Grüner Wasserstoff

Als effizienter Energiespeicher und Energieträger sowie als Treibstoff bietet grüner Wasserstoff viele entscheidende Vorteile. Damit nimmt diese Technologie für die globale Energiewende und das Erreichen der Klimaziele eine zentrale Rolle ein.

Damit wird grüner Wasserstoff in der Zukunft immer wichtiger werden, insbesondere in den Bereichen Industrie, Verkehr und Wärme. Zurzeit erfolgt die Produktion von Wasserstoff jedoch zu über 90 Prozent aus fossilen Brennstoffen. Wird es gelingen, die Herstellung von Wasserstoff zeitnah auf ausschließlich erneuerbare Energien umzustellen?

In diesem Artikel fassen wir die wichtigsten Informationen, Daten und Entwicklungen zum Thema grüner Wasserstoff als Technologie der Zukunft zusammen. Dabei gehen wir unter anderem auf diese Punkte und Fragen ein:

• Wie genau funktioniert die Herstellung von Wasserstoff?
• Wann ist Wasserstoff grüner Wasserstoff?
• Warum ist grüner Wasserstoff so interessant und wichtig für die Energiewende?
• Welches sind die Vorteile und Nachteile von Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien hergestellt wird?
• Warum und in welchen Bereichen wird grüner Wasserstoff benötigt?
• Wird sich die Technologie als Energieträger der Zukunft durchsetzen und
• Welches sind die wichtigen Schritte auf dem Weg dahin?

Aktuell wird der weitaus meiste Wasserstoff durch fossile Brennstoffe erzeugt. Zwar funktioniert die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien sicher und auch relativ kostengünstig.
Der Ausbau der Produktion von grünem Wasserstoff in einem großen Maßstab schreitet aber nur langsam voran. Das Netzwerk von Herstellungsanlagen, Speicher- und Verteil-Stationen befindet sich noch im Anfang der Entwicklung, ist aber für eine wirtschaftliche Nutzbarkeit von grünem Wasserstoff erforderlich.

Damit stellt sich die Frage: Ist es überhaupt möglich, diese Technologie schnell genug auszubauen, damit sie für die Energiewende eine entscheidende Rolle bei der Speicherung und dem Transport von Energie spielen kann?

Was ist Grüner Wasserstoff?

Molekularer Wasserstoff

Atomarer Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron und ist das leichteste chemische Element (Atommasse: 1,008 u).
Bei Normalbedingungen (Temperatur: 273,15 K (0 °C), Luftdruck: 101,325 kPa) kommt Wasserstoff auf der Erde als molekulare Verbindung von zwei Wasserstoffatomen vor. Molekularer Wasserstoff (H₂) ist ein farbloses und geruchsloses Gas.

Grüner Wasserstoff, blauer Wasserstoff, grauer Wasserstoff

Der Begriff grüner Wasserstoff bezieht sich auf die Art der Herstellung. Je nach Energiequelle und Methode, die zur Herstellung von Wasserstoff benutzt wird, unterscheidet man:

• Grauer Wasserstoff: Die Herstellung erfolgt durch Verbrennung von Erdgas (Methan) nach der Dampfreformierung. Dabei wird Methan oxidiert und es entstehen Kohlendioxid und molekularer Wasserstoff. Das entstehende Kohlendioxid wird nicht aufgefangen und wirkt somit als Treibhausgas.
  Bei der Herstellung von 1 kg grauem Wasserstoff fallen 10 bis 12 kg Kohlendioxid an.
• Blauer Wasserstoff: Auch hier erfolgt die Herstellung durch Verbrennung von Erdgas. Allerdings wird das dabei entstehende Kohlendioxid aufgefangen. Hierzu gibt es verschiedene Methoden, die unter dem Begriff Carbon Capture and Storage (CCS) zusammengefasst werden.
  Es werden allerdings je nach Methode nur ungefähr 40 bis 60 % des Kohlendioxids aufgefangen. Damit fallen bei der Herstellung von blauem Wasserstoff immer noch 4 bis 9 kg Kohlendioxid pro kg Wasserstoff an.
• Grüner Wasserstoff: Herstellung durch Spaltung von Wasser und durch Nutzung erneuerbarer Energien (vor allem Solarenergie, Windenergie). Hierbei entsteht kein Kohlendioxid.
  Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Bedeutend sind vor allem die Elektrolyse von Wasser und die Photokatalyse, auf die wir in dem Kapitel Herstellung näher eingehen.

