h2facts

Was ist Wasserstoff? Wasserstoff ist das häufigste Element auf der Erde. Über 90% aller Atome sind Wasserstoff-Atome und sind somit überall allgegenwärtig. So sind ca. 63% der Atome im menschlichen Körper Wasserstoffatome [1].

Bei dem Blick ins Periodensystem der Elemente ist Wasserstoff das erste Element mit der Ordnungszahl 1. Durch seinen Entdecker Henry Cavendish wurde im Jahr 1766 die englische Bezeichnung „hydrogen“ basierend auf einem Experiment festgelegt, bei dem Cavendish das farblose Gas mit Sauerstoff unter der Bildung von Wasser reagieren ließ. „Hydrogen“ bedeutet in diesem Fall „Element, das Wasser bildet“ [2].

Das erste Thema, welches im Rahmen der h₂facts Reihe näher beleuchtet wird, ist die Produktion von Wasserstoff. Je nach Erzeugungsart werden verschiedene Farben unterschieden, die den sogenannte Wasserstoff-Regenbogen ergeben. Jeder Farbe wird dabei eine Energieart zugeordnet, welche zur Erzeugung des Wasserstoffs genutzt wird. Stand Januar 2022 gibt es jedoch keine offizielle Klassifizierung der Farben auf nationaler oder internationaler Ebene, wodurch sich keine einheitlich anerkannte Einordnung feststellen lässt [3].

Abbildung 1: Wasserstoff-Regenbogen (Quelle: Eigene Darstellung; HySON Institut)

In diesem Artikel werden die vier größten Gruppen der Wasserstoffherstellung in Deutschland sowie die Nebenprodukte, die bei der Produktion anfallen, allen voran das klimaschädliche CO₂ vorgestellt [2].

	Grauer Wasserstoff wird durch fossile Kohlenwasserstoffverbindungen erzeugt. Am häufigsten zum Einsatz kommt dabei die Dampfreformierung von Erdgas, bei der fossiles Erdgas unter Hitze in Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) umgewandelt wird. Das entstehende CO2 wird ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den Treibhauseffekt. Durch die Dampfreformation wurden 2020 über 540.000 Tonnen Wasserstoff hergestellt, was einer Energiemenge von 18 Terrawattstunden (TWh) entspricht. Eine TWh entspricht 1 Milliarde Kilowattstunden. Zur Verbildlichung: Mit 1 TWh könnte ein modernes E-Auto eine Strecke zurücklegen, die 6 Mal so lang wäre, wie die Strecke von der Erde bis zum Mars und zurück. Insgesamt wurden im Jahr 2020 in Deutschland ein Wasserstoffäquivalent von 57 TWh erzeugt [4,5].
	Die Produktion von blauem Wasserstoff ist vergleichbar mit der Erzeugung von grauem Wasserstoff. Der Unterschied besteht darin, dass das freiwerdende CO2 abgeschieden, gespeichert und somit nicht in die Umwelt abgegeben wird (siehe Abbildung 2). Im englischen ist dieser Prozess unter carbon capture storage bekannt und wird CCS abgekürzt. Im Vergleich zu dem Herstellungsprozess ohne die Speicherung des CO2 verringern sich so die Emissionen um knapp 50 %. Die CO2-Emission lässt sich durch die autotherme Reduzierung erneut auf etwa 35 % der herkömmlichen Methan-Dampfreformierung senken. Dabei werden mehrere chemische Reaktionen miteinander gekoppelt, wodurch sich diese ergänzen und zu einer CO2-Einsparung führen. Das Erdgas reagiert dabei mit einer Mischung aus Luft und Wasserdampf zu Wasserstoff, wobei sich das entstehende CO2 noch leichter abtrennen lässt [4].
	Durch die thermische Spaltung von Methan, auch Methanpyrolyse genannt, entsteht türkiser Wasserstoff. Die Methanpyrolyse wird typischerweise bei Temperaturen über 1000 °C durchgeführt. Durch die thermische Spaltung entsteht hierbei gasförmiger Wasser- und fester Kohlenstoff. Letzt genannter ist auch unter der Bezeichnung Carbon Black bekannt und verfügt über vielfältige Einsatzmöglichkeiten, unter anderem auch für die Wasseraufbereitung [4].

