Wasserstoff-Technologien Grüner Wasserstoff: Traum oder Wirklichkeit?

Von Patrick Le Fèvre *

„Ich glaube, dass Wasser eines Tages als Brennstoff genutzt wird. Wasser, in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, wird zur unerschöpflichen Energiequelle werden“ schrieb Jules Verne 1874.

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Die autonome Solar-Wasserstoff-Tankstelle im schwedischen Mariestad: ein gutes Beispiel für ein Projekt, das auch in größerem Maßstab umgesetzt werden könnte – sogar zur Erzeugung von Wasserstoff für andere Verkehrsmittel.
Die autonome Solar-Wasserstoff-Tankstelle im schwedischen Mariestad: ein gutes Beispiel für ein Projekt, das auch in größerem Maßstab umgesetzt werden könnte – sogar zur Erzeugung von Wasserstoff für andere Verkehrsmittel.
(Bild: PRBX / Mariestad Municipality)

In seinem Roman „Die geheimnisvolle Insel“ entwirft Jules Vernes die Vision, dass sich durch die Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser eine unerschöpfliche Energiequelle für künftige Generationen erschließen lässt. Saubere Energie aus Wasser zu gewinnen ist also schon seit über einem Jahrhundert ein Traum der der Menschheit. Seitdem wird über die zivile Nutzung von Wasserstoff debattiert, und die Zahl an Artikeln, Konferenzen und Bekanntmachungen zum Thema ist schier unermesslich.

Der Ansatz der Wasserstoffenergie in der Leistungselektronik entspricht weitgehend der Vision von Jules Verne: Wasserstoffenergie wird durch die Elektrolyse von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen und dann mithilfe einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung eingesetzt. Tatsächlich werden weltweit jedoch weniger als vier Prozent des produzierten Wasserstoffes durch Elektrolyse gewonnen, gegenüber 94 Prozent aus fossilen Ressourcen (hauptsächlich Kohle und Gas) und nur zwei Prozent aus Biomasse und anderen Quellen.

70 Prozent des weltweit generierten Wasserstoffs werden aus Methan gewonnen. Das am stärksten verbreitete industrielle Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Dampfreformierung, bei der die für die Reaktion erforderliche Wärme durch Hochtemperaturdampf (700 bis 1.000 °C) zugeführt wird. Wird das dabei freigesetzte CO₂ nicht abgeschieden und gespeichert, führt das Verfahren zu einem immensen Volumen an Treibhausgasemissionen. Die weltweite Wasserstoffproduktion ist Schätzungen zufolge für die Freisetzung von rund 830 Millionen Tonnen pro Jahr Kohlendioxid in die Atmosphäre verantwortlich.

Vor diesem Hintergrund wird die Frage, ob es wirklich „grünen“ Wasserstoff geben kann, kontrovers diskutiert. Doch die Entwicklungen deuten darauf hin, dass wir Jules Vernes Vision immer näherkommen werden.

Das Farbspektrum des Wasserstoffs

Zum besseren Verständnis der verschiedenen Produktionsmethoden und ihrer jeweiligen Umweltauswirkungen hat man sich in der Industrie auf eine Farbcodierung geeinigt. In der Praxis treten dabei vor allem die vier Hauptkategorien „brauner“, „grauer“, „blauer“ und „grüner“ Wasserstoff auf. Gelegentlich gibt es darüber hinaus noch Unterkategorien, so wird beispielsweise der Wasserstoff, der in kernkraftbetriebenen Elektrolyseuren erzeugt wird, auch als „rosa Wasserstoff“ bezeichnet. Dies ist jedoch eher ein Einzelfall als eine de facto Abgrenzung.

Brauner oder schwarzer Wasserstoff aus Kohle

Brauner oder schwarzer Wasserstoff ist der nach Farbcodierung Wasserstoff, der durch Vergasung aus Kohle gewonnen wird. Bei diesem Verfahren wird das kohlenstoffhaltige Material – Braunkohle bei braunem, Schwarzkohle bei schwarzem Wasserstoff – in eine Mischung aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Die Vergasung erfolgt ohne Verbrennung bei sehr hohen Temperaturen (>700 °C) mit einer kontrollierten Menge an Sauerstoff und/oder Dampf. In einer so genannte Wassergas-Shift-Reaktion reagiert dabei das Kohlenmonoxid mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Das so erzeugte Gas wird als Synthesegas bezeichnet. Da weder das CO₂ noch das Kohlenmonoxid wiederverwendet werden und stattdessen in die Atmosphäre freigesetzt werden, ist dieses Verfahren jedoch in hohem Maße umweltschädlich.

