und Verluste anfällt. Insgesamt sind etwa 10 bis 20 Liter Wasser pro Kilogramm Wasserstoff realistisch.
Der Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient elektrischer Strom in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgewandelt wird. Meist ist damit der elektrische Wirkungsgrad gemeint, also das Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu im Wasserstoff gespeicherter Energie. Je nach Elektrolyse-Technologie liegt dieser Wert heute typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent.
Power to Gas ermöglicht es, überschüssigen erneuerbaren Strom in Wasserstoff umzuwandeln und langfristig zu speichern. Dadurch wird erneuerbare Energie auch dann nutzbar, wenn Sonne und Wind nicht zur Verfügung stehen. Trotz Umwandlungsverlusten ist Power to Gas wichtig für die Sektorkopplung von Strom, Industrie, Wärme und Verkehr.
Grundsätzlich ja, allerdings erfordert die Elektrolyse von Meerwasser zusätzliche technische Schritte. Salz und andere Bestandteile müssen entfernt werden, um Schäden an den Elektrolyseuren zu vermeiden. Auch wenn die Technik noch nicht im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann, gilt die Kombination aus Meerwasserentsalzung, Windstrom und Elektrolyse dennoch als vielversprechender Ansatz für die Zukunft.