Innovativer Energieträger

Zukunftstechnologie Wasserstoff

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein Gas, das auf der Erde reichlich vorhanden ist. Auch das Universum besteht zu einem Großteil aus Wasserstoff, die Sonne allein zu 50 Prozent und das restliche Universum zu etwa 50-70 Prozent der Masse. Auf der Erde ist Wasserstoff fast ausschließlich in chemischen Verbindungen wie Wasser, Säuren und Kohlenwasserstoffen vorzufinden. In seiner elementaren Form ist es nur in Spuren in der Erdatmosphäre und in vulkanischen Gasen zu finden.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff wird gewonnen, indem Wasser (H2O) in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H2) aufspaltet wird. Dieser Vorgang ist sehr energieintensiv und wird, wenn er mit Hilfe elektrischen Stroms erfolgt, als Wasserelektrolyse bezeichnet.

Wofür kann Wasserstoff verwendet werden – Power-to-X-Anwendungen

Wasseroff kann wieder in Strom umgewandelt und in die Stromnetze eingespeist werden. Mit diesem Vorgehen wird zum Beispiel die Speicherung von Überkapazitäten bei der Wind- und Solarenergie möglich, die dann später bei Bedarf ins Netz eingespeist werden können. Außerdem lassen sich mit Wasserstoff synthetische Kraftstoffe, E-Fuels oder Methan-Ersatz zum Heizen herstellen. Diese Anwendungen werden auch Power-to-X-Verfahren genannt.
Unter Power-to-X versteht man alle Verfahren, die Ökostrom, also grünen Strom in chemische Energieträger zur Stromspeicherung, in strombasierte Kraftstoffe zur Mobilität oder in Rohstoffe für die Chemieindustrie umwandeln. Auf klimafreundliche Art lässt sich mit Power-to-X beispielsweise Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge herstellen, aber auch Kerosin für Flugzeuge. Power bezeichnet die über dem Bedarf liegenden zeitweisen Stromüberschüsse und X steht für die Energieform oder den Verwendungszweck.
Unterteilt werden die Power-to-X-Technologien daher nach Verwendungszweck (z.B. Power-to-Fuel, Power-to-Chemicals oder Power-to-Ammonia) bzw. nach Energieform (Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Liquid).

Power-to-Gas

Als Power-to-Gas werden Technologien bezeichnet, bei denen mittels Wasserelektrolyse unter Einsatz elektrischen Stroms ein Brenngas entsteht, meistens Wasserstoff oder auch Ammoniak und Methan. Dieses Brenngas besitzt den Vorteil, dass es zur späteren Verwendung gespeichert werden kann. Es kann in Form von Treibstoff im Verkehr, bei Schwerlastfahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen eingesetzt werden, oder weiterverarbeitet werden zu chemischen Rohstoffen. Das Brenngas kann auch rückverstromt werden, nachdem es in Gaskraftwerken bzw. der Gasinfrastruktur zwischengespeichert wurde.

Power-to-Fuel

Hiermit wird im allgemeinen die strombasierte Herstellung von synthetischen Kraftstoffen für den Verkehr gemeint. Darunter fallen auch alle Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Verfahren, bei denen mittels erneuerbaren Energien strombasierte Brennstoffe oder flüssiger Treibstoff entsteht. Diese Kraftstoffe können zum Beispiel, eingesetzt in schlecht elektrifizierbaren Verkehrsmitteln wie Schiffen und Flugzeugen, einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrs leisten. Nachteilig ist ihr derzeit noch geringer Gesamtwirkungsgrad, da viel Energie benötigt wird bei der Gewinnung von synthetischen Kraftstoffen.

Power-to-Ammonia

Mit dem Power-to-Ammonia-Verfahren wird Energie chemisch in Form von Ammoniak gespeichert. Ammoniak ist ein Kohlenstoff-freier Brennstoff, der in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen kann. Zunächst wird Wasserstoff gewonnen und dann zusammen mit Stickstoff aus der Luft in einem Hochdruckreaktor über einen Katalysator Ammoniak hergestellt (Haber-Bosch-Verfahren). Das ganze Verfahren ist klimaneutral, wenn der Gewinnungsprozess durch Elektrolyse mittels erneuerbaren Energien erfolgt und auch im weiteren Verlauf nur erneuerbare Energien zum Einsatz kommen.
Umgewandelt in den Energieträger Ammoniak lässt sich erneuerbare Energie über Pipelines und Schiffe zu den großen Verbrauchszentren transportieren. Dort kann er nach Bedarf verbraucht werden und muss sich nicht an der schwankenden Erzeugung der erneuerbaren Energien orientieren.

