Wie Wasserstoff „grün“ wird: Chancen und Herausforderungen

Wasserstoff gilt als eine der Schlüsseltechnologien, um Energie zu speichern, und kann eine zentrale Rolle für die Energiewende und eine klimaneutrale Zukunft spielen. Doch wie wird Wasserstoff überhaupt gewonnen und was genau macht Wasserstoff grün? Hier gibt es einen Überblick zur Produktion, dem Transport und der Verwendung von Wasserstoff.

Gewinnung von grünem Wasserstoff

Eines vorweg: Nicht jede Art der Wasserstoff-Erzeugung ist umweltfreundlich. Im Gegenteil. Es gibt verschiedene Arten der Herstellung und entsprechend auch verschiedene Einstufungen von Wasserstoff, benannt nach Farben: grau, türkis, blau und grün.

Grauer Wasserstoff ist alles andere als klimaneutral, denn er entsteht beispielsweise aus der sogenannten Reformierung von Erdgas oder Kohle. Diese Stoffe werden dann umgewandelt in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, also CO2. Letzteres wird dann freigesetzt und gelangt in die Atmosphäre, wodurch es den Klimawandel eher beschleunigt als verlangsamt. Wenn das gasförmige CO2 jedoch nicht in die Luft gelangt, sondern aufgefangen und beispielsweise in Gesteinsschichten eingepresst wird, wird dieses Produktionsverfahren klimaneutral. Dann spricht man von blauem Wasserstoff.

Türkiser Wasserstoff wird in der sogenannten Methanpyrolyse aus Erdgas oder Methan hergestellt, wobei jedoch kein gasförmiges CO2 entsteht, sondern fester Kohlenstoff als Abfallprodukt, der in verschiedenen Bereichen weiterverarbeitet werden kann. Außerdem ist diese Methode vergleichsweise energiearm, jedoch ist sie noch nicht über den Versuchsbereich hinausgekommen. Es gibt auch noch weitere Arten der Wasserstoffherstellung, die erprobt werden, beispielsweise die von Biowasserstoff aus Abwasser.

Die Herstellung von grünem Wasserstoff erfolgt vor allem durch Elektrolyse. Dabei wird Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Entscheidend ist, dass der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft stammt und somit kein CO2 verursacht. Ein zentraler Vorteil der Elektrolyse ist, dass sie überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien nutzen und somit das Problem von Überkapazitäten im Netz lösen kann. Der Strom wird also genutzt, um Wasserstoff als Energiespeicher zu produzieren, der die Energie an späterer Stelle wieder beliebig in der Nutzung freigeben kann.

Transport von Wasserstoff

Wie aber kommt der Wasserstoff von der Produktion zur Verwendung? Der Transport von Wasserstoff ist eine Herausforderung, da das Gas extrem leicht, flüchtig und brennbar ist. Es gibt drei Hauptmethoden, um ihn zu transportieren: Wasserstoff kann gasförmig, flüssig oder gebunden in Form anderer Stoffe bewegt werden.

Wasserstoff als Gas

Gasförmig wird Wasserstoff in speziellen Behältern bei einem Druck von bis zu 700 bar gespeichert. Diese Methode ist besonders für kleinere Mengen geeignet, wie sie in Fahrzeugen mit Brennstoffzellen verwendet werden. Für das komprimierte Gas ist der Transport eher ineffizient, da nur geringe Mengen mit großem Aufwand, beispielsweise als Lkw-Ladung, bewegt werden können. Diese Transporte sind zudem aufgrund des Explosionspotenzials riskant.

Alternativ kann gasförmiger Wasserstoff in großen Mengen auch über Pipelines transportiert werden. Deren Aufbau ist jedoch enorm zeit- und investitionsaufwändig. In Europa gibt es Pläne von mehreren Gasunternehmen, ein internationales, 23.000 Kilometer langes Pipeline-System aufzubauen. Dabei können auch umgerüstete Erdgasleitungen genutzt werden.

