h2facts

Im Rahmen der Faktenkampagne h2facts aus dem h2well Innovationsmanagement wird über verschiedene Thematiken rund um die Wasserstoffwirtschaft informiert. Unterschiedlichste Themen stehen im Fokus: Von der Erzeugung und Speicherung des Wasserstoffs bis hin zu Wasserstoffanwendungen und erfolgsversprechenden Innovationspotentialen.

Teil 1: Erzeugungsarten von Wasserstoff 

ENTDECKUNG VON WASSERSTOFF

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].

DIE WASSERSTOFF-FARBLEHRE UND CO2-EMISSIONEN
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].
WARUM WIRD NICHT AUSSCHLIESSLICH GRÜNER WASSERSTOFF ERZEUGT, WENN HIERBEI KEIN CO2-AUSGESTOSSEN WIRD?

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].

Teil 2: Eigenschaften von Wasserstoff 

GASFÖRMIG, FLÜSSIG, FEST - WASSERSTOFF UND SEINE AGGREGATSZUSTÄNDE
Wasserstoff ist das leichteste chemische Element mit einer recht geringen Dichte im gasförmigen Zustand (0,07083 kg/m³ bei 0°C und atmosphärischem Druck) [1].

Zur Verbildlichung: Füllt man einen Würfel mit einer Kantenlänge von je einem Meter mit gasförmigen Wasserstoff, so wiegt dieser nur 70,83 g. 1 kg Wasserstoff würde den Platz von einem Würfel mit einer Kantenlänge von 2,4 Metern einnehmen.

Da Wasserstoff recht viel Platz einnimmt, muss dieser beispielsweise verdichtet oder in flüssigem Zustand gespeichert werden. Hierfür ist jedoch einiges an Energie oder sehr niedrige Temperaturen notwendig.
Denn um Wasserstoff zu verflüssigen, muss dieser auf -253°C abgekühlt werden. Bei dieser Temperatur kondensiert der gasförmige Wasserstoff zu einer Flüssigkeit. Durch die Verflüssigung von Wasserstoff kann mehr Energie in einem geringeren Volumen gespeichert werden. Wasserstoff siedet bei -252,879°C und schmilzt bei -259,16°C. Bei der Siedetemperatur kondensieren Gase zu Flüssigkeiten und bei der Schmelztemperatur erstarren Flüssigkeiten zu Feststoffen.
Was hat der Planet Jupiter mit Wasserstoff gemeinsam? Die Rede ist immer von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff. Aber kann dieser auch in einem festen Zustand als Metall vorliegen?

Theoretisch ja! Der Kern des Planeten Jupiter besteht zum Teil aus festem, metallischem Wasserstoff. Möglich wird das, weil dort sehr niedrige Temperaturen (unter -259°C) und ein sehr hoher Druck herrscht, sodass sich der Wasserstoff verfestigt. Auf der Erde ist dies momentan aber nur im Labor möglich und nicht für Wasserstoffanwendungen einsetzbar [1;2].
WASSERSTOFF ALS NACHHALTIGER ENERGIESPEICHER

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).