Power-to-Chemicals

Mit Power-to-Chemicals werden aus (zumeist überschüssigen) erneuerbaren Energien über Wasserstoffelektrolyse und weitere Schritte chemische Rohstoffe erzeugt. Power-to-Chemicals basiert auf dem Power-to-Gas-Prinzip, bei dem aus erneuerbaren Energien mittels Elektrolyse von Wasserstoff ein Brenngas entsteht. Allerdings werden die erzeugten chemischen Produkte nicht zur Energiespeicherung eingesetzt, sondern für die stoffliche Weiterverarbeitung. So kann die Grundstoffproduktion der chemischen Industrie dekarbonisiert werden.

Power-to-Gas

Im klassischen Power-to-Gas-Verfahren wird erneuerbare Energie in chemische Energie umgewandelt und im verfügbaren Gasnetz in Form verschiedener Gase (meistens Wasserstoff oder auch Ammoniak und Methan) gespeichert. Dafür wird zunächst Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, mit Kohlenstoffdioxid weiterverarbeitet und ins Erdgasnetz eingespeist. Dieses Brenngas besitzt den Vorteil, dass es zur späteren Verwendung gespeichert werden kann. Es kann in Form von Treibstoff im Verkehr, bei Schwerlastfahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen eingesetzt werden, oder weiterverarbeitet werden zu chemischen Rohstoffen. Das Brenngas kann auch rückverstromt werden, nachdem es in Gaskraftwerken bzw. der Gasinfrastruktur zwischengespeichert wurde. Besonders sinnvoll ist der Einsatz dieser Technologie vor allem, wenn Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien vorhanden sind.
Ein regionales Beispiel ist die von den Stadtwerken Augsburg eingerichtete Power-to-Gas-Anlage in der Marconistraße in Augsburg.

Power-to-Heat

Bei Power-to-Heat-Verfahren wird aus erneuerbaren Energien Wärme für Warmwasser oder Heizungen erzeugt. Ziel dieses Prinzips, für das es mehrere technische Ansätze wie Elektrokessel und Wärmeheizpumpen gibt, ist es, überschüssige erneuerbare Energien für die Wärmebereitstellung zu verwenden und so die Nutzung fossiler Energieträger zu vermeiden. Die Power-to-Heat-Anlagen sind zumeist Hybridsysteme, bei denen ergänzend auch konventionelle Wärmeerzeuger wie Holz oder Erdgas zum Einsatz kommen. Bei Stromüberschüssen wird Wärme mit elektrischer Energie erzeugt.

Power-to-Liquid

Unter Power-to-Liquid -Konzept vereinen sich alle technischen Prozesse, bei denen aus erneuerbarer Energie flüssige Kraftstoffe und Chemikalien gewonnen werden. Mittels Elektrolyse wird Wasserstoff hergestellt (Power-to-Gas), der dann durch Anreicherung sowie weitere Raffinerieprozessschritte zu Brenn- und Kraftstroffen weiterverarbeitet wird. Diese Flüssigkeiten besitzen eine hohe Energiedichte und sind somit für energieintensive Anwendungen im Verkehrssektor wie bei Flugzeugen und Schiffen sinnvoll einsetzbar. Der Vorteil der flüssigen Kraftstoffe liegt in ihrer guten Transportfähigkeit.
Daneben gibt es noch das PBtL-Verfahren, bei dem neben Power-to-Liquid (PtL) auch Biomass-to-Liquid-Technologie (BtL) zum Einsatz kommt. Biomasse wird dazu verwendet, um CO2 anstatt aus fossilen Verbrennungsprozessen oder aus der Luft aus Biomasse zu gewinnen.

Was ist die Wasserstoff-Farbenlehre?