Weitaus der meiste Wasserstoff wird aktuell durch fossile Brennstoffe (vor allem Erdgas, also Methan) hergestellt: Grüner Wasserstoff macht zurzeit weniger als 1 % der gesamten Herstellung aus.
Dieses soll sich in den nächsten Jahren ändern. Grüner Wasserstoff soll eine der zentralen Technologien für die Energiewende werden. Insbesondere zum Erreichen der Ziele Klimaneutralität und Netto-Null-Emissionen spielt grüner Wasserstoff eine entscheidende Rolle.

Diese wichtige Rolle von Wasserstoff für die Energiewende resultiert aus einer Reihe von Eigenschaften, auf die wir im nächsten Kapitel genauer eingehen.

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Grüner Wasserstoff soll bereits in naher Zukunft die fossilen Brennstoffe in vielen Bereichen ersetzen. Warum ist Wasserstoff dafür am besten geeignet und nicht andere Materialien?
Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist weniger effizient als die anderer Energieträger. Warum ist dies dennoch wirtschaftlich sinnvoll? Warum ist gerade Wasserstoff als Energieträger für die Energiewende so interessant?

Diese Fragen wollen wir im Folgenden beantworten. Dabei werfen zunächst einen Blick auf die Bereiche, in denen Wasserstoff bisher, aktuell und in der Zukunft als Energieträger genutzt wird.

Bisherige und zukünftige Verwendung von Wasserstoff

Früher wurde Wasserstoff vor allem in Ballons und Zeppelinen verwendet. Nach einer Reihe von Unglücken und Katastrophen ist dieser dort aber durch Helium ersetzt worden. Ein weiterer großer Einsatzbereich ist in der Raumfahrt als Treibstoff für Raketen. So werden unter anderem die SLS-Raketen für das Artemis Programm der NASA durch Wasserstoff betrieben.

Im Bereich Transport wird Wasserstoff seit einigen Jahren als Treibstoff für PKW, LKW, Busse, Motorräder und auch Flugzeuge genutzt. Die Verwendung erfolgt aber bis jetzt in einem relativ kleinen Maßstab. Dies soll sich aber in den nächsten Jahren ändern: Motoren mit Wasserstoffantrieb könnten schon bald einen großen Teil der PKWs und LKWs antreiben.

Auch an effizienten Wasserstoffbatterien wird geforscht, welche in der Zukunft als Energiespeicher in Elektroautos genutzt werden. Weitere Methoden zur Speicherung der Energie sind die Lagerung von flüssigem oder gasförmigen Wasserstoff in Hochdrucktanks. Und der Transport von Energie soll bald durch Wasserstoffpipelines erfolgen, in denen der Treibstoff der Zukunft fließt.

Eigenschaften und Vorteile

Warum ist gerade Wasserstoff der Energieträger, transportabler Energiespeicher und Treibstoff für die Energiewende der Zukunft? Diese wichtige Rolle ergibt sich vor allem aufgrund dieser Eigenschaften:

• hohe Wärmekapazität: die spezifische Wärmekapazität von Wasserstoff beträgt 14.304 Joule pro Kilogramm und Kelvin. Damit ist Wasserstoff ein sehr guter Speicher für Wärmeenergie.
• Wärmeleitfähigkeit: Mit 0,1805 Watt pro Meter und Kelvin hat molekularer Wasserstoff auch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.
• Auf die Masse bezogen hat Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte: ca. 33 kWh pro kg. Das ist ungefähr das dreifache der Energiedichte von Benzin.
• kleine Reynolds Zahl: diese Zahl beschreibt das Strömungsverhalten. Eine niedrige Reynolds Zahl bedeutet laminare Strömung
• Wird Wasserstoff verbrannt, entsteht kein Kohlendioxid und auch kein Feinstaub.