Teil 3: Speicherarten von Wasserstoff 

WASSERSTOFF - VIELFÄLTIGE SPEICHERMÖGLICHKEITEN

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 VERSCHIEDENEN OPTIONEN ZUM SPEICHERN VON WASSERSTOFF
Die Speicherung von Wasserstoff kann im gasförmigen Zustand in Druck- und Hochdruckbehältern stattfinden. Es können dabei die Behältertypen 1-4 unterschieden werden, wobei diese auf verschiedenen Materialien basieren. Typ 1 ist auf Drücke zwischen 45-350 bar ausgelegt [1]. Typ 2 Druckbehälter bestehen aus einer metallischen Wandung sowie einer harzgetränkten Glas- oder Kohlefaser und können dadurch Drücken von bis zu 1000 bar standhalten. Dadurch finden diese Typen beispielsweise als Speicherbehälter bei Wasserstofftankstellen Anwendung [2]. Für Busse und LKW sind Druckspeicher mit 350 oder 700 bar üblich [3], wofür häufig Drucktanks des Typ 3 eingesetzt werden. Der Behälter besteht dabei aus Metall und werden vollständig mit Kohlefasern ummantelt. Drucktanks des Typ 4 basieren auf demselben Prinzip, jedoch mit einem Kunststoff-Grundkörper. Mit diesen sind Drücke bis 700 bar möglich [2],[4]. Hochdruckbehälter sind für Drücke bis 1000 bar geeignet. Die Energiedichte beträgt dabei 60 % der Energiegedichte von Flüssigwasserstoff. Für die Befüllung der Druckbehälter wird der Wasserstoff zunächst in einem Hochdruck-Zwischenspeicher auf höhere Drücke verdichtet. Anschließend werden die Druckbehälter mit dem gewünschten Druck befüllt.
Zur Flüssigspeicherung muss Wasserstoff auf eine sehr niedrige Temperatur von -252,9 °C abgekühlt werden [5]. Dafür ist ein aufwändiger, mehrstufiger Prozess notwendig, in dem der Wasserstoff mit flüssigem Stickstoff vorgekühlt wird undanschließend mit sogenannten Expansionsturbinen auf die benötigte Temperatur abgekühlt wird. Die Speicherung erfolgt wärmeisoliert, um den Wasserstoff unterhalb der Siedetemperatur zu halten. Trotz der Isolierung kann die Temperatur nicht konstant bei -253 °C gehalten werden, weshalb täglich ungefähr 0,9 % des flüssigen Wasserstoffs verdampfen und aus dem Flüssigtank in Gasform abgelassen werden müssen, damit der Gasdruck nicht zu groß wird [6].
Ammoniak (NH3) hat ein hohes Potential, als Speichermedium von Wasserstoff zum Einsatz zu kommen. Schon bei ‑33,3 °C liegt dieser flüssig vor und hat dabei eine Energiedichte von 3,2 kWh/l. Somit ist die Energiedichte 33 % höher als bei Flüssigwasserstoff ist. Da Ammoniak auch in der chemischen Industrie eingesetzt wird, sind entsprechende Transportinfrastrukturen vorhanden. Ammoniak kann wahlweise direkt als Treibstoff eingesetzt werden oder wieder in Stickstoff und Wasserstoff aufgespalten werden. Aktuell wird Ammoniak für die Produktion von Düngern verwendet [3].
LOHC steht für „Liquid organic hydrogen carrier“, wobei es sich um organische Substanzen in flüssigem oder halbfestem Zustand handelt. LOHCs besitzen die Fähigkeit Wasserstoff mehrmals hintereinander einzuspeichern und auszuspeichern [7]. Die Hauptanwendung ist die zyklische be- und entladung mit Wasserstoff, wobei auch der Einsatz beladener LOHCs als Treibstoff aktuell utnersucht wird.

Es gibt bereits einige flüssige organische Wasserstoffträger wie z.B. Benzole, Toluene und Carbazole [7]. Weitere LOHCs werden weiterhin entwickelt.
Neben der gasförmigen und flüssigen Speichervariante kann Wasserstoff auch in Feststoffen gespeichert werden. Es gibt spezielle Metall-Wasserstoff-Verbindungen, sogenannte Metallhydride, die aus mindestens einem Metall und dem zu speichernden Wasserstoff bestehen. Diese Verbindungen haben teilweise eine höhere Energiedichte als Flüssigwasserstoff. Als Beispiel hat Magnesiumhydrid (MgH2) eine volumetrische Energiedichte von 1,6 kWh/l und Aluminiumhydrid (AlH3) eine Energiedichte von 5 kWh/l [8]. Der Wasserstoff kann durch Druckverringerung oder Temperaturerhöhung wieder freigesetzt werden. Die Speicherung von Wasserstoff in Hydriden befindet sich derzeit in Entwicklung und kann langfristig als Wasserstoff- und Wärmespeicher eingesetzt werden [9].
Die zuvor beschriebenen Speichermöglichkeiten setzen entweder einen hohen Energieverbrauch oder die Umwandlung in andere chemische Verbindungen voraus. Wasserstoff kann alternativ auch in großen Mengen gasförmig in nicht mehr benötigten Salzkavernen gespeichert werden [10]. Wenn z.B. durch Windkraft mehr Energie erzeugt wird als momentan benötigt, kann diese in Form von Wasserstoff in einer Kaverne eingespeichert werden. Dazu wird ein sogenanntes „Kissengas“ eingeleitet, das die Salzkaverne vor einem Einbruch schützt. Anschließend wird mit 150 bis 200 bar Druck der zu speichernde Wasserstoff Untertage gepumpt [11].

