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Wasserstoff

Quelle: BMWi, BMBF, StMWi, BMVI, UBA, BDI, EU, DIHK, SRU, dena, OMV-Konzern,

Wasserstoff wird mitunter als das neue, saubere Erdöl von morgen bezeichnet. Wieder einmal, denn um Wasserstoff entstand bereits in den 1990er-Jahren und um die Jahrtausendwende ein regelrechter Hype. Geht dieser nur in eine neue Runde oder sind die Hoffnungen tatsächlich berechtigt?

Fest steht, die Wasserstofftechnologien sind inzwischen ausgereifter, zudem gibt es eine breite Unterstützung aus der Politik und den starken Willen, den Markthochlauf der Wasserstofftechnologien voranzubringen. Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für den klimaneutralen Umbau von Wirtschaft und Gesellschaft und als Multitalent der Energiewende, denn er löst zwei wesentliche Probleme:
Zum einen kann Wasserstoff Strom aus erneuerbaren Energien speichern und damit die Erneuerbaren optimal nutzbar machen. Zum anderen dekarbonisiert Wasserstoff Bereiche, die nicht oder nur bedingt elektrisch betrieben werden können. Gerade energieintensive Branchen wie die Stahl- und chemische Industrie hoffen daher auf neue nachhaltige Lösungen durch Wasserstoff.
Bei aller Euphorie lohnt sich jedoch eine differenzierte Betrachtung, denn Wasserstoff ist nicht immer die sinnvollste und effizienteste Lösung.

Herstellung

Wasserstoff ist das leichteste und häufigste Element im Universum und in Reinform ein unsichtbares, ungiftiges Gas. Auf der Erde kommt Wasserstoff jedoch nur in gebundener Form vor, beispielsweise in Methan, Pflanzen, Erdöl und natürlich in Wasser.
Eine Möglichkeit zur Herstellung von reinem Wasserstoff ist bereits seit gut 200 Jahren bekannt – die Elektrolyse. Bei der Wasserstoffelektrolyse wird unter Einsatz von Strom das Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Wenngleich diese Technik seit vielen Jahrzehnten kommerziell im Einsatz ist, konnte sie sich in der Fläche bislang nicht durchsetzen. Hauptgrund ist der hohe Energieaufwand für die Abspaltung des Wasserstoffmoleküls. Strom und Technologiekosten verhinderten daher bislang eine Konkurrenzfähigkeit von Wasserstoff gegenüber etablierten Energieträgern.
Wasserstoff lässt sich mittels verschiedener Herstellungswege produzieren, wobei sich Treibhausgasemissionen, Energie- und Ressourcenverbräuche unterscheiden. Wasserstoff bleibt bei jeder Form der Herstellung ein farbloses Gas, zur Abgrenzung der Herstellungswege wird jedoch eine „Farbenlehre“ genutzt.

Grauer Wasserstoff

Der Ausgangsstoff ist ein fossiler Brennstoff. Hauptsächlich wird Erdgas verwendet, aber auch Rohöl und Kohle sind möglich. Die Dampfreformierung ist das gängigste Herstellungsverfahren, welches jedoch neben dem erwünschten Wasserstoff auch CO2 erzeugt, welches dann in die Atmosphäre abgegeben wird und somit den Treibhausgaseffekt verstärkt. Grauer Wasserstoff ist relativ preisgünstig in der Herstellung und wird derzeit insbesondere in der chemischen Industrie verwendet, etwa für die Ammoniakproduktion.

Blauer Wasserstoff

Wird wie grauer Wasserstoff aus einem fossilen Brennstoff hergestellt. Das anfallende Kohlendioxid wird allerdings aufgefangen, verpresst und unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS). Blauer Wasserstoff gilt daher weithin als CO2-neutrale Option. Genau betrachtet fallen jedoch im Kontext der Herstellung des blauen Wasserstoffs durchaus CO2-Emissionen an: Bei der Förderung des Erdgases, bei dessen Transport und im Verlauf des CCS-Prozesses selbst. Zudem ist in Deutschland bislang keine kommerzielle Anlage zur CO2-Speicherung in Betrieb.

