Infowelt Energie
Wasserstoff – ein zukunftsweisender Brennstoff
Zehnmal mehr Energie als Erdgas: Der Zukunftstreibstoff Wasserstoff ist ein vielseitiger und vielversprechender Brennstoff, der aus erneuerbaren Energien hergestellt werden kann und vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die Energiewende bietet. In diesem Artikel erklären wir die Vor- und Nachteile des Gases als Energieträger.
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und leichtes Gas, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht. Gebunden mit einem Sauerstoffatom entsteht daraus Wasser. Wasserstoffbrückenbindungen sind mitunter die stabilsten chemischen Verbindungen, die in der Natur vorkommen. Wird diese Bindung aufgebrochen, wird viel Energie freigesetzt, was den Stoff zu einem idealen Energieträger macht.
Wie wird Wasserstoff gewonnen?
Der nachhaltigste Weg zur Herstellung von Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser unter Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien. Das ist eine chemische Reaktion, bei der elektrischer Strom genutzt wird, um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dabei wird das Wasser in einem Behälter (Elektrolyse-Zelle) gefüllt, in dem sich zwei Elektroden (meist aus Metall) befinden. Wenn man eine elektrische Spannung anlegt, fließt Strom durch das Wasser, löst allmählich die Bindung zwischen Wasser- und Sauerstoff und sorgt dafür, dass sich Wasserstoff an der negativen Elektrode (Kathode) und Sauerstoff an der positiven Elektrode (Anode) bildet.
Für die Elektrolyse werden Elektrolyseure genutzt. Wenn Elektrolyseure mit Wind- oder Solarenergie betrieben werden und damit kein CO2 oder andere Treibhausgase ausgestoßen werden, handelt es sich bei dem so gewonnenen Gas um grünen Wasserstoff.
Eine weitere Art der Herstellung ist die Reformierung von fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Kohle. Im Vergleich zur Elektrolyse ist das Reformierungsverfahren ein aufwändiger, mehrstufiger Prozess, der mit hohen CO2-Emissionen verbunden ist. Darum wird er auch als grauer Wasserstoff bezeichnet.
Neben grauem Wasserstoff gibt es auch blauen Wasserstoff. Dieser wird ebenfalls mittels Dampfreformierung hergestellt. Das dabei entstehende CO2 wird allerdings mittels Carbon Capture and Storage (CCS) gespeichert. CCS ist ein Prozess, bei dem Kohlendioxid aus der Umwelt oder direkt an Emissionsquellen abgeschieden, aufbereitet und eingelagert wird. Die Einlagerung findet in Speicherstätten statt. Der Prozess wird deshalb bilanziell als klimaneutral gewertet.
Verwendungsbereiche von Wasserstoff
Wasserstoff wird bereits in verschiedenen Bereichen der Wirtschaft als Energieträger eingesetzt. Ein Wechsel zu grünem Wasserstoff in naher Zukunft ist aber unabdingbar, um die globalen CO2-Emissionen zu senken.
Energiespeicherung:
Energiespeicher sind eine notwendige Technologie für die Energiewende. Was passiert beispielsweise mit Strom von Wind- oder PV-Anlagen, der überproduziert wird? Elektrolyse von Wasserstoff ist hier eine Möglichkeit der Energiespeicherung, denn die überschüssige Energie kann direkt in die Herstellung des energiereichen Gases gesteckt werden. Diesen Speicherprozess nennt man Power-to-Gas.
Industrie:
Besonders in der Stahlindustrie soll Wasserstoff-Energie langfristig Kohle und Erdgas ersetzen. Es gibt bereits jetzt Projekte deutscher Stahlhersteller, in denen das Gas im Produktionsprozess zum Einsatz kommt und teilweise fossile Energieträger ersetzt.
Erwähnenswert ist hier beisielsweise das Joint Venture HYBRIT (HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology), das in Zusammenarbeit von SSAB, LKAB und Vattenfall fossilfreien Stahl herstellt. Dafür wird der gesamte Herstellungsprozess mit fossilfreiem Wasserstoff anstelle von Koks und Kohle abgewickelt.
Eine vollständige Umstellung ist die Zukunft, dafür müssen allerdings die Produktionskapazitäten durch Elektrolyse drastisch gesteigert werden.
Transportwesen:
Bereits jetzt gibt es alternative Antriebe, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen eignen sich insbesondere für den Einsatz in Flugzeugen, Schwertransportern und Schiffen, da sie eine hohe Energiedichte und kurze Betankungszeiten bieten. Da diese Transportformen einen großen Teil am CO2-Ausstoß weltweit haben, wird der Einsatz des grünen Gases für diese Bereiche priorisiert.
Wasserstoff als Treibstoff für die Automobilindustrie
Wasserstoffautos haben den Vorteil, dass sie keine CO2-Emissionen ausstoßen, weil beim Verbrennungsprozess in der Brennstoffzelle nur Wärme und Wasser entstehen. Wasserstofftankstellen sind jedoch immer noch selten und die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffautos sind noch relativ hoch. Weiterhin wird auch an diesen Tankstellen immer noch grauer Wasserstoff verkauft, weshalb die Klimabilanz im Vergleich sehr schlecht ausfallen kann.