Teil 4: Transportmöglichkeiten von Wasserstoff 

TRANSPORT VON WASSERSTOFF
Der Transport von Wasserstoff spielt in den nächsten Jahrzehnten eine wichtige Rolle in der Wasserstoffinfrastruktur. Da der Bedarf an Wasserstoff in Zukunft voraussichtlich größer als die in Deutschland hergestellte Menge sein wird, muss Wasserstoff aus anderen Ländern importiert werden. Durch die zentrale Lage Deutschlands in der Europäischen Union kann der Wasserstoffimport theoretisch aus vielen Ländern erfolgen. Die Schwierigkeit beim Transport liegt, wie bei der Speicherung, an der geringen volumetrischen Dichte von Wasserstoff und bei der Wasserstoff-Durchdringung von jedem zurzeit bekanntem Material.
Über Land kann Wasserstoff per LKWs oder per Bahn transportiert werden. Gängige Lösungen sind hierbei Druckflaschenbündel, Drucktanks oder Flüssigtanks. Die Entscheidung, welche der beiden Transportarten verwendet wird, basiert auf der benötigten Menge an Wasserstoff pro Tag, sowie der Strecke, welche zurückgelegt werden muss [1].
Für den internationalen Transport bietet sich der Schiffverkehr an. Hierbei wird der Wasserstoff unter Druck, verflüssigt oder in gebundener Form transportiert. Ein Beispiel, wie dieser Transport aussehen kann, ist die Suiso (Jap. Wasserstoff) Frontier [2]. Der Tanker für flüssigen Wasserstoff kann bis zu 75 Tonnen Wasserstoff fassen und über die Meere transportieren.

Weitere Schiffe befinden sich aktuell in der Entwicklung.
Der effektivste Weg Wasserstoff zu transportieren, ist mittels Pipelines. Pipelines haben drei wesentliche Vorteile.

Ein Vorteil besteht darin, dass bestehende Erdgasleitungen für den Wasserstofftransport meist mit wenigen Umbauschritten verwendet werden können. Diese Umbauten umfassen zum Beispiel Verdichterstationen, die den Druck in den Pipelines über größere Distanzen aufrechterhalten. Außerdem kann so eine große Menge Wasserstoff in Pipelines gespeichert werden, ohne dass große stationäre Lagerstätten benötigt werden. Bei neuen Pipelines ist zu beachten, dass die Investitionskosten recht hoch sind.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit des Aufbaus eines großen Wasserstofftransportnetzes durch ganz Europa, indem bestehende Erdgaspipelines umgewidmet und ergänzende Wasserstoff-Pipelines aufgebaut werden. So könnte Wasserstoff über große Distanzen transportiert werden. Zunächst soll der Wasserstoffgehalt im Erdgasnetz langsam gesteigert werden. Die Einspeisung von Wasserstoff soll laut aktuellen Berichten die Korrosion der Stahlrohre nicht wesentlich beeinflussen [3]. Der dritte Vorteil sind die geringen Transportkosten, welche sich auf 0,16 € pro Kilogramm Wasserstoff und 1000 Kilometer belaufen [4]. Zusammenfassend ist der Wasserstofftransport über Pipelines vergleichsweise schnell, günstig und mit geringen Wasserstoffverlusten verbunden. Zudem fungieren Pipelines als ein temporäres Speichermedium und bestehende Netze können zu einem weitreichenden, länderübergreifenden Transportsystem ausgebaut werden [5].
Wasserstoff kann nicht nur als Gas oder verflüssigt, sondern auch in Form von Ammoniak, Methan und in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC) transportiert werden. Eine Transportinfrastruktur für Ammoniak besteht bereits. Die Herausforderung besteht darin, für die Verwendung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen, die Wiederaufspaltung in die Elemente mit hoher Reinheit. Nur so kann Ammoniak effektiv als Transportmedium für Wasserstoff genutzt werden. Methanol kann unter denselben Vorkehrungen wie Diesel und Benzin in mehrwandigen Tanks transportiert werden [6].
WAS FÜR DEN WASSERSTOFF-TRANSPORT NOCH WICHTIG IST

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].

