WASSERSTOFF
Anmerkung: Diese Kategorisierung von Wasserstoff in Farben stellt keine offizielle Definition dar. Die Farben dienen lediglich als nützliche Unterscheidung, um die Herstellungs- und Umweltaspekte des Wasserstoffs zu veranschaulichen und prägnant zu benennen. Die Klassifizierung von Wasserstoff hinsichtlich potenzieller Einsatzgebiete erfolgt anhand anderer Kriterien wie beispielsweise der Reinheit.
Alkalische Elektrolyse: Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige Lösung von Natronlauge (Natriumhydroxid, NaOH) oder Kalilauge (Kaliumhydroxid, KOH) als Elektrolyt verwendet. Das Verfahren umfasst eine Elektrolysezelle, die aus einer Anode (positiver Pol) und einer Kathode (negativer Pol) besteht, die in die Elektrolytlösung eingetaucht sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung spaltet sich das Wasser auf: An der Anode werden Sauerstoffmoleküle (O2) freigesetzt, während an der Kathode Wasserstoffmoleküle (H2) entstehen. Die alkalische Elektrolyse zeichnet sich durch ihre lange Geschichte und den Einsatz von kostengünstigen Materialien aus, erfordert jedoch eine hohe Betriebstemperatur und ist weniger effizient als die PEM-Elektrolyse.
PEM-Elektrolyse: Bei der PEM-Elektrolyse wird eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwendet. Die Membran ermöglicht den Durchtritt von Protonen (H+) vom Anodenraum zum Kathodenraum, während sie den Durchtritt von Elektronen verhindert. Die Elektrolysezelle besteht aus einer wasserstoffseitigen Anode und einer sauerstoffseitigen Kathode, zwischen denen sich die PEM-Membran befindet. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt die Aufspaltung des Wassers: An der Anode werden Protonen und Elektronen erzeugt. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen einen externen elektrischen Stromkreislauf durchlaufen. An der Kathode kombinieren sich die Protonen, Elektronen und Sauerstoffmoleküle, um Wasserstoff zu bilden. Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch eine höhere Effizienz, schnellere Reaktionszeiten und eine geringere Betriebstemperatur aus. Das umgekehrte Prinzip kommt bei der Brennstoffzellen-Technologie zum Einsatz. Die im Wasserstoff chemisch gespeicherte Energie wird auf diese Weise in elektrische zurück gewandelt.
Bei der Herstellung von Wasserstoff unter Verwendung von erneuerbarem Strom (= grüner Wasserstoff) entstehen bei dessen Nutzung nur minimale oder im besten Fall keine Treibhausgasemissionen. Im Gegensatz dazu ist die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Gas, Öl und Kohle weltweit die Hauptquelle für Treibhausgasemissionen. Die Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen stärkt zudem die Energiesicherheit in Deutschland.
Wasserstoff - Die Grundlagen
- Was ist Wasserstoff?
- Nachhaltiger Energieträger der Zukunft?
- Wasserstoff und seine “Farben”
- Einsatzgebiete
- Wie Wasserstoff erzeugt wird und wieso er besser ist als fossile Brennstoffe
- Wasserstofferzeugung im eigenen Unternehmen
- Wasserstoff-bezogene Fördermittel
- Ihr Mitwirken ist gefragt: Landesweite Wasserstoff-Bedarfsabfrage!
Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist das Element mit dem leichtesten Atom und steht an erster Stelle des Periodensystems der Elemente. Das Element tritt hauptsächlich in chemischen Verbindungen wie Wasser. Säuren und Kohlenwasserstoffen auf. In seiner Reinform kommt Wasserstoff in der Natur nicht vor. Da die Abtrennung von Wasserstoff aus Molekülen Primärenergie erfordert, wird er als Sekundärenergie betrachtet. Wasserstoff ist farblos, geruchlos und geschmacklos. Ein Kilogramm (komprimierter) Wasserstoff hat einen Energiegehalt von 33 kWh. Zum Vergleich: Ein Liter Diesel hat einen Energiegehalt von 10 kWh.
Nachhaltiger Energieträger der Zukunft?
Wasserstoff ermöglicht die langfristige Speicherung großer Energiemengen sowie auch den sicheren und wirtschaftlichen Transport über weite Strecken. Durch die Nutzung von Wasserstoff kann es gelingen, die Industrie sowie den Transportsektor klimaneutral zu gestalten und unabhängig von fossilen Energieträgern zu werden. In einer Zeit, in der der Anteil fluktuierender erneuerbarer Energien stetig zunimmt, kann Wasserstoff zukünftig einen entscheidenden Beitrag zur Stabilität und Sicherheit der Energieversorgung leisten und der Wohlstandssicherung des Industriestandorts Nordschwarzwald dienen.