Grüner Wasserstoff

Wird mittels Elektrolyse ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt. Da der für die Herstellung eingesetzte Strom CO2-frei ist, gilt auch der daraus entstehende Wasserstoff als „grün“.
Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung wird auch als Power-to-Gas bezeichnet und gehört zu den vielversprechenden Power-to-X-Technologien.

Türkiser Wasserstoff

Wird aus Methan (Methanpyrolyse) hergestellt. CO2 fällt dabei nicht an, sondern fester Kohlenstoff, der sich leicht einlagern lässt. Andererseits kann der hochreine Kohlenstoff auch in der Industrie, beispielsweise in der Stahlindustrie oder für die Herstellung von Batterien, verwendet werden. Bei der Weiterverwendung besteht jedoch die Gefahr, dass der Kohlenstoff irgendwann thermisch verwertet wird und das gebundene CO2 letztlich doch wieder der Atmosphäre zugeführt wird.

Wasserstoffstrategien

Da die Wasserstofftechnologien einerseits höchst vielversprechend sind, sich andererseits jedoch bislang nicht durchsetzen konnten, wurden seitens der Politik Strategien für Entwicklung, Demonstration und Markthochlauf beschlossen.

Nationale Wasserstoffstrategie

Die im Juni 2020 von der Bundesregierung verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) sieht deutsche Unternehmen in der technologischen Vorreiterrolle und möchte deren Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit stärken.
Wasserstofftechnologien und daraus resultierende Anwendungsmöglichkeiten befinden sich vielfach noch im Erprobungsstadium und werden allenfalls in Pilotprojekten mit kleinem Maßstab angewendet. Übergeordnetes Ziel ist es nun, Wasserstoff als zentrales Instrument der Energiewende im Markt zu verankern, entsprechend zu skalieren und mit dem Markthochlauf auf eine künftige wirtschaftliche Nutzung hinzuwirken. Die im Aktionsplan zur NWS beschriebene erste Phase sieht vor, bis 2023 den Markthochlauf zu starten. Die zweite Phase „Markthochlauf stärken, national und international“ beginnt im Anschluss und erstreckt sich bis 2030. Besonderes Augenmerk legt die Strategie auf Anwendungsfelder, welche einen direkten Einsatz von Strom nicht oder nicht effizient zulassen und insgesamt auf Branchen mit besonders großem Dekarbonisierungspotenzial.
Die Strategie spricht sich längerfristig für die Nutzung von grünem Wasserstoff aus, übergangsweise und im Sinne eines schnellen Markthochlaufs können jedoch auch andere CO2-reduzierte Herstellungsverfahren genutzt werden. Dies stößt unter anderem beim Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) auf Kritik. Das wissenschaftliche Gremium berät die Bundesregierung und fordert eine Fokussierung auf grünen Wasserstoff.
Bis 2030 sieht die NWS die Errichtung von Erzeugungsanlagen mit einer Elektrolyseleistung von fünf Gigawatt vor, dies entspricht etwa der Leistung von vier Atomkraftwerken. Bis 2040 soll die Leistung auf zehn Gigawatt gesteigert werden. Zudem sollen die regulativen Voraussetzungen für den Markthochlauf geschaffen werden.
Zur Förderung von Entwicklung und Markthochlauf werden sieben Milliarden Euro bereitgestellt, für internationale Kooperationen (beispielsweise mit Marokko) stehen zwei Milliarden zur Verfügung.

EU-Wasserstoffstrategie

Die Wasserstoffstrategie der EU bildet eine wesentliche Säule des Green Deals und sieht u. a. vor, bis 2030 Elektrolyseure mit einer Leistung von 40 Gigawatt zu installieren. Zur Umsetzung der Strategie wurde die „Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff“ ins Leben gerufen. Beteiligt sind führende Vertreter der Industrie, die Zivilgesellschaft, Minister der nationalen und regionalen Ebene sowie die Europäische Investitionsbank.