Teil 5: Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff 

ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN VON WASSERSTOFF

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]
WEITERE BEISPIELE

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.

Teil 6: Methodisches Prinzip der Sektorenkopplung 

ENERGIEWENDE IST MEHR ALS NUR EINE STROMWENDE – SEKTORKOPPLUNG

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]

DIE EINZELNEN SEKTOREN

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.

h2facts ist eine Kampagne des h2well Innovationsmanagements.

Folgende Personen haben an der Erstellung der Inhalte mitgewirkt:

  • Kevin Thomas
  • Peter Steinmüller
  • Franz Leon Schuchmann
  • Lea Mannsbart
  • Leonard Dette

Literatur

Teil 1
  • (1) Statista, „Anteile chemischer Elemente am menschlichen Körper nach Gewicht und Menge der Atome.“, 2014. [Online]. Verfügbar unter: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/327830/umfrage/anteile-chemischer-elemente-am-menschlichen-koerper-nach-gewicht-und-menge-der-atome/ (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (2) John B. West, „Henry Cavendish (1731–1810): hydrogen, carbon dioxide, water, and weighing the world.“, American Journal of Physiology, 2014, doi: 10.1152/ajplung.00067.2014.
  • (3) BMWi, „Nationales Reformprogramm 2020 - Die nationale Wasserstoffstrategie.“, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, Berlin, Juni 2020.
  • (4) Zukunft Gas e.V., „Erzeugung von Wasserstoff.", [Online]. Verfügbar unter: https://gas.info/energie-gas/wasserstoff/herstellung-wasserstoff (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (5) M. Hohmann, „Produktion von Wasserstoff nach Prozess in Deutschland im Jahr 2020.“, 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1194793/umfrage/produktion-von-wasserstoff-nach-prozess/ (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (6) Michael Friedrich, „„Blauer" versus grüner Wasserstoff – was dem Klimaschutz wirklich hilft.“, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://www.energie-klimaschutz.de/blauer-versus-gruener-wasserstoff-was-dem-klimaschutz-wirklich-hilft/ (Zugegriffen: Januar 2022).
Teil 2
  • (1) William M. Haynes, „CRC Handbook of Chemistry and Physics.", 97th Edition, 97. Aufl. CRC Press, 2016.
  • (2) Dirk Lorenz, „Jupiter und der metallische Wasserstoff.", Deutschlandfunk, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://www.deutschlandfunk.de/riesenplanet-in-opposition-jupiter-und-der-metallische-100.html (Zugegriffen: Februar 2022).
  • (3) Manfred Klell, Helmut Eichlseder, und Alexander Trattner, „Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.", 4. Aufl. Springer Vieweg, 2018.
  • (4) Linde Gas GmbH, „Rechnen Sie mit Wasserstoff. Die Datentabelle.“, Linde Gas GmbH, Stadl-Paura, V 1.10, 2013. [Online]. Verfügbar unter: https://www.linde-gas.at/de/images/1007_rechnen_sie_mit_wasserstoff_v110_tcm550-169419.pdf (Zugegriffen: November 2021).
Teil 3
  • (1) Klaus Stolzenburg, „Speicheroptionen für Wasserstoff“, 2019. [Online]. Verfügbar unter: https://www.nports.de/media/Aktuelles-Presse/Pressemeldungen/2019/20191121_Netzwerktreffen/­NPorts_Netzwerktreffen_Stolzenburg_Speicheroptionen_Wasserstoff.pdf (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (2) „Wasserstoffdruckbehälter: Welche Druckbehälter-Typen gibt es?“, EMCEL, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://emcel.com/de/wasserstoffdruckbehaelter/ (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (3) Jochen Fricke, „Ammoniak – ein idealer Wasserstoff-Speicher“, bayern-innovativ.de. [Online]. Verfügbar unter: https://www.bayern-innovativ.de/seite/ammoniak-wasserstoffspeicher (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (4) Frauke Finus und Eckert, Siegfried, „Druckbehälter mit Potenzial für die Zukunft“. https://www.maschinenmarkt.vogel.de/druckbehaelter-mit-potenzial-fuer-die-zukunft-a-455697/?p=2 (Zugegriffen: Januar 2022).
  • (5) William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition, 97. Aufl. CRC Press, 2016.
  • (6) Manfred Klell, Helmut Eichlseder, und Alexander Trattner, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, 4. Aufl. Springer Vieweg, 2018.
  • (7) Purna Chandra Rao, Minyoung Yoon, „Potential Liquid-Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systems: A Review on Recent Progress“, energies, Bd. 2020, Nr. 13, S. 23, 2020, doi: 10.3390/en13226040.
  • (8) Sunita Satyapal, Carole Read, Grace Ordaz, und George Thomas, „Hydrogen Storage“, Washington DC, 2006.
  • (9) P. Modi und K.-F. Aguey-Zinsou, „Room Temperature Metal Hydrides for Stationary and Heat Storage Applications: A Review“, Frontiers in Energy Research, Bd. 9, S. 128, 2021, doi: 10.3389/fenrg.2021.616115.
  • (10) Erik Wolf, „Large-Scale Hydrogen Energy Storage“, Electrochemical Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing, Nr. 2015, S. 129–149, 2015, doi: 10.1016/B978-0-444-62616-5.00009-7.
  • (11) „Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen“. [Online]. Verfügbar unter: https://www.neuman-esser.de/unternehmen/media/blog/wasserstoffspeicherung-in-salzkavernen/ (Zugegriffen: Januar 2022).