Der globale Markt für innovative Wasserstofftechnologien wächst dynamisch und eröffnet dadurch neue Beschäftigungsmöglichkeiten und Absatzmärkte. Gleichzeitig trägt er zum globalen Wirtschaftswachstum bei. Als universeller Energieträger spielt sauberer Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen in Sektoren, die sich nicht oder nur schwer auf erneuerbare Stromquellen umstellen lassen.
Der globale Markt für innovative Wasserstofftechnologien wächst dynamisch und eröffnet dadurch neue Beschäftigungsmöglichkeiten und Absatzmärkte. Gleichzeitig trägt er zum globalen Wirtschaftswachstum bei. Als universeller Energieträger spielt sauberer Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen in Sektoren, die sich nicht oder nur schwer auf erneuerbare Stromquellen umstellen lassen.
Wasserstoff und seine “Farben”
Obwohl es sich bei Wasserstoff um ein farbloses Gas handelt, gibt es verschiedene "Farben" von Wasserstoff. Diese werden genutzt, um Unterschiede in der Herstellung und dem Umwelteinfluss der Varianten zu benennen. Die gebräuchlichsten Farben sind grauer, blauer und grüner Wasserstoff:
- Grauer Wasserstoff wird durch den Einsatz von fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas in beispielsweise dem sog. “Reforming” (Dampfreformierung) hergestellt. Bei diesem Prozess entsteht Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukt, wodurch grauer Wasserstoff als kohlenstoffintensiv und demnach als nicht klimaneutral gilt. Es ist derzeit die am weitesten verbreitete Art der Wasserstoffproduktion, aber auch die Umwelt belastendste. Aber auch Wasserstoff, der in Elektrolyseuren mit Strom aus dem allgemeinen Stromnetz hergestellt wird, wird teilweise als grauer Wasserstoff bezeichnet. Denn auch hier werden noch fossile Energieträger für die Stromerzeugung genutzt.
- Blauer Wasserstoff wird -wie auch der graue Wasserstoff- aus fossilen Brennstoffen hergestellt, jedoch wird hierbei das anfallende CO2 erfasst und unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage, kurz CCS), anstatt in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Bei dieser Variante kommt es damit zu keinerlei CO2-Emissionen, womit sie daher umweltfreundlicher als grauer Wasserstoff ist. Diese Speicherung ist jedoch sehr energieintensiv und die Sicherheit der potenziellen “CO2-Endlager” nicht erwiesen.
- Grüner Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt, bei der Wasser ausschließlich mithilfe von erneuerbaren Energien, wie Wind- oder Solarenergie, in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Grüner Wasserstoff erzeugt somit keine CO2-Emissionen und gilt als die sauberste Form von Wasserstoff. Er hat das Potenzial, eine nachhaltige Alternative zu anderen Energieträgern zu sein und eine zentrale Rolle bei der Dekarbonisierung unterschiedlichster (Wirtschafts-)Sektoren zu spielen. Derzeit ist der Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland jedoch nicht ausreichend, um den Bedarf an grünem Wasserstoff abzudecken.
Je nach dem zugrundeliegenden Erzeugungsprozesses und zum Einsatz kommenden Energieträger werden Wasserstoff jedoch noch weitere Farben zugeschrieben. Wird als Energieträger Kohle eingesetzt, ist von braunem Wasserstoff die Rede. Pinker Wasserstoff wird hingegen durch Elektrolyse mittels elektrischer Energie aus Atomkraft hergestellt. Bei der Produktion von gelbem Wasserstoff werden sowohl erneuerbare als auch fossile Energieträger verwendet und fällt der Wasserstoff als “Abfallprodukt” chemischer Verfahren an, so bezeichnet man diesen als weißen Wasserstoff.
Anmerkung: Diese Kategorisierung von Wasserstoff in Farben stellt keine offizielle Definition dar. Die Farben dienen lediglich als nützliche Unterscheidung, um die Herstellungs- und Umweltaspekte des Wasserstoffs zu veranschaulichen und prägnant zu benennen. Die Klassifizierung von Wasserstoff hinsichtlich potenzieller Einsatzgebiete erfolgt anhand anderer Kriterien wie beispielsweise der Reinheit.
Einsatzgebiete
Wasserstoff wird derzeit in verschiedenen Bereichen eingesetzt, doch sein Anteil an der Gesamtenergieversorgung ist im Vergleich zu anderen Energieträgern noch relativ gering.
In der Industrie wird Wasserstoff als Rohstoff und chemischer Bestandteil für verschiedene Prozesse wie beispielsweise der Herstellung von Raffinerieprodukten eingesetzt. In der Stahlindustrie soll Wasserstoff den Einsatz von Kohle ersetzten. Im Mobilitätssektor soll Wasserstoff überall dort zum Einsatz kommen, wo der Einsatz von Elektro-Antrieben nicht sinnvoll bzw. Nicht möglich ist. So könnten zukünftig LKW, Schiffe oder Flugzeuge angetrieben werden.
