Grüner Wasserstoff

Ein Überblick und mehr

Ewald Eckert

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2022
• ISBN drucken: 9783755777748
• eBook-ISBN: 9783755765165
• Auflage: 3
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Engineering General

Grüner Wasserstoff kann ein wesentlicher Beitrag für das Gelingen der Energiewende leisten. Es gilt mehr denn je, Industrie und Verkehr zu dekarbonisieren. Kommt der Strom für die Elektrolyse, so nennt man das Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff, aus erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne, sogenannten grünen Energien, darf sich der Wasserstoff mit dem Zusatz "grün" schmücken. Bei seiner Herstellung und der späteren Verwendung entstehen keine schädlichen Treibhausgase.

1 Einführung

Darum geht’s: Grüner Wasserstoff soll zum Beispiel energieintensiven Branchen wie der Stahl- oder Chemieindustrie zur Klimaneutralität verhelfen: Er kann so nicht nur die Wirtschaft revolutionieren, sondern auch die Energiewende voranbringen.

Abb. 1.1: Grüner Wasserstoff ein Baustein zur Klimaneutralität - [1]

Grüner Wasserstoff ist ein Schlüsselelement der Energiewende. Kommt der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne, sogenannten grünen Energien, darf sich der Wasserstoff mit dem Zusatz »grün« schmücken. Wird er auf diesem Weg gewonnen, ist Wasserstoff CO₂ frei und ein Segen fürs Klima. Denn dann entstehen bei seiner Herstellung keine schädlichen Treibhausgase. Das Verfahren wird auch als Powerto-Gas bezeichnet und ist eine der sogenannten Power-to-X-Technologien (PtX-Technologien). Bei Power-to-X wird Strom genutzt, um Energie in eine für bestimmte Anwendungen nützlichere Form umzuwandeln - zum Beispiel um Gase (Power-to-Gas), Wärme (Power-to-Heat) oder flüssige Energieträger (Power-to-Liquid) herzustellen. PtX-Technologien gelten als wichtige Lösungen, um die Klimaziele einhalten zu können und den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern.

Der Stoff hat das Zeug zu einem Hollywoodstreifen: Wasserstoff ist auf unserer Erde reichlich vorhanden. Farblos fristet er sein Dasein bisher fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren oder Kohlenwasserstoffen). Auf der Suche nach vielfältig einsetzbaren Energieträgern als Alternative zu ihren fossilen Vorgängern wird grüner Wasserstoff schließlich als Schlüsselrohstoff entdeckt und mausert sich vom farblosen Gas zum schillernden Star der Energiewende. Seine Starqualitäten gründen neben seiner Rolle als alternativer Treibstoff in der Brennstoffzelle und als Rohstoff für die Industrie, auch auf der Möglichkeit, mit ihm Energie leicht speichern und transportieren zu können. Das kann die Energieversorgung der Zukunft deutlich flexibler machen. Je höher die Energieanforderung, desto mehr zahlen sich die Vorteile von Wasserstoff gegenüber dem Strom aus der Steckdose oder Batterien aus.

Gewonnen wird der umschwärmte Stoff durch die Aufspaltung von Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂). Wird dafür elektrischer Strom genutzt, spricht man von Elektrolyse. Allerdings wird viel Energie benötigt, um das Molekül H₂ abzuspalten.
(siehe BUNDESMINISTERIUM FÜR WIRTSCHAFT UND ENERGIE [1])

2 Wasserstoff — Grüner Wasserstoff

Wasserstoff kann als Energieträger eine bedeutende Rolle bei der Energiewende spielen. Das Gas ist im Gegensatz zu Strom gut speicherbar und stößt bei der Verbrennung keinerlei Treibhausgase aus. Es kann damit als klimafreundlicher Ersatz für fossile Brennstoffe in der Industrie oder zum Transport eingesetzt werden. Im Folgenden geben wir einen Überblick, wenn es um die Gewinnung von Wasserstoff geht. Nur sogenannter grüner Wasserstoff ist zu 100 % emissionsfrei und wird durch Wasserelektrolyse unter Nutzung von erneuerbaren Energien hergestellt.

Die Gewinnung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist ein wichtiger Schritt für die Erreichung der Klimaziele. Eine Herausforderung ist die Herstellung des grünen Wasserstoffs in großem Maßstab. Es gilt also, Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energie zu erzeugen, um so die Produktion von CO₂-neutralem Wasserstoff voranzutreiben. Grüner Wasserstoff wird damit zu einer klimafreundlichen und günstigen Alternative zu fossilen Brennstoffen für Industriekunden sowie in der Bauwirtschaft und dem Transportsektor.
(siehe STATKRAFT MARKETS GMBH [2])

Um sich der Thematik besser nähern zu können, hat die Bundesregierung 15 Fragen formuliert und gleich die Antworten dazu gegeben. Dies alles stellen wir im Folgenden vor.

2.1 Warum investiert die Bundesregierung in Grünen Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff ist zentral für das Erreichen der Pariser Klimaschutz-Ziele: Mit seiner Hilfe ist es möglich, Deutschlands größte Treibhausgas-Verursacher klimafreundlich umzugestalten und gleichzeitig den Technologiestandort Deutschland zu stärken.

