Wasserstoffwissen

Wasserstoff ist das leichteste und häufigste Element im Universum. Es ist ein farbloses, geruchloses Gas, das als Energieträger genutzt werden kann. Im Gegensatz zu vielen anderen chemischen Stoffen ist Wasserstoff ungiftig und stellt bei Freisetzung in die Umwelt keine unmittelbare Gefahr dar. Allerdings kann Wasserstoff in geschlossenen Räumen gefährlich werden, da er Sauerstoff verdrängen kann, was zu Erstickungsgefahr führt. Bei einer Leckage in einem geschlossenen Raum besteht zudem Explosionsgefahr, da Wasserstoff hochentzündlich ist. Daher sind gute Belüftung und Lecküberwachung entscheidend, um die Sicherheit zu gewährleisten.  

Wasserstoff hat eine hohe gravimetrische Energiedichte (33,3 kWh/kg; Benzin: 12 kWh/kg), was ihn zu einem effizienten Energieträger macht. Seine volumetrische Energiedichte (2,8 kWh/m3 ; Benzin 9.000 kWh/kg) hingegen ist sehr niedrig. Deshalb muss er für praktische Nutzung komprimiert, verflüssigt oder chemisch gebunden werden – was hohen Energie- und Technikaufwand erfordert. Geeignete Transportträger für Wasserstoff sind z.B. Ammoniak und Methanol, die ein Vielfaches an Wasserstoff transportieren können, als reiner Wasserstoff.

Mit diesen Trägerstoffen, sogenannten Wasserstoffderivaten lassen sich große Energiemengen speichern und transportieren, was zum einen besonders für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge von Vorteil ist. Zum anderen machen sie den Wasserstoff dadurch aber auch attraktiv, mit ihm saubere Energie in großem Maßstab aus globalen Quellen zu importieren. So können der Ort der Wasserstoffherstellung mit Sonnenenergie (z.B. Elektrolyse im globalen Süden) sowie Ort und Zeit der Anwendung flexibel gestaltet und voneinander entkoppelt werden.

Er verbrennt mit Sauerstoff zu reinem Wasser. Somit entsteht im Wesentlichen sauberer Wasserdampf und hilft somit, klimaschädliche Emissionen fossiler Energie lokal zu vermeiden.

Wasserstoff ist hochentzündlich und kann in Verbindung mit Sauerstoff explosive Gemische bilden. Diese Eigenschaft erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen bei der Lagerung und Handhabung. Allerdings ist Wasserstoff nicht gefährlicher als andere brennbare Gase wie Erdgas oder Propan, wenn er unter kontrollierten Bedingungen gehandhabt wird. Er ist technisch sehr gut beherrschbar und wird seit vielen Jahren bereits in verschiedenen Industriezweigen genutzt.

Wasserstoff kann als Energieträger zur deutlichen Reduzierung von Treibhausgasemissionen beitragen, wenn er aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird, aber die Herstellung aus fossilen Brennstoffen kann weiterhin CO2-Emissionen verursachen.

Als Molekül selbst hat er folgenden Auswirkungen:

• Schnelle Diffusion: Wasserstoff ist das leichteste Element und diffundiert sehr schnell in die Atmosphäre. Bei einer Leckage verteilt sich Wasserstoff rasch und steigt aufgrund seiner geringen Dichte schnell auf. Dies reduziert die Gefahr der Ansammlung in bodennahen Bereichen, was im Vergleich zu schwereren Gasen wie Propan oder Erdgas ein Vorteil ist.
• Reaktionsfreudigkeit: Wasserstoff ist hochentzündlich und kann in Verbindung mit Sauerstoff explosive Gemische bilden. Bei einer Leckage besteht die Gefahr von Bränden oder Explosionen, insbesondere in geschlossenen oder schlecht belüfteten Räumen. Daher sind gute Belüftung und Lecküberwachung entscheidend.
• Umweltfreundlichkeit: Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen verursacht Wasserstoff bei einer Leckage keine direkten Umweltverschmutzungen wie Öl oder Benzin. Es entstehen keine toxischen Rückstände oder Bodenverunreinigungen.
• Keine Treibhausgaswirkung: Wasserstoff selbst ist kein Treibhausgas. Bei einer Leckage trägt Wasserstoff nicht direkt zur globalen Erwärmung bei. Allerdings ist es wichtig, die gesamte Produktionskette zu betrachten, da die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen CO2-Emissionen verursachen kann, wenn keine CO2-Abscheidung erfolgt.