Abbildung 2: Wasserstofferzeugungsarten und Nebenprodukte (Quelle: Eigene Darstellung; HySON Institut)

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich aus erneuerbaren Energien hergestellt, sodass keine umweltschädlichen Treibhausgase als Nebenprodukt entstehen, sondern Sauerstoff. Als Verfahren wird die Elektrolyse angewendet, wobei verschiedene Verfahren zur Verfügung stehen: Chlor-Alkali-Elektrolyse, Proton-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM) oder Hochtemperaturelektrolyse (SOEC). Grundsätzlich wird bei der Elektrolyse Wasser durch das Anlegen von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten [4]. Bei der alkalischen Elektrolyse wird der pH-Wert mit Kalilauge erhöht, wodurch im Dauerbetrieb gute Wirkungsgrade und eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht wird. Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise, die Eignung zum Druckbetrieb sowie eine hohe Dynamik bei schnellem Lastwechsel aus. Im Vergleich zu den bereits genannten Methoden werden bei der Hochtemperatur-Elektrolyse Temperaturen von ca. 800 °C benötigt. Diese Technologie ist zwar noch nicht im selben Maße ausgereift, allerdings besteht eine hohe Eignung für die Kopplung mit industriellen Prozessen. Es besteht zurzeit allgemein noch ein hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um leistungsfähige, langlebige und kostengünstige Produkte für das zukünftige Energiesystem bereitzustellen [4].

Die Produktionskosten von grauem Wasserstoff sind mit 4,5 Cent pro kWh (Stand 2020) im Vergleich zu grünem Wasserstoff günstig, wie in Abbildung 4 gezeigt. Dabei sind in einem Kilogramm Wasserstoff 33,3 kWh Energie enthalten. Somit entsprechen 30 Gramm Wasserstoff 1 kWh Energie. Auf die Masse bezogen kostet grauer Wasserstoff somit 1,50 € pro kg in der Produktion [6].

Abbildung 3: Produktionskosten von Wasserstoff nach Farblehre. (Quelle: [6], Eigene Darstellung)

Durch das Einfangen und Speichern von CO₂ (CCS) erhöhen sich der Wasserstoff-Produktionspreis auf 6,3 Cent pro kWh oder 2,10 € pro kg, jedoch wird der CO₂-Ausstoß reduziert. Grüner Wasserstoff wird derzeit in kleineren Mengen hergestellt und ist somit noch teuer in der Herstellung mit 16,5 Cent pro kWh oder 5,50 € pro kg. Damit der grüne Wasserstoff in Zukunft eine höhere Produktion erzielt als der Graue, muss er deutlich günstiger werden. Kurzfristige Maßnahmen sind zum Beispiel das Einfangen von CO₂ aus den Abgasen bei der Produktion des grauen Sauerstoffs [6].

Wie viel Energie kann Wasserstoff eigentlich speichern? Hierfür kann zwischen Energiedichte je Gewicht oder Volumen unterschieden werden. Der Energiegehalt je kg ändert sich leicht, je nach Zustand (flüssig, gasförmig oder gasförmig und komprimiert) des Wasserstoffs. Er beträgt 32,9 kWh/kg bei flüssigem Wasserstoff und ist verglichen mit gasförmigen H₂ bei 33,3 kWh/kg nur minimal geringer.

Wesentlich größer fallen die Unterschiede jedoch aus, wenn man den Energiegehalt in Relation zum Volumen betrachtet (kWh/m³). Verglichen mit anderen Energieträgern kann Wasserstoff hinsichtlich des Energiegehalts aufgrund seiner geringen Dichte schwerer mithalten.

Abbildung 1: Vergleich der Energiedichte zwischen verschiedenen Wasserstoffformen und Benzin (Quelle: [3;4], Eigene Darstellung, HySON Institut).