Bayerische Wasserstoffstrategie

Der Freistaat Bayern hat es sich zum Ziel gesetzt, bis 2023 bayernweit 100 Wasserstofftankstellen zu errichten, außerdem sollen Wasserstoffzüge im regulären Fahrbetrieb (ab 2023 zunächst zwischen Füssen und Augsburg) erprobt und eingesetzt werden. Weiterhin soll Bayern führender Standort für H2-Technologien werden. Zu den Umsetzungsschritten gehören die Forschungsoffensive „H2 Hightech Bayern“, eine Förderrichtlinie für Wasserstofftankstellen und der Ausbau von Modellregionen. Unterstützt wird die Strategie vom Zentrum Wasserstoff.Bayern (H2.B) und dem Bayerischen Wasserstoffbündnis.

Bedarf und Bezug

Wasserstoff und insbesondere grüner Wasserstoff ist bislang nur sehr begrenzt für industrielle Zwecke verfügbar. Nach den Plänen der Bundesregierung soll und muss sich dies schnell ändern, denn die Nationale Wasserstoffstrategie geht bereits 2030 von einem Wasserstoffbedarf vom 90 bis 110 Terawattstunden aus.
Auch wenn künftig eine gewisse Menge grüner Wasserstoff in Deutschland produziert werden soll, was nur durch einen massiven Ausbau der erneuerbaren Energien möglich ist, wird der Import eine große Rolle spielen. In sonnenreichen Staaten lässt sich Wasserstoff mit Strom aus Photovoltaikanlagen deutlich günstiger herstellen als in Deutschland. Die Nationale Wasserstoffstrategie sieht daher Partnerschaften mit afrikanischen Ländern vor, aber auch Australien wird u. a. als Option gehandelt. Das Projekt „HySupply“ vom Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) und der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) untersucht in einer deutsch-australischen Machbarkeitsstudie, ob und wie eine interkontinentale Lieferkette von erneuerbarem Wasserstoff machbar ist. Im westlichen Afrika markierte der „Potenzialatlas Grüner Wasserstoff“ des BMBF bereits vielversprechende Regionen für Solar- und Windparks. Daten für Regionen in Südafrika sollen folgen. Wasserstoff kann über das bestehende Erdgasnetz, neue Wasserstoffnetze, Tanker und Pipelines transportiert werden. Für den Transport ist auch eine Bindung in flüssigen Energieträgern wie Ammoniak möglich. In speziellen Behältern lässt sich Wasserstoff auch tiefkalt oder unter Hochdruck transportieren. Mit der Entfernung steigen jedoch die Kosten für den Transport.
Neben den Transportschwierigkeiten sind mit dem Import von Wasserstoff je nach Bezugsland politische und soziale Problematiken verbunden. Ein großes Thema ist die (jahreszeitliche) Wasserknappheit in vielen der potenziellen Erzeugerländer. Die Wasserstoffproduktion könnte somit im ungünstigen Fall die Trinkwasserversorgung der lokalen Bevölkerung gefährden. Im „Potenzialatlas Grüner Wasserstoff“ sollen daher auch die jeweiligen Kosten für die Entsalzung von Meerwasser berücksichtigt werden. Laut BMBF würde die Entsalzung den Wasserstoff-Preis in „nicht erheblichem Maße erhöhen“.
Um unerwünschte soziale und ökologische Folgen bei der Produktion von Wasserstoff zu vermeiden, fordert der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) überprüfbare Nachhaltigkeitskriterien. Ein Bekenntnis hierzu ist im Aktionsplan zur Nationalen Wasserstoffstrategie bereits enthalten – auf europäischer Ebene sollen im Bereich Wasserstoff und PtX-Produkte Nachhaltigkeits- und Qualitätsstandards gesetzt werden.

Anwendungsmöglichkeiten

Was die Anwendungsmöglichkeiten angeht, scheint Wasserstoff in der medialen Debatte mitunter auf den Einsatz im Verkehr und die Frage Wasserstoff- oder Elektroauto begrenzt. Doch gerade im Verkehr ist Wasserstoff nur eine von mehreren Optionen, während er in anderen Bereichen dringend gebraucht wird, weil es dort keine effizienteren Möglichkeiten der Dekarbonisierung gibt.