Brennstoffzellen: Wasserstoff wird in Brennstoffzellen verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Dies ist besonders relevant für die Mobilität, die emissionsfrei betrieben werden soll. Aber auch stationäre Brennstoffzellen für die Energieerzeugung sind ein Anwendungsfall. Stichwort Sicherheit: Es gibt häufig Bedenken hinsichtlich der Sicherheit, da Wasserstoff ein hochentzündliches und flüchtiges Gas ist. Hier sind einige Punkte, die die Sicherheit von Wasserstoffsystemen unterstreichen:

• Moderne Sicherheitsstandards: Wasserstofffahrzeuge und Brennstoffzellen sind nach strengen Sicherheitsstandards entwickelt und getestet. Diese Standards stellen sicher, dass die Systeme auch unter extremen Bedingungen sicher funktionieren.
• Robuste Tanks: Wasserstoff wird in speziell entwickelten Drucktanks gespeichert, die extrem widerstandsfähig sind und hohen Sicherheitsanforderungen entsprechen. Diese Tanks sind so konstruiert, dass sie im Falle eines Unfalls intakt bleiben.
• Leck-Detektion: Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb sind mit fortschrittlichen Leckage-Detektionssystemen ausgestattet, die sofort auf Wasserstoffaustritt reagieren und entsprechende Sicherheitsmaßnahmen einleiten.
• Schnelle Diffusion: Wasserstoff ist sehr leicht und diffundiert schnell in die Atmosphäre, was die Gefahr einer Ansammlung und damit die Explosionsgefahr reduziert.
• Erprobte Technologie: Wasserstoff und Brennstoffzellen werden seit Jahrzehnten in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von der Raumfahrt bis zur Industrie, und haben sich als sicher und zuverlässig erwiesen.

Direktreduktion im Stahlsektor: Wasserstoff kann als Reduktionsmittel in der Stahlproduktion eingesetzt werden, um den Einsatz von Kohle zu ersetzen und die CO2-Emissionen erheblich zu reduzieren.

Chemische Industrie: Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff in der chemischen Industrie, wo er zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen Chemikalien verwendet wird.

Energieerzeugung: Wasserstoff kann z.B. in angepassten Gasturbinen oder Gemischen mit Erdgas verbrannt werden. Das macht ihn zu einer flexiblen und emissionsarmen Energiequelle. Aber: Effizienzverluste sind hierbei hoch (Strom wird umgewandelt in → H₂ wird verbrannt und dabei (wieder) in → Strom umgewandelt). Ganz Emissionsfrei ist Wasserstoff als Brennstoff auch nicht. So können je nach Verfahren unterschiedlich starke NOₓ-Emissionen entstehen. Deshalb ist Wasserstoff eher als Backup-Lösung oder in speziellen Anwendungsfällen sinnvoll, nicht als Dauerlösung der Energieerzeugung.

Speicherung von erneuerbarer Energie: Wasserstoff kann als Speichermedium für überschüssige erneuerbare Energie genutzt werden, indem er durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird. Diese Energie kann später wieder in Strom umgewandelt werden, wenn die Stromnachfrage nicht durch erneuerbare Quellen wie Wind und PV gedeckt werden kann.

Erzeugung von Prozesswärme: In der Industrie kann Wasserstoff anteilig den Brennern beigemischt werden. Dadurch kann Wasserstoff in energieintensiven Branchen eingesetzt werden, bis es zu einer kompletten Umstellung auf Wasserstoff kommt.

Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser, Dampfreformierung von Erdgas oder durch thermochemische Prozesse hergestellt werden. Wird bei der Wasserstoffelektrolyse erneuerbare Energie (z.B. Wind-, Sonnen- oder Wasserkraft) verwendet, spricht man von grünem Wasserstoff. Bei den meisten anderen Herstellungsverfahren ist es daher wichtig, das entstehende CO2 aufzufangen und dauerhaft zu speichern, um auch hier nachhaltigen Wasserstoff zu erhalten.

Die Farbenlehre beschreibt die Herkunft des Wasserstoffs: Grüner Wasserstoff wird aus erneuerbaren Energien hergestellt, blauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen mit CO2-Abscheidung, und grauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen ohne CO2-Abscheidung. Hier eine Übersicht aller „Farben“:

• Grüner Wasserstoff:

  Herstellung: Durch Elektrolyse wird Wasser (H2O) unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten.

  CO2-Emissionen: Keine direkten CO2-Emissionen, da die Energiequellen erneuerbar sind.

• Blauer Wasserstoff:

  Herstellung: Aus fossilen Brennstoffen, meist Erdgas, durch sogenannte Dampfreformierung. Das dabei entstehende CO2 wird abgeschieden und gespeichert (vgl. Carbon Capture and Storage [CCS]).

  CO2-Emissionen: Die CO2-Emissionen werden reduziert, da das CO2 abgeschieden und gespeichert wird, aber nicht vollständig eliminiert.