Auf deutschen Straßen sind derzeit etwa 1.000 Brennstoffzellenfahrzeuge unterwegs. Es werden trotz optimistischer Schätzungen lange Zeit kaum mehr werden, da die Verfügbarkeit als Treibstoff stark eingeschränkt ist. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff werden Endverbraucher:innen deshalb noch lange auf eine flächendeckende Verfügbarkeit des Treibstoffs und erschwinglichere Fahrzeuge warten müssen. Das gilt auch, weil die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vor allem die wirtschaftliche Nutzung in Industrie und Transportwesen priorisiert.
Chemische Industrie:
Als Substanz in der chemischen Industrie ist Wasserstoff in verschiedenen chemischen Prozessen beteiligt, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen wichtigen Chemikalien.
Wärme- und Stromerzeugung:
In Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) kann Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff verbrannt werden, um hocheffizient sowohl Strom als auch Wärme zu erzeugen. Zukünftig wird so die Nutzung von klimaneutralem Wasserstoff und anderen synthetischen Gasen und Flüssigkeiten für klimaneutrale Heizsysteme möglich. Außerdem können KWK-Anlagen die Strom- und Wärmeerzeugung perspektivisch zu den Zeiten sicherstellen, an denen erneuerbare Energien nicht zur Verfügung stehen. Damit wird auch die Versorgungssicherheit in Deutschland weiter gestärkt.
Wasserstoffheizung
Die Verwendung von grünem Wasserstoff als Brennstoff für Heizungen ist ein viel diskutierter Ansatz zur Reduzierung von CO2-Emissionen im Gebäudesektor. Theoretisch sollen Erdgasheizungen, die H2-Ready sind, mit Wasserstoff betrieben werden, was deren Klimabilanz deutlich verbessert. Verbände sehen dieses Szenario allerdings als unrealistisch und zu kostspielig an.
Sogenannte „H2-Ready“-Heizungen, die neben Erdgas auch Wasserstoffgas verbrennen können, sind bereits erhältlich und bieten scheinbar eine Perspektive für Hausbesitzer:innen, die sich langfristig für den Umstieg zu Wasserstoff rüsten wollen. Langfristig ist dabei das Stichwort, denn die Produktion von grünem Wasserstoff ist derzeit noch teuer und die Verfügbarkeit begrenzt. Um Wasserstoff-Heizungen flächendeckend einzusetzen, müssten entsprechende Erzeugungskapazitäten und Infrastrukturen wie Wasserstoff-Tankstellen und -Netze aufgebaut werden. Und selbst dann, wird Wasserstoff in den nächsten Jahrzehnten ein kostbares Gut bleiben, was sich deutlich in den Betriebskosten widerspiegeln dürfte.
Aus diesem Grund raten verschiedene Verbände wie der Naturschutzbund Deutschland, der Bundesverband Erneuerbare Energie und der Verbraucherzentrale Bundesverband derzeit vom Einbau solcher Lösungen ab, da sie sich zukünftig als erhebliches ökologisches und finanzielles Risiko herausstellen könnten.
Wie Vattenfall die Dekarbonisierung mit Hilfe von Wasserstoff vorantreibt
Die Dekarbonisierung der Industrie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer fossilfreien Zukunft. Deshalb beteiligen wir uns an der Forschung und Entwicklung neuer Technologien auf Basis von Wasserstoff.
HYBRIT
Ein wichtiges Projekt ist für uns die Entwicklung von HYBRIT (HYdrogen BReakthrough Ironmaking Technology) in Zusammenarbeit mit dem Stahlerzeuger SSAB und der Bergwerksgesellschaft LKAB. Hybrit revolutioniert die Stahlherstellung, weil es die Verbrennung von Koks und Kohle durch vollständig fossilfreien Wasserstoff ersetzt. Dadurch wird die Emission von CO2 in diesem Sektor erheblich reduziert. Der erste vollständig fossilfrei produzierte Stahl wurde bereits um Juli 2021 hergestellt und ausgeliefert. Die großtechnische Realisierung des fossilfreien Prozesses wird seither weiterentwickelt, sodass er für die Stahlproduktion bis 2035 möglich sein sollte.
PREEM
Preem ist ein weiterer Partner, mit dem Vattenfall zusammenarbeitet. Das Ziel von Preem ist es, mithilfe von fossilfreiem Wasserstoff und Offshore-Windenergie Biokraftstoffe zu produzieren, um die Industrie und den Verkehrssektor an der schwedischen Westküste zu dekarbonisieren. Biokraftstoffe haben das Potenzial – neben der Elektrifizierung des Automobilsektors – die Umweltauswirkungen von Kraftstoffen weiter zu reduzieren. Doch für die Realisierung in großem Maßstab braucht es fossilfreien Wasserstoff. Durch die Herstellung von Wasserstoff mit fossilfreien Methoden können die CO2-Emissionen im Vergleich zur Verwendung fossiler Materialien um mindestens 80 % reduziert werden.