Wasserstoff im Verkehr

Setzt man im Verkehrssektor auf Wasserstoff, dann sind Brennstoffzellen in Kombination mit Elektromotoren am effizientesten. Alternativ kann Wasserstoff auch direkt im Motor verbrannt werden, jedoch mit geringem Wirkungsgrad. Nach dem aktuellen Stand der Technik schlägt die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in batteriebetriebenen Fahrzeugen Wasserstoff hinsichtlich Energieeffizienz und Kosten, denn der Gesamtwirkungsgrad erreicht nur die Hälfte eines batteriebetriebenen Fahrzeugs.
Bei großen, schweren Fahrzeugen und hohen Anforderungen an die Reichweite könnte Wasserstoff jedoch nutzbringend eingesetzt werden. Im See- und Flugverkehr, auf nicht elektrifizierten Bahnstrecken oder auch im Straßengüterfernverkehr.
Die Unternehmen Daimler Truck, Iveco, OMV, Shell und Volvo haben sich zur Förderung wasserstoffbasierter Lkw im Konsortium „H2Accelerate“ zusammengeschlossen. Noch ist ein Wasserstoff-Lkw um mindestens 50 Prozent teurer als ein konventioneller, die Serienproduktion läuft jedoch langsam an. Voraussetzung für Wasserstoff-Lkws (und Pkws) ist ein funktionierendes Netz an Tankstellen. Bisher gibt es in Deutschland knapp 100 Wasserstofftankstellen.

Wasserstoff in der Industrie

In Raffinerien kommt Wasserstoff bereits heute zum Einsatz, beispielsweise bei der Entschwefelung der Vorprodukte von Benzin und Diesel und bei der Produktion von Ammoniak. Hierbei handelt es sich allerdings zumeist um grauen Wasserstoff aus fossilen Quellen. Der Aktionsplan der Nationalen Wasserstoffstrategie sieht vor, diesen durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, was zumeist ohne aufwendige Anpassungen möglich ist.
Neben der Umstellung von grauem auf grünen Wasserstoff sind in industriellen Produktionen große Potenziale für die Substitution bisheriger Energieträger durch Wasserstoff vorhanden, etwa in der energieintensiven Stahlproduktion sowie bei der Zement- und Glasherstellung.
Versuchsweise wird für die Stahlherstellung bereits das Verfahren der sogenannten Direktreduktion verwendet. Bei der Direktreduktion wird Eisenerz anstatt mittels Koks mithilfe von Erdgas oder Wasserstoff zu Eisen reduziert, das dabei als sogenannter Eisenschwamm anfällt. Je höher der Wasserstoffanteil, desto weniger CO2-intensiv ist der Vorgang. Thyssenkrupp Steel geht davon aus, dass eine Tonne Wasserstoff in der Stahlproduktion 26 Tonnen CO2 vermeidet.

Sicherheit

Beim Thema Sicherheit denken viele automatisch an die bekannte Knallgasreaktion, bei der Wasserstoff unkontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Diese unkontrollierte Reaktion kann mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten bereits gut verhindert werden. In Wasserstoffautos kommen beispielsweise besonders dickwandige Tanks zum Einsatz, die auch einen Crash unbeschadet überstehen können. Hinzu kommt, dass Wasserstoff enorm flüchtig ist und daher außerhalb geschlossener Räume zumeist keine zündfähige Gemischbildung zustande kommt.
Trotzdem bedarf es noch Regularien für die sichere Handhabung von Wasserstoff, beispielsweise auch für die sichere Unterstellung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge. Bislang greifen verschiedenste Sicherheitsregularien (Rohrleitungsfernleitungsverordnung, Gesetz für überwachungsbedürftige Anlagen ...) und eine Harmonisierung steht noch aus.

Fördermittel

Eine Auswahl der mit Wasserstoff in Zusammenhang stehenden Förderprogramme finden Sie in der IZU-Förderfibel unter dem Schlagwort „Wasserstoff“