Teil 4
  • (1) „Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen“. https://www.neuman-esser.de/unternehmen/media/blog/wasserstoffspeicherung-in-salzkavernen/ (zugegriffen 4. Januar 2022).
  • (2) „Kawasaki Heavy builds world’s first tanker for liquid hydrogen | The Asahi Shimbun: Breaking News, Japan News and Analysis“, The Asahi Shimbun. https://www.asahi.com/ajw/articles/14357692 (zugegriffen 21. Juni 2022).
  • (3) „Wasserstoff unschädlich für Erdgas-Leitungen? - Wasserstoffversprödung für gängige Metalle von Leitungen und Industrieanlagen untersucht - scinexx.de“, scinexx | Das Wissensmagazin, 21. Dezember 2021. https://www.scinexx.de/news/energie/wasserstoff-unschaedlich-fuer-erdgas-leitungen/ (zugegriffen 27. Januar 2022).
  • (4) Nationaler Wasserstoffrat, „Wasserstofftransport“. 16. Juli 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://www.wasserstoffrat.de/fileadmin/wasserstoffrat/media/Dokumente/2021-07-02_NWR-Grundlagenpapier_Wasserstofftransport.pdf
  • (5) Amber Grid, Bulgartransgaz, Conexus, CREOS, DESFA, Elering, Enagás, Energinet, Eustream, FGSZ, FluxSwiss, Fluxys Belgium, Gas Connect Austria, Gasgrid Finland, Gassco, Gasunie, Gas Networks Ireland, GAZ-SYSTEM, GRTgaz, National Grid, NET4GAS, Nordion Energi, OGE, ONTRAS, Plinacro, und Plinovodi, REN, Snam, TAG, Teréga, and Transgaz, „European Hydrogen Backbone“. April 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://gasforclimate2050.eu/wp-content/uploads/2022/04/EHB-A-European-hydrogen-infrastructure-vision-covering-28-countries.pdf
  • (6) Methanol Institute, „Methanol Safe Handling Manual“. Januar 2013. Zugegriffen: 13. Dezember 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://www.methanol.org/wp-content/uploads/2016/06/Methanol-Safe-Handling-Manual-Final-English.pdf
  • (7) „DWV Wasserstoff-Sicherheitskompendium“, DWV, Berlin, Kompendium, Nov. 2011. Zugegriffen: 27. Januar 2022. [Online]. Verfügbar unter: https://www.dwv-info.de/wp-content/uploads/2015/06/Wasserstoff_kompendium.pdf
  • (8) C. Yang und J. Ogden, „Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode“, International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 32, Nr. 2, S. 268–286, Feb. 2007, doi: 10.1016/j.ijhydene.2006.05.009.
Teil 5
  • (1) Deutscher Bundestag, Wasserstoffbedarf: WD 5-3000-024/22, 2022.