• Grauer Wasserstoff:

  Herstellung: Aus fossilen Brennstoffen, meist Erdgas, durch Dampfreformierung ohne CO2-Abscheidung.

  CO2-Emissionen: Hohe CO2-Emissionen, da das CO2 nicht abgeschieden wird.

• Türkiser Wasserstoff:

  Herstellung: Durch Methanpyrolyse, bei der Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt wird.

  CO2-Emissionen: Keine direkten CO2-Emissionen, da der Kohlenstoff in fester Form vorliegt und nicht als CO2 freigesetzt wird.

• Brauner oder Schwarzer Wasserstoff:

  Herstellung: Aus Kohle durch Vergasung oder andere Prozesse. Findet aber nicht im industriellen Maßstab statt.

  CO2-Emissionen: Sehr hohe CO2-Emissionen, da Kohle ein kohlenstoffreicher Brennstoff ist und keine CO2-Abscheidung erfolgt.

• Roter Wasserstoff

  Herstellung: Durch thermochemische Prozesse wird Wasserstoff unter Nutzung von Kernenergie hergestellt. Dabei wird die Wärme aus Kernreaktoren verwendet, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

  CO2-Emissionen: Die Herstellung von rotem Wasserstoff ist nahezu CO2-frei, da die Energiequelle Kernkraft keine direkten CO2-Emissionen verursacht. Allerdings gibt es Umweltbedenken hinsichtlich der Entsorgung von radioaktiven Abfällen und der Sicherheit von Kernkraftwerken.

• Weißer Wasserstoff:

  Herstellung: Weißer Wasserstoff bezieht sich auf natürlich vorkommenden Wasserstoff, der ohne menschliches Zutun in geologischen Formationen existiert. Er wird also nicht durch industrielle Prozesse hergestellt. Weißer Wasserstoff ist ein vielversprechender Energieträger aufgrund seiner potenziell CO2-freien Gewinnung. Trotz seines Potenzials ist die kommerzielle Nutzung und Verbreitung von weißem Wasserstoff derzeit begrenzt. Dies liegt hauptsächlich an der schwierigen Erschließung, mangelnder Infrastruktur wenig Forschung & Entwicklung sowie regulatorischer und wirtschaftlicher Herausforderungen.

  CO2-Emissionen: Da weißer Wasserstoff natürlich vorkommt und nicht durch industrielle Prozesse erzeugt wird, sind keine direkten CO2-Emissionen mit seiner Gewinnung verbunden. Die Herausforderung liegt in der (kosteneffiziente) Erschließung und Nutzung dieser natürlichen Vorkommen.

Wasserstoffderivate sind chemische Verbindungen, die aus Wasserstoff hergestellt werden oder Wasserstoff als wesentlichen Bestandteil enthalten. Diese Derivate werden oft genutzt, um Wasserstoff zu speichern, zu transportieren oder in verschiedenen industriellen Prozessen zu verwenden, denn sie transportieren größere Mengen Wasserstoff pro Volumeneinheit als reiner Wasserstoff selbst. Zu den gängigsten Derivaten gehören Ammoniak und Methanol, die als Transportmittel für Wasserstoff oder als Rohstoffe in der chemischen Industrie verwendet werden.

Brennstoffzellen, Wasserstoffverbrennungsmotoren (mit deutlich reduzierten Emissionen im Vergleich zum Betrieb mit fossilen Kraftstoffen) und Wasserstoffturbinen sind einige der Technologien, die zur Nutzung von Wasserstoff als Energieträger eingesetzt werden können. In der grünen Stahlproduktion wird er als CO2-freier Brennstoff anstelle von Kohle/Koks genutzt. Weiterhin wird er zur Herstellung von Ammoniak (z.B. Düngemittelindustrie), Methanol (Kraftstoff oder chemische Industrie) oder als Kühlmittel verwendet.

Zu den Hauptakteuren gehören Energieunternehmen, Technologieentwickler, Regierungen, Investoren, Betreiber und Endverbraucher verschiedener Sektoren. Die Wertschöpfungskette im H2-Markt ist im Wesentlichen Energieerzeugung (zur Herstellung von Wasserstoff), Wasserstoffherstellung, Speicherung, Transport, Anwendung.

Wasserstoff wird als Schlüsselkomponente der Energiewende betrachtet, da er zur Dekarbonisierung von Industrie und Transport beitragen kann und die Integration erneuerbarer Energien unterstützt.

Grüner Wasserstoff ist derzeit in der Regel noch teurer als grauer oder blauer Wasserstoff, da die Herstellungskosten für erneuerbare Energien höher sind. Für die anderen Farben liegen keine verlässlichen Preisangaben vor, da die Technologien noch in der Entwicklung sind, oder nicht weit verbreitet, oder noch gar nicht kommerziell erschlossen sind.