Wasserstoff als Flüssigkeit

Verflüssigt wird Wasserstoff bei einer Temperatur von weit unter minus 200 Grad Celsius. Dann benötigt er weniger Volumen und kann leichter transportiert werden, beispielsweise per Bahn, Schiff oder in Tanklastern mit einem Volumen von bis zu 50.000 Litern. Dieser Transport sei sicher möglich, so die Universität Augsburg, jedoch seien die Transportkosten von Flüssigwasserstoff per Schiff sehr hoch, auch der hohe Energieaufwand für die Kühlung ist ein Nachteil. Fast ein Drittel der transportierten Energie wird dafür aufgewendet, den Wasserstoff bei entsprechender Temperatur flüssig zu halten.

Wasserstoff in gebundener Form

Wasserstoff kann in Trägermaterialien wie Ammoniak oder Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) umgewandelt und eingebunden werden. Beide Methoden sind effizient für den Transport über lange Strecken, haben aber auch einige Nachteile.

Ammoniak erfordert beispielsweise wegen seiner Giftigkeit Besonderheiten im Transport. Außerdem, wenn Ammoniak nicht als solcher benutzt werden kann, sondern der Wasserstoff vor der Verwendung erst wieder freigesetzt werden muss, wird dazu zusätzliche Energie benötigt. Für den Transport von LOHC ist es aufgrund der chemischen Zusammensetzung möglich, auf bestehende Infrastruktur vom Transport von fossilen Brennstoffen wie Erdgas zurückzugreifen.

Nutzung von grünem Wasserstoff

Wohin wird der Wasserstoff schließlich transportiert und welche Anwendungsgebiete gibt es? Wasserstoff hat ein breites Anwendungsspektrum und kann in vielen Sektoren als grüner Wasserstoff zur Dekarbonisierung beitragen. Einerseits wird Wasserstoff als chemisches Element eingesetzt, um beispielsweise Düngemittel herzustellen oder Mineralöl zu raffinieren. Außerdem können Kraftwerke mit Wasserstoff gekühlt werden und grüner Wasserstoff ist einsetzbar, um Gebäude klimaneutral zu heizen.

Als Energiespeicher kann Wasserstoff ebenfalls in vielen Bereichen eingesetzt werden. Die im Wasserstoff mit Strom gespeicherte, elektrische Energie kann durch Brennstoffzellen wieder freigesetzt werden. Damit werden dann Autos, Züge oder andere Verkehrsmittel, aber beispielsweise auch Turbinen angetrieben.

Autos mit Brennstoffzelle, die mit Wasserstoff betrieben werden, sind Elektroautos. Beim Fahren reagiert der Wasserstoff in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff. Dabei wird Energie in Form von Strom frei, die dann den Elektromotor des Elektroautos antreibt.

Ausblick, Herausforderungen und Perspektiven

Wasserstoff ist ein zentraler Baustein für eine nachhaltige Zukunft der Energie, allerdings nur, wenn er aus erneuerbaren Energien gewonnen wird und nicht zum Treibhauseffekt beiträgt. Zentrale Probleme, die in Zukunft gelöst und optimiert werden müssen, sind die hohen Produktionskosten, die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom sowie der Transport.

Mit technologischen Fortschritten und politischen Weichenstellungen könnte grüner Wasserstoff in den kommenden Jahrzehnten eine Schlüsselrolle in einer klimaneutralen Welt spielen und die ersten Schritte dazu wurden bereits unternommen. Regierungen und Unternehmen weltweit arbeiten intensiv daran, diese Hindernisse zu überwinden. Förderprogramme, Investitionen in Forschung und Pilotprojekte beschleunigen die Entwicklung. Ziel ist es, die Produktionskapazitäten zu steigern und die Kosten zu senken, um grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig zu machen und die fossile Ära auch wirtschaftlich zu beenden.

Quellen: TÜV Nord – Herstellung von Wasserstoff // Uni Augsburg – Transport von Wasserstoff // WVGW – Wasserstofftransport // EWE – Wasserstoff // EnBW – Wasserstoffautos