Grauer Wasserstoff, z. B. aus Methan-Dampfreformierung

Grauer Wasserstoff macht heute den größten Teil der Produktion aus: Mehr als 70 Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs wird als derzeit grauer Wasserstoff eingestuft. Das gängigste Herstellungsverfahren ist die Methan-Dampfreformierung (SMR). Bei diesem Verfahren reagiert Wasserdampf unter hohem Druck mit Methan, wobei Wasserstoff und das Treibhausgas CO₂ entstehen. Pro Kilogramm Wasserstoff werden dabei etwa 9,3 kg CO₂ erzeugt. Dies ist zwar weniger ist als bei braunem Wasserstoff, bedeutet aber dennoch eine beträchtliche Umweltbelastung, wenn es in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Blauer Wasserstoff mithilfe der CO₂-Sequestrierung

Wird das bei den oben vorgestellten Verfahren anfallende CO₂ mittels industrieller CO₂-Sequestrierung (CCS) abgeschieden und unterirdisch gelagert, so spricht man von blauem Wasserstoff. Die CO₂-Sequestrierung reduziert die umweltschädlichen Auswirkungen des Herstellungsprozesses, macht ihn allerdings auch teurer und weniger effizient als herkömmliche Verfahren. Blauer Wasserstoff gilt als wichtiger Schritt in der Energiewende hin zu grünem Wasserstoff, und der Großteil der neuen Produktionsanlagen unterliegt strengen Kontrollen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen. Trotz erheblicher Verbesserungen im Vergleich zu braunem und grauem Wasserstoff können jedoch 10 bis 20 Prozent des entstehenden CO₂ nicht abgeschieden werden und geraten in die Atmosphäre.

Grüner Wasserstoff durch Wasserelektrolyse

Weltweit werden weniger als vier Prozent der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse gewonnen, auch wenn dies die bei weitem bekannteste Methode ist. Viele erinnern die Wasserelektrolyse vielleicht noch aus dem Chemieunterricht: Mit Hilfe von Elektrizität werden H₂O-Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Als grün wird der so gewonnene Wasserstoff dann bezeichnet, wenn der für die Elektrolyse nötige Strom aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wurde. Dies trifft auf weniger als ein Prozent der weltweiten Wasserstoffproduktion zu. Kerntechnologie des grünen Wasserstoffs sind die Elektrolyseure. Sie erreichen seit Jahrzehnten einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 73 Prozent (zum Vergleich: Der Wirkungsgrad beim Dampfreformierungsverfahren beträgt etwa 65 Prozent). Eine zentrale Rolle spielt dabei natürlich die Stromversorgung: Durch eine Effizienzsteigerung bei der Stromversorgung lassen sich Energieverbrauch und Kosten der Wasserelektrolyse deutlich senken. Weltweit arbeiten Entwickler intensiv daran, einen Umwandlungswirkungsgrad von 95 Prozent zu erreichen – und dieses Ziel liegt tatsächlich in erreichbarer Nähe.

Wasserstoff in Europa: der Status quo

Wir alle sind uns der Herausforderungen bewusst, vor die uns der Klimawandel stellt und denen wir mit dem Pariser Abkommen zu begegnen suchen. Am 12. Dezember 2015 von 196 Vertragsparteien auf der COP 21 in Paris angenommen, ist das ratifizierte Pariser Abkommen am 4. November 2016 in Kraft getreten. Es setzt unter anderem darauf, die Entwicklung von Technologien und den Technologietransfer in vollem Umfang zu nutzen, um auf der einen Seite die Resilienz gegenüber dem Klimawandel zu erhöhen und auf der anderen Seite die Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Auch der im Dezember 2019 von der Europäischen Kommission vorgestellte European Green Deal ist eine Reaktion auf die Herausforderung des Klimawandels. Ziel des Green New Deal ist es, Gerechtigkeit und Wohlstand in der EU zu steigern und eine moderne, ressourceneffiziente und wettbewerbsfähige EU-Wirtschaft zu gestalten, in der es im Jahr 2050 keine Nettoemissionen von Treibhausgasen gibt (Bild 1). Auch in der Corona-Pandemie wirkt der European Green Deal als Rettungsanker. Ein Drittel der Investitionen in Höhe von 1,8 Billionen Euro, die aus dem Konjunkturprogramm „NextGenerationEU“ und dem Siebenjahreshaushalt der EU stammen, fließen in die Finanzierung des European Green Deal.