In der Industrie wird Wasserstoff als Rohstoff und chemischer Bestandteil für verschiedene Prozesse wie beispielsweise der Herstellung von Raffinerieprodukten eingesetzt. In der Stahlindustrie soll Wasserstoff den Einsatz von Kohle ersetzten. Im Mobilitätssektor soll Wasserstoff überall dort zum Einsatz kommen, wo der Einsatz von Elektro-Antrieben nicht sinnvoll bzw. Nicht möglich ist. So könnten zukünftig LKW, Schiffe oder Flugzeuge angetrieben werden.
Wie Wasserstoff erzeugt wird und wieso er besser ist als fossile Brennstoffe
Die Elektrolyse ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch die Aufspaltung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mithilfe von Elektrizität. Es gibt zwei gängige Arten der Elektrolyse: die alkalische Elektrolyse und die PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane oder Protonen-Austausch-Membrane).
Alkalische Elektrolyse: Bei der alkalischen Elektrolyse wird eine wässrige Lösung von Natronlauge (Natriumhydroxid, NaOH) oder Kalilauge (Kaliumhydroxid, KOH) als Elektrolyt verwendet. Das Verfahren umfasst eine Elektrolysezelle, die aus einer Anode (positiver Pol) und einer Kathode (negativer Pol) besteht, die in die Elektrolytlösung eingetaucht sind. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung spaltet sich das Wasser auf: An der Anode werden Sauerstoffmoleküle (O2) freigesetzt, während an der Kathode Wasserstoffmoleküle (H2) entstehen. Die alkalische Elektrolyse zeichnet sich durch ihre lange Geschichte und den Einsatz von kostengünstigen Materialien aus, erfordert jedoch eine hohe Betriebstemperatur und ist weniger effizient als die PEM-Elektrolyse.
PEM-Elektrolyse: Bei der PEM-Elektrolyse wird eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwendet. Die Membran ermöglicht den Durchtritt von Protonen (H+) vom Anodenraum zum Kathodenraum, während sie den Durchtritt von Elektronen verhindert. Die Elektrolysezelle besteht aus einer wasserstoffseitigen Anode und einer sauerstoffseitigen Kathode, zwischen denen sich die PEM-Membran befindet. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt die Aufspaltung des Wassers: An der Anode werden Protonen und Elektronen erzeugt. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathode, während die Elektronen einen externen elektrischen Stromkreislauf durchlaufen. An der Kathode kombinieren sich die Protonen, Elektronen und Sauerstoffmoleküle, um Wasserstoff zu bilden. Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch eine höhere Effizienz, schnellere Reaktionszeiten und eine geringere Betriebstemperatur aus. Das umgekehrte Prinzip kommt bei der Brennstoffzellen-Technologie zum Einsatz. Die im Wasserstoff chemisch gespeicherte Energie wird auf diese Weise in elektrische zurück gewandelt.
Bei der Herstellung von Wasserstoff unter Verwendung von erneuerbarem Strom (= grüner Wasserstoff) entstehen bei dessen Nutzung nur minimale oder im besten Fall keine Treibhausgasemissionen. Im Gegensatz dazu ist die Verbrennung von fossilen Brennstoffen wie Gas, Öl und Kohle weltweit die Hauptquelle für Treibhausgasemissionen. Die Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen stärkt zudem die Energiesicherheit in Deutschland.
Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff finden Sie auch im Faktenpapier Wasserstoff des DIHK.
Wasserstofferzeugung im eigenen Unternehmen
Sie planen Ihre dezentrale Produktion von Wasserstoff? Mit diesem kostenlosen, gemeinsamen Angebot der Technischen Hochschule Köln (TH Köln) und des Cologne Institute for Renewable Energy können Sie den Bau eines PEM-Elektrolyseurs planen und in wenigen Schritten eine erste Produktabschätzung erhalten: Zum kostenlosen Elektrolyse-Rechner.
Wasserstoff-bezogene Fördermittel
Unter folgendem Link gelangen Sie zu einer Übersicht für Wasserstoff-bezogene Förderprogramme: Zur Übersicht.
Ihr Mitwirken ist gefragt: Landesweite Wasserstoff-Bedarfsabfrage!
Beteiligen Sie sich bis zum 19.08.2023 unter folgendem Link an der landesweiten Wasserstoffbedarfsabfrage und leisten Sie Ihren Beitrag auf dem Weg zu einer starken Wasserstoffregion Nordschwarzwald: Wasserstoff für Baden-Württemberg: Bedarfsmeldung (h2-fuer-bw.de).
Wichtiger Hinweis: Diese Bedarfsabfrage hat einen indikativen Charakter und stellt damit keine verbindliche Bestellung dar. Bei Fragen rund um die Bedarfsmeldung nutzen Sie gerne das Kontaktformular der Plattform H2BW unter Kontakt (plattform-h2bw.de) oder setzen Sie sich direkt mit uns in Verbindung.