Wasserstoff muss preislich mit fossilen Brennstoffen konkurrieren können, was eine Senkung der Produktionskosten durch technologische Fortschritte und Skaleneffekte erfordert. Der Preis für Wasserstoff kann heute stark variieren, abhängig von der Produktionsmethode und den Marktbedingungen. Im Allgemeinen lag der Preis für Wasserstoff in Deutschland in den letzten Jahren zwischen 5–6 Euro in der Industrie sowie 8–15 Euro pro Kilogramm an HRS (Hydrogen Refuelling Stations, also Wasserstofftankstellen), wobei grüner Wasserstoff tendenziell teurer ist als grauer oder blauer Wasserstoff. Um wettbewerbsfähig zu sein, insbesondere im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, wird angestrebt, die Kosten für grünen Wasserstoff auf etwa 2 bis 3 Euro pro Kilogramm (6 Euro an Tankstellen) zu senken. Dies erfordert technologische Fortschritte und Skaleneffekte in der Produktion und Infrastruktur, die weiter durch Anreize für Hersteller und Anwender gestärkt werden muss.

Außerdem sollten Förderprogramme reaktiviert und neu aufgelegt werden, um die Investitionen in Wasserstoff attraktiver zu machen. Des Weiteren muss grüner Strom günstiger werden, denn der Strompreis ist der wichtigste Kostenfaktor bei der Elektrolyse. Dadurch kann der notwendige Aufbau der Infrastruktur rechtzeitig zum Hochlauf gelingen und Wasserstoff dann fossile und durch CO2-Zertifikate notwendigerweise teurer gewordene fossile Energieträger ausstechen.

Investitionen in Wasserstoff lohnen sich, da die Technologie ausgereift ist und die Nachfrage steigt. Perspektivisch sind Wasserstoffinvestitionen sinnvoll, da er Bestandteil der zukünftigen Energielandschaft (weltweit) werden wird. Interessante Bereiche sind die Produktion, Speicherung, Transport und Anwendung in der Industrie und im Transportwesen.

Wasserstoff ist ein sehr flüchtiges und leicht entzündliches Medium und erfordert spezielle Tanks und Infrastrukturen für sicheren Transport und Lagerung, was zusätzliche Kosten und technische Herausforderungen mit sich bringt.

Sektorenkopplung bezieht sich auf die Integration und Vernetzung verschiedener Energiesektoren – wie Strom, Wärme und Mobilität – um die Effizienz zu steigern und die Nutzung erneuerbarer Energien zu maximieren. Durch die Sektorenkopplung wird Wasserstoff als Energieträger genutzt, um überschüssige erneuerbare Energie zu speichern und bei Bedarf in anderen Sektoren zu verwenden. Dies ermöglicht eine flexible und nachhaltige Energieversorgung, indem es die Grenzen zwischen den Sektoren aufhebt und eine ganzheitliche Energienutzung fördert. Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle in der Sektorenkopplung, da er als Bindeglied zwischen Stromerzeugung, industrieller Nutzung und Mobilität fungiert.

Deutschland nimmt eine führende Rolle im Wasserstoffmarkt ein, sowohl in Bezug auf die Entwicklung von Technologien als auch auf die politischen Rahmenbedingungen:

1. Import/Export: Deutschland ist bestrebt, eine Wasserstoffwirtschaft aufzubauen, die sowohl auf heimischer Produktion als auch auf Importen basiert. Aufgrund begrenzter Kapazitäten für erneuerbare Energien im Inland wird Deutschland voraussichtlich 70 % Wasserstoff aus Ländern mit reichlich erneuerbaren Ressourcen importieren. Gleichzeitig investiert Deutschland in die Entwicklung von Exportkapazitäten für Wasserstofftechnologien und Know-how.
2. Politische Rahmenbedingungen: Deutschland hat mehrere Initiativen und Gesetze eingeführt, um die Wasserstoffwirtschaft zu fördern. Dazu gehört das Wasserstoffbeschleunigungsgesetz, das darauf abzielt, die Entwicklung und den Einsatz von Wasserstofftechnologien zu beschleunigen. Dieses Gesetz soll Investitionen in Infrastruktur, Forschung und Entwicklung unterstützen und Anreize für die Industrie schaffen, Wasserstoff als Energieträger zu nutzen.

Sollten Sie nach dieser FAQ-Liste noch Fragen haben, die hier unbeantwortet geblieben sind, oder Sie mehr in die Tiefe gehen wollen, sprechen Sie uns gerne an. Kontakt: wasserstoff@hydrohub.de oder direkt an Manuel Frinke (frinke@energy-engineers.de) oder Friederike Ferdinand (ferdinand@energy-engineers.de)