Zahlreiche Initiativen wurden gestartet, um die Ziele des European Green Deal zu erreichen, darunter die Entwicklung und Umsetzung einer „Wasserstoffstrategie für ein klimaneutrales Europa“. Im Juli 2020 legte die EU-Kommission ihre Strategie zum sauberen Wasserstoff vor: Bis 2024 sollen demnach mindesten sechs Gigawatt an Elektrolyseur-Kapazität für erneuerbaren Wasserstoff in der EU installiert und dieser Umfang bis 2030 auf mindestens 40 Gigawatt gesteigert werden. Über die kommenden Jahre will die EU so grünen Wasserstoff zur praktisch umsetzbaren Lösung für die Dekarbonisierung verschiedener Sektoren machen.

Zur Unterstützung dieser Strategie ist eine grenzüberschreitende Koordinierung zwischen Behörden, Industrie, Zivilgesellschaft und Forschungsgemeinschaft wichtig. Es wurden daher eine Reihe von Allianzen gebildet, die Synergien und die Umsetzung von Strategien erleichtern.

Die Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff

Als Teil der neuen Industriestrategie für Europa wurde im Juli 2020 die Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff (ECH2A). Sie ist Teil der Wasserstoffstrategie für ein klimaneutrales Europa.

Die Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff zielt auf die Entwicklung und den Einsatz von Wasserstoff als praktikablen und wettbewerbsfähigen Energieträger in Europa ab. Die Allianz unterstützt die Umsetzung der Wasserstoffstrategie für ein klimaneutrales Europa, indem sie auf die Entwicklung einer vollständigen und zugänglichen EU-weiten Wasserstoff-Wertschöpfungskette hinarbeitet. Erreicht werden soll dies unter anderem durch eine Investitionsagenda und eine Projektpipeline sowie durch die Mobilisierung von Ressourcen und Maßnahmen zur Installation von Elektrolyseuren für erneuerbaren Wasserstoff, um die oben genannten Ziele von sechs Gigawatt bis 2024 bzw. 40 Gigawatt bis 2040 zu erreichen.

Im April 2021 lud die EU-Kommission sämtliche mehr als 1000 Mitglieder der Europäischen Allianz für sauberen Wasserstoff ein, Projekte für erneuerbare und kohlenstoffarme Wasserstofftechnologien und -lösungen einzureichen. Für das zweite Europäische Wasserstoffforum, das im Juni 2021 stattfand, wurden daraufhin 1.052 Projekte eingereicht, von denen 997 die Förderkriterien erfüllten. Diese Zahl spiegelt das sehr große Engagement der europäischen Industrie wider, die Entwicklung von Wasserstoff in Europa zu beschleunigen.

Das gemeinsame Unternehmen FCH JU der EU

Da die Entwicklung effizienter Elektrolyseure hohe Priorität genießt, hat die Europäische Kommission bereits 2003 die Gründung der Europäischen Plattform für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie gefördert. Ziel der Plattform ist es, die öffentliche und private Forschung zu vernetzen und Initiativen zur Beschleunigung der Entwicklung effizienter Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien zu schaffen.

Aus dieser Initiative heraus gründete der Rat der Europäischen Union im Mai 2008 das Gemeinsame Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff (FCH JU). Die öffentlich-private Partnerschaft soll einen Beitrag zur Umsetzung des Siebten Rahmenprogramms leisten, insbesondere zu den Forschungsbereichen „Energie“, „Nanowissenschaften, Nanotechnologien, Werkstoffe und neue Produktionstechnologien“, „Umwelt (einschließlich Klimawandel)“ und „Verkehr (einschließlich Luftfahrt)“, die alle zum Spezifischen Programm „Kooperation“ zählen.

Unter den zahlreichen Projekten und Initiativen ist besonders eine Studie hervorzuheben, die von den Gemeinsamen Unternehmen Clean Sky 2 und Fuel Cells & Hydrogen 2 in Auftrag gegeben wurde und den möglichen Einsatz von Wasserstoff in der Luftfahrt untersucht. Wasserstoff in der Luftfahrt einzusetzen erfordert ein hohes Maß an technischer Innovation und eine neue Infrastruktur, wird aber als großer Fortschritt zur Verringerung der CO₂-Emissionen im Luftfahrtsektor angesehen. Der Flugzeughersteller Airbus hat sich an der Studie beteiligt und verfolgt das Ziel, bis 2035 das erste emissionsfreie Verkehrsflugzeug der Welt zu entwickeln (Bild 2).