Grüner Wasserstoff: Herstellung

Herstellung von Wasserstoff

Die Produktion von Wasserstoff beläuft sich zurzeit auf jährlich etwa 85 Millionen Tonnen. Dabei wird momentan fast ausschließlich grauer Wasserstoff erzeugt. Das heißt, die Herstellung erfolgt durch Verbrennung von Erdgas (Methan) und führt somit zur Emission von Treibhausgasen.

Nur 1 % des zurzeit jährlich hergestellten Wasserstoffs ist grüner Wasserstoff. Der Anteil von grünem Wasserstoff an der gesamten Herstellung hat allerdings in den letzten Jahren stark zugenommen.

Elektrolyse von Wasser

Die zurzeit wichtigste Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten und es entsteht kein Kohlendioxid.
Die nötige Energie zur Spaltung der Wassermoleküle wird bei der Elektrolyse durch elektrischen Strom aufgebracht. Doch nur wenn dieser Strom aus erneuerbaren Energien kommt, ist der produzierte Wasserstoff grüner Wasserstoff.

Warum ist die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse sinnvoll?
Bei den erneuerbaren Energien, insbesondere bei Solarenergie und Windenergie kommt es oft zu Zeiten, in denen die Energieproduktion deutlich höher ist als der Energieverbrauch. Diese überschüssige Energie kann dann nicht genutzt werden.

Wasserstoff kann hier eine effiziente Methode zur Speicherung der Energie sein (Power to Gas). Bei einem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien wird deshalb auch mehr überschüssige Energie zur Verfügung stehen, die zur Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt werden kann.

Bis dahin ist aber noch ein weiter Weg: Weltweit beträgt der Anteil von grünem Wasserstoff an der gesamten Herstellung zurzeit weniger als 1 Prozent.

Photokatalyse von Wasser

Eine weitere Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist die Spaltung von Wasser durch die direkte Verwendung von Solarenergie (ohne den Umweg über elektrischen Strom). Die Effizienz dieser Methode ist mit ca. 5 bis 9 % im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden sehr gering.

Diese als solar-to-hydrogen (STH) bezeichnete Methode ist jedoch ein Schwerpunkt aktueller Forschung. Und es gibt es bereits verschiedene Techniken, um die Spaltung von Wasser durch Sonnenenergie effizienter zu machen.

Insbesondere die Herstellung von grünem Wasserstoff aus Solarenergie und Meerwasser wäre für die Zukunft eine optimale Energiequelle, da beides in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfügung steht.

Grüner Wasserstoff und Elektrobatterien

Für viele Bereiche, in denen Wasserstoff genutzt wird oder demnächst genutzt werden soll, sind Elektrobatterien eine Alternative und auch eine Konkurrenz. Dabei sind Lithium-Ionen-Batterien aktuell klar führend, insbesondere im Bereich Transport und Verkehr.

Dennoch es gibt viele Gründe, warum es gut möglich ist, dass grüner Wasserstoff der Energiespeicher der Zukunft sein wird.

Im Folgenden vergleichen wir die Vorteile und Nachteile von mit Wasserstoff gefüllten Brennstoffzellen und Elektrobatterien. Dabei gehen wir vor allem auch auf deren Verwendung in Autos, LKW und Flugzeugen ein.