Klimabilanz von Wasserstoff
Die Klimabilanz von Wasserstoff ist ein wichtiger Faktor, der bei der Diskussion über seine Verwendung berücksichtigt werden muss. Mit einem Kilogramm des brennbaren Gases können 33 Kilowattstunden Energie hergestellt werden. Nun kommt es auf die Herstellung an, wie viel CO2 und Treibhausgase eingespart werden können.
Laut einer Studie des Wirtschaftsdienstes wurden im Jahr 2020 in Deutschland etwa 60 Terrawattstunden Energie aus umgerechnet mehr als 1,8 Millionen Tonnen Wasserstoff hergestellt. Dabei wurden nur etwa 5 Prozent aus erneuerbaren Energien gewonnen. Insgesamt wurden dadurch mehr als 25 Millionen Tonnen CO2 durch die Herstellung von grauem Wasserstoff emittiert, was einem Anteil von fast 4 Prozent an den gesamten CO2-Emissionen in Deutschland entspricht. Aus diesem Grund ist es wichtig, den Einsatz von grauem Wasserstoff auf ein Minimum zu beschränken und stattdessen auf grünen Wasserstoff zu setzen, um eine positive Klimabilanz zu erreichen.
Einsparpotential von grünem Wasserstoff:
- Die Produktion von einem Kilogramm Wasserstoff – mithilfe von Strom aus fossilen Energieträgern – erzeugt laut einer Studie der Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein GmbH insgesamt etwa 15,8 Kilogramm CO2.
- Die Förderung, Raffinierung und Verbrennung von Diesel oder Erdgas erzeugt beim selben Energiegehalt 9,6 Kilogramm CO2.
Das bedeutet, dass jedes Kilogramm aus grüner Herstellung die CO2-Emissionen drastisch senkt. Dementsprechend sieht die nationale Wasserstoffstrategie vor, bis 2030 die inländische erneuerbare Elektrolysekapazität auf mindesten 10 GW zu erhöhen.
Vor- und Nachteile von Wasserstoff
Vorteile:
- Vielseitigkeit: Wasserstoff kann als Brennstoff für die Erzeugung von Strom und Wärme sowie als Treibstoff für Fahrzeuge eingesetzt werden.
- Sauberer Brennstoff: Wenn Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen produziert wird, verursacht er keine CO2-Emissionen.
- Effizienz: Wasserstoff-Brennstoffzellen können einen hohen Wirkungsgrad erreichen und somit effizienter als herkömmliche Verbrennungsmotoren sein.
- Energiespeicherung: Wasserstoff kann als Energiespeicher für erneuerbare Energien dienen, um schwankende Energieerzeugung auszugleichen.
Nachteile:
- Hohe Herstellungskosten: Die Herstellung von Wasserstoff ist aufwändig und erfordert spezielle Anlagen, was zu hohen Kosten führen kann.
- Begrenzte Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff: Der angemeldete Bedarf übersteigt die geplanten Produktionskapazitäten innerhalb Deutschlands deutlich, sodass ein Import notwendig sein wird. Das führt in den kommenden Jahrzehnten zu einem großen Wettbewerb um die grünen Wasserstoffkapazitäten. Dementsprechend ist mit hohen Wasserstoffpreisen und geringen Verfügbarkeiten zu rechnen.
- Sicherheitsrisiken: Wasserstoff ist leicht entflammbar und erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen bei Lagerung, Transport und Betrieb.
- Negative Klimabilanz bei nicht erneuerbarer Produktion: Wenn Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen produziert wird, entstehen erhebliche Mengen an CO2-Emissionen, was zu einer negativen Klimabilanz führt.
Ausblick – Warten auf den Energieträger der Zukunft
Insgesamt bleibt Wasserstoff ein vielversprechender Brennstoff für die Sektoren Industrie, Verkehr und Energie. Politisch ist das Gas ein fester Bestandteil der Strategien zur Senkung des Kohlendioxidausstoßes. Weitere Investitionen, Forschung und Entwicklung werden in den nächsten zwanzig bis dreißig Jahren Kosten senken und die Verfügbarkeit so weit erhöhen, dass Brennstoffzellenfahrzeuge, Wasserstoffheizungen und ähnliche Technologien günstiger werden und es einen breiteren, fortschrittlicheren Markt für sie gibt. Ein Schlüssel dafür ist der Ausbau der erneuerbaren Energiequellen, um eine saubere und nachhaltige Produktion von Wasserstoff zu ermöglichen.
Für ein fossilfreies Leben von morgen
Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Um innerhalb einer Generation ein Leben frei von fossilen Brennstoffen zu ermöglichen, arbeiten wir daran unsere CO2-Emissionen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg reduzieren. Um die globale Erderwärmung auf 1,5 Grad zu begrenzen, sind vereinte Anstrengungen notwendig. Daher entwickeln wir in Zusammenarbeit mit anderen Industrien innovative Lösungen, um ganze Industriezweige zu dekarbonisieren.
Unsere nachhaltigen Lösungen
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Zu den Solarlösungen
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