Wasserstoff gilt als ein vielversprechendes Lösungsmittel für einige Herausforderungen unserer Zeit wie zum Beispiel die Dekarbonisierung in Verkehr und Industrie und die bessere Nutzbarmachung von erneuerbarer Energie. So kann zum Beispiel überschüssige regenerative Energie in grünen Wasserstoff umgewandelt werden. Es gibt unterschiedliche Farben des Wasserstoffs, abhängig von der bei der Herstellung verwendeten Energie.
Grüner Wasserstoff – wird mittels Elektrolyse ausschließlich aus regenerativen Energien (Wind, Wasser, Sonne) erzeugt (CO2-freie Erzeugung), unabhängig von der Elektrolysetechnologie.
Grauer Wasserstoff – wird aus fossilen Energieträgern erzeugt, zum Beispiel mittels Dampfreformierung aus Erdgas, Wasserdampf und Wärme. Das dabei entstehende CO2 verstärkt als Abfallprodukt den Treibhauseffekt noch mehr.
Blauer Wasserstoff – hat den gleichen Herstellungsansatz wie grauer Wasserstoff. Das freigewordene CO2 wird aber unterirdisch gespeichert (CCS – Carbon Capture Storage) oder in industriellen Anwendungen weiterverarbeitet.
Türkiser Wasserstoff – Herstellung des Wasserstoffs durch Methanpyrolyse mittels Hochtemperaturreaktor. Wird dieser mit erneuerbaren Energien betrieben, ist türkiser Wasserstoff auch CO2-neutral.

Welche Einsatzgebiete für Wasserstoff gibt es?

Wasserstoff gilt aufgrund seiner Speicherfähigkeit für Energien als Hoffnungsträger der Energiewende. Er ist vielfältig einsetzbar, neben dem Verkehr auch in der chemischen Industrie und der Stahlbranche.
Folgende Einsatzgebiete lassen sich zusammenfassen:
  • Im Verkehrssektor, insbesondere im Fern- und Schwerlastverkehr, in der Schiff- und Luftfahrt, mittels Wasserstoff-Brennstoffzellen
  • Als Grundstoff für weitere gasförmige und flüssige synthetische Energieträger und Grundchemikalien
  • Für emissionsarme Fertigungsprozesse in der Industrie , zum Beispiel bei der Stahlerzeugung und Metallverarbeitung
  • In der Zement-, Glas- und Keramikherstellung in Kombination mit Kohlenstoffquellen

Wie funktioniert ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto?

Der konventionelle Verbrennungsmotor wandelt im thermodynamischen Prinzip Wärme in Bewegung um. Die Brennstoffzelle dagegen wandelt den Kraftstoff Wasserstoff direkt in elektrische Energie um, die dann in einem Elektromotor in Bewegung umgesetzt wird. Im Ergebnis entstehen neben Strom noch Wärme und Wasser, so dass das Brennstoffzellenauto lokal emissionsfrei fährt. Neben Wasserstoff kann auch Methanol als Energieträger zum Einsatz kommen. Der Tankvorgang ist vergleichbar mit dem bei herkömmlichen Kraftstoffen.

Welche Tankinfrastruktur für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge ist vorhanden?

Das Wasserstoff-Tankstellennetz in Deutschland ist noch im Aufbau. Anfang 2021 sind 90 Tankstellen eröffnet. In Schwaben gibt es derzeit eine Tankstelle in Derching. Deshalb fördert der Freistaat Bayern den Aufbau der Wasserstoff-Infrastruktur in einem ersten Schritt speziell für Sonderfahrzeuge und Busse.

Warum gilt ein Wasserstoff-Auto auch als Elektro-Fahrzeug?

Ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (fuel cell electric vehicle – fcev) besitzt ebenfalls einen Elektromotor. Das Batterie-Elektroauto (battery electric vehicle – bev) bezieht seine Energie aus einer Batterie, die Strom speichert und über das Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. Das Wasserstoffauto verwendet eine Brennstoffzelle, die im Auto aus in Hochdrucktanks mitgeführtem Wasserstoff Energie erzeugt. Diese erzeugte Energie geht aber selten direkt in den Elektromotor sondern wird ebenfalls zwischengespeichert in einer kleinen Batterie. Mittels dieser Batterie kann zusätzlich auch die Energie aus Rekuperation (im Bremsvorgang erzeugte Energie) teilweise zur Wiederaufladung verwendet werden.
Quellen: Wikipedia, BMBF, BMWI, Fraunhofer ISE, h2.live

Regionale Netzwerke

H2Connect.eco
HyStarter Ostallgäu
HyPUre Ulm / Neu-Ulm
HyAllgäu Kempten und Oberallgäu
1. Online-Treffen des Netzwerks Wasserstoff Schwaben am 11. Februar 2020

IHK-Links

Interview Dr. Alexander Kabza vom Zentrum für Solarenergie- und Wasserstoffforschung

Förderung von Wasserstoff-Tankstellen und -Nutzfahrzeugen in Bayern
Förderprogramme für Elektrofahrzeuge und -Infrastruktur