Bei der Betrachtung der Energie pro Volumen hat gasförmiger Wasserstoff einen Energieinhalt von lediglich 3 kWh/Nm³. Ein Normkubikmeter (Nm³) ist dabei ein Kubikmeter Gas bei einem Druck von 1 bar und 0°C.

Zum Vergleich: Benzin hat einen Energieinhalt von 8800 kWh/m³ [4], was mehr als dem 18-fachen von gasförmigen Wasserstoff entspricht. Somit ist ein viel größeres Volumen für Wasserstoff nötig, als für Benzin, Diesel und Kerosin, um die gleiche Energie zu speichern. Im Gegensatz zu anderen Energieträgern kann Wasserstoff jedoch klimaneutral hergestellt werden (siehe h2facts Teil 1).

Um größere Mengen Wasserstoff transportieren zu können, wird dieser daher z.B. im flüssigen Zustand gespeichert, da hier im gleichen Volumen die 3,8-fache Menge Energie im Vergleich zum Vorkommen als Gas gespeichert werden kann.

Eine andere Möglichkeit, das Volumen zu komprimieren, ist, den Wasserstoff unter Druck zu setzen. So kann mehr Energie pro Volumen gespeichert werden. Bei einem Transportdruck von 350 bar hat Wasserstoff einen Energieinhalt von 731 kWh/Nm³ speichern (siehe Abbildung 1).

In Teil 2 von h₂facts wurde bereits erklärt wie sich die Energiedichte von Wasserstoff im flüssigen und gasförmigen Zustand verhält. Die Energiedichte bei einem bar Druck ist so gering, dass die Speicherung bei diesem Druck nicht wirtschaftlich ist. Folglich ist es sinnvoll die Energiedichte zu erhöhen, indem mehr Wasserstoff im gleichen Volumen gespeichert werden kann. Die Energiedichte kann auf verschiedene Art und Weisen erhöht werden: Erhöhung des Drucks, Senkung der Temperatur, Umwandlung in andere chemische Verbindungen oder Einbindung in Wasserstoffträgermaterialien. Auch eine Kombination der verschiedenen Technologien ist möglich. Ein Beispiel hierfür ist die Speicherung von Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck im gasförmigen Zustand.

Die Transportwege mit Drucktanks oder von Flüssigwasserstoff sollten so kurz wie möglich sein, damit möglichst wenig Wasserstoff während des Transports durch die Außenwand entweicht (permeiert). In Fahrzeugtanks beträgt die Permeation 8 Norm-Milliliter pro Stunde und Liter bei 20 °C [7].

Die Entscheidung, welches Transportmedium das Günstigste ist, hängt von der Menge Wasserstoff pro Tag und der Transportwege ab [8].

Aktuell werden in Deutschland 60 TWh Wasserstoff pro Jahr verbraucht. Bisher sind 95 % davon grauer Wasserstoff, welcher aus fossilen Energieträgern erzeugt wird. Mit der Suche nach alternativen Energiequellen für Industrieprozesse und dem steigenden Bedarf nach Energiespeichern, lässt sich für das Jahr 2030 die doppelte Menge an benötigten Wasserstoff prognostizieren. Für 2050 rechnet der Bund sogar mit dem 14-fachen Wasserstoffbedarf gegenüber 2020 [1].