• Wichtigster Anwendungsbereich ist die Industrie: Grüner Wasserstoff kann als alternativer Brennstoff Öfen anfeuern oder zusammen mit CO₂ z. B. als Baustein von Polymeren dabei helfen, die fossile Rohstoffbasis der Chemieindustrie zu ersetzen.
• Grüner Wasserstoff lässt sich dank Brennstoffzellen in Strom und Wärme umwandeln. So lassen sich Schwankungen im Stromnetz ausgleichen, Häuser beheizen und mit Elektrizität versorgen, sowie Fahrzeuge antreiben.
• Grüner Wasserstoff kann als Kraftstoff im Verkehr eingesetzt werden - insbesondere dort, wo eine Elektrifizierung nicht sinnvoll oder möglich ist. Zusammen mit CO₂ lässt er sich zudem in andere klimafreundliche Kraftstoffe umwandeln, die Lkws, Schiffe und Flugzeuge antreiben.

Abb. 2.1: Wasserstoff - Erzeugung - Transport - Nutzung - [3]

2.2 Wie unterscheidet sich Grüner Wasserstoff von Blauem, Grauem und Türkisem?

Generell ist Wasserstoff immer ein farbloses Gas. Je nach seinem Ursprung trägt er allerdings verschiedene Farben in seinem Namen.

• Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) gespalten. Das CO₂ wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO₂.
• Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, dessen CO₂ bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird (Englisch: Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO₂ gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann als CO₂-neutral betrachtet werden.
• Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO₂-frei, da der eingesetzte Strom zu 100 % aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO₂-frei ist.
• Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO₂-frei entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO₂-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

2.3 Warum setzt das Bundesforschungsministerium vor allem auf Grünen Wasserstoff?

Nur Grüner Wasserstoff ist wirklich klimafreundlich. Denn nur Grüner Wasserstoff ist ohne fossile Rohstoffe produzierbar. Erdgas, das für Grauen, Blauen oder Türkisen Wasserstoff eingesetzt wird, muss gefördert werden. Dabei entstehen erhebliche Emissionen, da dabei kleine Mengen an Methan (CH₄) entweichen, das etwa 25-mal klimaschädlicher als CO₂ ist. Zusätzlich fallen bei der Wasserstoffproduktion CO₂-Emissionen an. Bei herkömmlichem (Grauem) Wasserstoff fallen während der Spaltung von Erdgas pro Tonne Wasserstoff rund zehn Tonnen CO₂ als Abfallprodukt an. Bei Blauem Wasserstoff wird dieses CO₂ zwar eingefangen und meist unterirdisch gespeichert - allerdings birgt die Speicherung Risiken, hohe Kosten und wird in Deutschland von der Gesellschaft nicht akzeptiert.

2.4 Welche Rolle spielt Wasserstoff in der Industrie?

Wasserstoff kann Brennöfen der Industrie beheizen - zum Beispiel in der Glas-, Zement- und Stahlindustrie. Zudem ist er für die Nutzung von Abgasen relevant: Im BMBF-geförderten Projekt Carbon2Chem beispielsweise braucht es Wasserstoff, um aus Abgasen Dünger-, Kunst- und Kraftstoff-Vorläufer zu produzieren. Zuletzt können mithilfe von Wasserstoff in Power-to-X Verfahren wichtige Rohstoffe für die Chemieindustrie produziert werden. Das geschieht derzeit beispielsweise im BMBF-geförderten Projekt Rheticus.

2.5 Welche Rolle spielt Grüner Wasserstoff im Verkehr?

Relevant ist Wasserstoff vor allem in den Bereichen, in denen Elektrifizierung in absehbarer Zeit nicht möglich ist, das heißt: Im Bereich Flug-, Fern-, Schwerlast- und Schiffsverkehr. Durch Wasserstoff als Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe lassen sich diese Verkehrsbereiche klimafreundlich umgestalten. Auch der Antrieb durch Wasserstoff-Betankung ist eine Option.

2.6 Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Wärmeversorgung?

Wasserstoff kann in gewissen Mengen bereits heute in das bestehende Gasnetz beigefügt werden. Der Grenzwert liegt derzeit bei bis zu zehn Prozent. Potenziell sind allerdings auch höhere Anteile denkbar. Der zusätzliche Wasserstoff kann dann wie Erdgas verbrannt werden und führt nur zu Wasserdampf. Zudem lässt sich mithilfe von Brennstoffzellen Wärme und Strom aus Wasserstoff gewinnen. Wie Wasserstoff in das Energienetz der Zukunft eingebunden werden kann, untersucht derzeit unter anderem das Kopernikus-Projekt ENSURE.

2.7 Wie viel Energie steckt in einer Tonne Wasserstoff?

Chemisch enthält eine Tonne Wasserstoff eine Energiemenge von 33330 Kilowattstunden. Das entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Strom-Energieverbrauch von elf Drei-Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus (ohne Durchlauferhitzer). Allerdings kann die chemische Energie nicht zu 100 % in nutzbare...

Inhaltsverzeichnis

• Motto
• Widmung
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis
• 1 Einführung
• 2 Wasserstoff - Grüner Wasserstoff
• 3 Grundlagenwissen über Atome und Sonstiges
• 4 Herstellung Grüner Wasserstoff
• Glossar
• 5 Anhang
• Literatur
• Impressum