  • (2) Klimaschutz und regenerativ erzeugte Energieträger: Infrastruktur und Systemanpassung zur Versorgung mit regenerativen chemischen Energieträgern aus in- und ausländischen regenerativen Energien: Umweltbundesamt, 2015. Accessed: Oct. 18 2022. [Online]. Available: https://​www.umweltbundesamt.de​/​sites/​default/​files/​medien/​378/​publikationen/​climate_​change_​08_​2016_​klimaschutz_​und_​regenerativ_​erzeugte_​chemische_​energietrae.pdf
  • (3) Sven Kreidekmeyer, Hans Dambeck, Dr. Almut Kirchner, Marco Wünsch, Kosten und Transformationspfade für strombasierte Energieträger. Accessed: Oct. 18 2022. [Online]. Available: https://​www.bmwk.de​/​Redaktion/​DE/​Downloads/​Studien/​transformationspfade-​fuer-​strombasierte-​energietraeger.pdf​?​__blob=​publicationFile
  • (4) ENCON.Europ GmbH, Potentialatlas für Wasserstoff: Analyse des Marktpotentials für Wasserstoff, der mit. Accessed: Oct. 4 2022. [Online]. Available: https://​www.innovationsforum-energiewende.de​/​fileadmin/​user_​upload/​Potentialstudie-​fuer-​gruenen-​Wasserstoff-​in-​Raffinerien.pdf
  • (5) Martin Wittler, …da waren´s nur noch zwei. Accessed: Oct. 18 2022. [Online]. Available: https://​www.spiegel.de​/​auto/​wasserstoff-​autos-​diese-​modelle-​gibt-​es-​in-​deutschland-​zu-​kaufen-​a-​088cffed-​f8c5-​4fdc-​a773-​cfbf5e18749d
  • (6) MDR, Weimar will Busse mit Wasserstoffantrieb testen. Accessed: Oct. 4 2022. [Online]. Available: https://​www.mdr.de​/​nachrichten/​thueringen/​mitte-​thueringen/​weimar/​busse-​wasserstoff-​antrieb-​nahverkehr-​foerderung-​100.html
  • (7) C. Hebling, M. Ragwitz, T. Fleiter, U. Groos, D. Härle, A. Held, M. Jahn, N. Müller, T. Pfeifer, P. Plötz, O. Ranzmeyer, A. Schaadt, F. Sensfuß, T. Smolinka, M. Wietschel, Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland. [Online]. Available: https://​www.ise.fraunhofer.de​/​content/​dam/​ise/​de/​documents/​publications/​studies/​2019-​10_​Fraunhofer_​Wasserstoff-​Roadmap_​fuer_​Deutschland.pdf
Teil 6
  • (1) Virtuelles Kraftwerk der EnBW, “Sektor­kopp­lung,” 13 Nov., 2020. https://​www.interconnector.de​/​wissen/​sektorkopplung/​ (accessed: Jan. 9 2023).
  • (2) Agentur für Erneuerbare Energien, Endenergieverbrauch nach Strom, Wärme und Verkehr. [Online]. Available: https://​www.unendlich-viel-energie.de​/​mediathek/​grafiken/​endenergieverbrauch-​strom-​waerme-​verkehr (accessed: Jan. 9 2023).
  • (3) Solarenergie: Informationen zu Photovoltaik und mehr, Power-to-X: Was steckt dahinter? | solarenergie.de. [Online]. Available: https://​solarenergie.de​/​hintergrundwissen/​solarenergie-​nutzen/​sektorenkopplung/​power-​to-​x (accessed: Jan. 9 2023).
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