	DÜNGEMITTEL Der Großteil und damit 53,9 % des national verwendeten Wasserstoffs wird bisher für chemische Prozesse genutzt, bei denen es Verbindungen mit anderen Elementen eingeht oder auch die Spaltung von Kohlenstoffverbindungen herbeiführt [2]. 30 % des nationalen Wasserstoffs nutzt die Industrie zu der Herstellung von Ammoniak. Dies ist eine Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff, welche durch das Haber-Bosch-Verfahren mit hohem Druck und Hitze erzeugt wird [3]. Ammoniak wird in großen Mengen in der Landwirtschaft als Düngemittel eingesetzt.
	BENZIN, DIESEL UND ANDERE TREIBSTOFFE Ein weiterer großer Anwendungsbereich von Wasserstoff liegt bei der Aufbereitung von Treibstoffen. Dabei spaltet Wasserstoff, unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen, sowie mit dem Einsatz von Katalysatoren, langkettige Kohlenwasserstoffe wie Rohöl auf. Dieser Vorgang wird als „Hydrocracken“ bezeichnet. Weiter wird Wasserstoff in der Raffinierung auch zur Entschwefelung genutzt. So entstehen mittellange Kohlenstoffverbindungen wie Kerosin, Benzin oder Diesel. Es ist davon auszugehen, dass mit der Umstellung vieler Bereiche auf erneuerbare Energieträger, die Herstellung von kohlenstoffbasierten Treibstoffen deutlich abnimmt. [4]
	METHANOL Auch die Erzeugung von Methanol aus Kohlenmonooxid und Wasserstoff ist ein wichtiges Anwendungsfeld. In Deutschland werden derzeit 6 % des verwendeten Wasserstoffs für die Herstellung verwendet. Methanol wird in der chemischen Industrie als Ausgangsstoff für andere Chemikalien genutzt. [3]
	FORTBEWEGUNG Wie Erdgas oder Biogas kann Wasserstoff auch als Treibstoff für Fahrzeuge verwendet werden. Dabei kann Wasserstoff, wie auch herkömmliche Treibstoffe, in Motoren verbrannt werden oder in Brennstoffzellen genutzt werden. Jedoch entsteht bei der Umsetzung kein CO2, sondern ausschließlich Wasser.  Die Anzahl der aktuell kaufbaren Wasserstoffautos ist noch sehr begrenzt, weshalb Neuzulassungen im Privatbereich selten sind. So wurden hierzulande im Jahr 2020 nur rund 507 solcher Autos zugelassen, was 0,001 % der jährlichen Neuzulassungen ausmacht.[5] Im Nahverkehr bietet Wasserstoff eine attraktive Möglichkeit gegenüber konventionellen oder rein elektrischen Antrieben. Die Stadt Weimar integriert bspw. drei mit Wasserstoff betriebene Busse in den öffentlichen Nahverkehr. [6] Auch Züge, Flugzeuge oder Schiffe können so auf grünen Wasserstoff umgestellt werden.
	STROM UND WÄRME Die im Wasserstoff gespeicherte Energie kann, neben der Verwendung als Treibstoff zur Fortbewegung auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Durch die Umkehrung des Elektrolyseprozesses, entsteht in einer Brennstoffzelle oder auch BHKW aus Wasserstoff wieder Strom und Wärme. So kann überschüssige Energie aus erneuerbaren Energiequellen mittels Elektrolyse zu Wasserstoff umgewandelt und zu einem späteren Zeitpunkt wieder verstromt werden. Die anfallende Wärme kann dabei zum Heizen von Gebäuden genutzt werden. Daher hat Wasserstoff für das Gelingen der Energiewende eine entscheidende Bedeutung. [7]

Es gibt noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff und wird auch heute schon in vielen Bereichen genutzt. Ein paar Beispiele sind:

• Wasserstoff als energiereiches Gas zur Hitzeerzeugung bei der Verarbeitung von Eisen oder Keramik.
• Wasserstoff als Reduktionsmittel bei der Herstellung von LEDs, Halbleitern und vielen weiteren Elektrogeräten.
• Wasserstoff zum Schweißen.
• Wasserstoff zur Fett- und Ölhydrierung in der Lebensmittelindustrie. [7]

Die Liste der Anwendungsbereiche für Wasserstoff ist lang und es entwickeln sich laufend neue Möglichkeiten. In weiteren Folgen werden wir uns in h2facts näher mit den einzelnen Anwendungsgebieten befassen. Es bleibt also spannend.