• Energiespeichereffizienz: Mit Lithium-Ionen-Batterien kann 75 bis 95 Prozent der eingesetzten Energie gespeichert werden. Wasserstoff hat als Energiespeicher eine deutlich geringere Effizienz: nur etwa 50 % der eingesetzten Energie lässt sich durch Wasserstoff speichern.
• Energiespeicherdichte: Auf dem gleichen Volumen kann Wasserstoff allerdings deutlich mehr Energie speichern als dies mit Elektrobatterien möglich ist. Dies ist von Vorteil für viele Anwendungen, gerade im Bereich Transport und Verkehr, wo es oft auf kompakte Energiespeicherung ankommt.
• Reichweite: Die Reichweite von Autos mit Wasserstoffantrieb ist momentan deutlich höher als die von Elektroautos mit Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings gibt es in diesem Bereich aktuell viele Entwicklungen, welche die Reichweite von Autos mit Elektrobatterien deutlich steigern werden, siehe hierzu den Artikel: Neue Batterietechnologien
• Gewicht: Die meisten Brennstoffzellen sind viel leichter als die herkömmlichen Akkus für PKWs: Eine übliche Wasserstoffzelle für einen PKW wiegt 50 bis 100 kg, während die Lithium-Ionen-Batterien vieler Elektroautos um die 1.000 kg wiegen. Gerade bei größeren Transportmitteln macht sich dieser Unterschied in der praktischen Nutzbarkeit bemerkbar. Wasserstoff könnte deshalb insbesondere für LKWs, Züge und Flugzeuge die bessere Alternative sein.
• Ladedauer bzw. Tankdauer: Auch hier haben die Treibstoffzellen einen entscheidenden Vorteil. Eine Tankfüllung dauert nur wenige Minuten, während das Aufladen einer Lithiumionenbatterie mehrere Stunden dauert. Aber auch hier holen die Elektrobatterien durch neue Entwicklungen auf, welche die Ladezeit deutlich verringern.
• Haltbarkeit: Elektrobatterien verlieren mit der Zeit an Kapazität und müssen irgendwann ganz ersetzt werden. Bei Brennstoffzellen bleibt die Leistung konstant und ein Austausch ist nicht nötig. Auch die Notwendigkeit für Wartungen und Reparaturen ist bei Autos mit Wasserstoffantrieb viel geringer.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es sowohl bei Elektrobatterien als auch bei Wasserstoffzellen Vorteile und Nachteile gibt. Beide Technologien sind noch am Anfang in der Entwicklung und es gibt viele Punkte, die aktuell durch Forschung verbessert werden.

Es ist deshalb auch gut möglich, dass sich mit der Zeit beide Technologien durchsetzen, eventuell mit unterschiedlichen Schwerpunkten. So könnten Elektrobatterien vorwiegend im Bereich PKW genutzt werden, während Brennstoffzellen eventuell bei schwereren Transportmitteln eine größere Rolle spielen.

Damit sind dies also zwei Technologien, die nicht nur im Wettbewerb stehen, sondern sich auch gut ergänzen können. Welche Technologie besser ist, hängt dabei stark von der jeweiligen Anforderung ab. Auch Hybrid-Lösungen, bei denen Elektrobatterien die Energie aus Treibstoffzellen speichern, sind möglich und für manche Anwendungen sinnvoll.

Es wird deshalb wohl noch einige Jahre dauern, bis es gelingt, Wasserstoff ausschließlich aus erneuerbaren Energien und in ausreichender Menge herzustellen. Und auch bis sich die Technologie in den Bereichen Transport, Verkehr und Industrie als neuer Standard durchsetzt, ist es noch ein langer Weg.

QUELLEN
Wasserstoff – Wikipedia
Grüner Wasserstoff – Wikipedia
Wasserstoffherstellung – Wikipedia
Dampfreformierung – Wikipedia
Photokatalytische Wasserspaltung – Wikipedia
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffwirtschaft
https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Wasserstofftechnologien
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstofftankstelle
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffverbrennungsmotor
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserelektrolyse
Wissenswertes zu Grünem Wasserstoff – BMBF
Unsere Zukunftsenergie: Grüner Wasserstoff – BMBF
https://www.zeit.de/mobilitaet/2019-05/brennstoffzelle-wasserstoff-elektroautos-energiespeicher-mobilitaetswende-forschung
Pellow et al. (2015,) “Hydrogen or batteries for grid storage? A net energy analysis.” Energy and Environmental Science 8: 1938-1952. https://doi.org/10.1039/C4EE04041D
Rahman et al. (2021). Recent advances of energy storage technologies for grid: A comprehensive review. Energy Storage, 4.