Wasserstoff ist auf dem Vormarsch

Schritt für Schritt, langsam aber sicher, wird grüner Wasserstoff Wirklichkeit, und die Zahl der installierten Elektrolyseure nimmt rasch zu. Auch wenn sich an dieser Stelle nicht alle Projekte aufzählen lassen, bieten die folgende zwei Beispiele eine Vorstellung davon, was bereits möglich ist und realisiert wird.

Das Mariestad ElectriVillage in Südschweden

Die südschwedische Gemeinde Mariestad am Ufer des Vänernsees hat ein Konzept zur Schaffung eines nachhaltigen Energieökosystems auf der Grundlage von erneuerbaren Energien und Wasserstoff entwickelt. Das ursprüngliche Projekt umfasste eine große Anzahl an Solarmodulen zum Betrieb von Elektrolyseuren, die Wasserstoff für eine autonome Tankstelle für Autos und Nutzfahrzeuge erzeugen. Die vielfältigen Möglichkeiten dieser Technologie ließen sich auch weiter ausloten. So könnte die Tankstelle den gespeicherten Wasserstoff auch zur Versorgung einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung nutzen. Der Sauerstoff, der beim Spaltprozess in den Elektrolyseuren entsteht, wird aufgefangen und für medizinische, industrielle oder landwirtschaftliche Anwendungen gespeichert. Die autonome Tankstelle ist ein gutes Beispiel für ein Projekt, das auch in größerem Maßstab umgesetzt werden könnte – im Falle der Tankstelle sogar zur Erzeugung von Wasserstoff für andere Verkehrsmittel wie Nahverkehrszüge (Bild 3).

Deutschland: Europas größte PEM-Elektrolyseanlage

Als Teil des europäischen REFHYNE-Konsortiums und mit EU-Förderung durch das Gemeinsame Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff (FCH JU) wurden im Energie- und Chemiepark von Shell im rheinländischen Wesseling die größten europäischen PEM-Wasserelektrolyseure in Betrieb genommen. Die Elektrolyseure werden mit erneuerbarem Strom bis zu 1.300 Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr produzieren. Eine Erweiterung der Elektrolyseur-Kapazität von 10 auf 100 Megawatt ist bereits in Planung (Bild 4).

Diese beiden Beispiele vermitteln einen Eindruck von der Bandbreite der europäischen Wasserstoffinitiativen. In Anbetracht der großen Anzahl vergleichbarer Projekte und Initiativen lässt sich behaupten, dass Europa eine führende Rolle bei der Energiewende und der Dekarbonisierung der Industrie übernommen hat.

Europa ist auf dem richtigen Weg zur Klimaneutralität

Nach jahrzehntelangem Interesse an Wasserstoff haben wir nun endlich eine neue Dimension erreicht. Das europäische Wasserstoff-Engagement reicht nun schon mehr als 20 Jahre zurück, und der European Green Deal fördert die Forschung, die Zusammenarbeit und die Nutzung von Wasserstoff. Europa hat ohne Zweifel wichtige Schritte unternommen, um das für 2050 gesetzte Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Und auch andere Länder treiben ihre Wasserstoffstrategien voran. In den USA werden auf Initiative von Präsident Joe Biden wichtige Aktivitäten gestartet. So gab das US-Energieministerium am 7. Juli 2021 Investitionen in Höhe von 52,5 Millionen Dollar in 31 Projekte zur Entwicklung in Wasserstofftechnologien der nächsten Generation bekannt. Unter anderem soll so die kürzlich angekündigte Hydrogen Energy Earthshot-Initiative des Energieministeriums finanziert werden, deren Ziel es ist, die Kosten im Bereich des sauberen Wasserstoffs zu senken und Durchbrüche zu beschleunigen. Dies sind eindeutige Anzeichen dafür, dass Wasserstoff ein wichtiger Bestandteil der US-Strategie zur Energiewende ist.

Jules Verne Vision wird Wirklichkeit

Wasserstoff ist also kein Traum mehr. Jules Verne Vision wird Wirklichkeit werden: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

* Patrick Le Fèvre ist Chief Marketing and Communications Officer bei Powerbox International AB in Hägersten, Schweden.

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