Der Begriff der Sektorkopplung steht im Allgemeinen für die Verknüpfung der „Energiesektoren“ Strom, Wärme und Verkehr. Im Gegensatz zu den zuvor behandelten Themen beschreibt die Sektorkopplung damit keine eigene Art der Energieerzeugung, -umwandlung, -speicherung oder -verwendung. Vielmehr werden hier mit dem Ziel einer effizienteren Energiewirtschaft die gesamte Prozesskette und auch weitere angrenzende Bereiche betrachtet. Im Zuge der Dekarbonisierung für die Erreichung der Klimaziele wird die Umstellung von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien weiter voranschreiten. Dies hat auch zur Folge, dass die Sektorkopplung immer mehr Relevanz gewinnt, da eine Vernetzung der Bereiche unabdingbar ist. Der Sektor Strom spielt hierbei eine entscheidende Rolle, denn in diesem dominiert bereits die Verwendung von grünem Strom (produziert aus erneuerbaren Energien). Demgegenüber dominiert in den Sektoren Wärme und Mobilität weiterhin der Einsatz fossiler Energieträger (siehe Abbildung 1) [1].

Abbildung 1: Endenergieverbrauch in Deutschland im Jahr 2020 nach Strom, Wärme und Verkehr – eigene Darstellung nach [2]

	DER STROMSEKTOR Dieser Sektor dreht sich um die Abnahme von Strom und ist ein wichtiger Ausgangspunkt für die Sektorenkopplung, da der Strom neben einer direkten Nutzung im eigenen Sektor auch in den anderen Sektoren eingesetzt werden kann. Dazu kann er in andere Energieträger umgewandelt werden. Hierbei ist es vor allem wichtig Strom aus erneuerbaren Energiequellen zu nutzen (Windkraft, Photovoltaik, usw.). Zum heutigen Zeitpunkt wird bereits der größte Teil aus diesen Energiequellen und nicht mehr aus Braun- bzw. Steinkohlekraftwerken bezogen [1].
	DER WÄRMESEKTOR Im Wärmesektor liegt in Deutschland ein deutlich größerer Energiebedarf vor als im Stromsektor. Hierbei wird jedoch weiterhin der Großteil der Wärme aus fossilen Energieträgern wie Öl oder Gas erzeugt. Für die Dekarbonisierung ist es zukünftig wichtig die fossilen Energieträger durch erneuerbare Energien zu ersetzen [1]. Wie dies genau realisiert werden kann, werden wir in den kommenden H2Facts betrachten.
	DER VERKEHRSSEKTOR Die geringste Nutzung erneuerbarer Energien weist momentan der Verkehrssektor auf, wobei dieser eigentlich das größte Potential für eine Nutzung von grünem Strom offeriert. Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel finden immer noch am meisten Anwendung. Alternativen zu diesen stellen neben Strom hier auch synthetische Kraftstoffe oder Wasserstoff dar. Für die Nutzung dieser Alternativen bedarf es aber einer Verbesserung der zugehörigen Infrastruktur, weshalb eine Nutzung zum jetzigen Zeitpunkt von vielen noch abgelehnt wird [1].

Die Vernetzung der drei Bereiche kann die Dekarbonisierung in Deutschland zukünftig vorantreiben. Wichtig hierfür ist die Abstimmung der technischen Anlagen, Infrastrukturen und Märkte, damit ein flächendeckendes, intelligentes Energiesystem entsteht. Aber nicht nur sektorenübergreifend ist eine optimale Verknüpfung gefragt, sondern auch innerhalb der einzelnen Sektoren (integriertes Energiesystem) [1].

Eine Schlüsselrolle für die Sektorkopplung nimmt die Technologie Power-to-X ein (PtX), welche erneuerbare Energien in Form von Strom durch eine Umwandlung in andere Energieträger für die weiteren Sektoren nutzbar macht. Die Grundlage für das ganze PtX System liefert hierbei Power-to-Gas mit der Herstellung von Wasserstoff aus grünem Strom [3].

Wie die Sektorenkopplung schlussendlich durchgeführt wird und welche weiteren PtX Technologien es gibt, wird im nächsten H2Facts behandelt.