EP Basics: Grüner Wasserstoff Was ist eigentlich „Wasserstoffwirtschaft“?

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Wasserstoff soll künftig eine zentrale Rolle in der Energiewirtschaft spielen. Das Stichwort heißt „Hydrogen Economy“, deutsch Wasserstoffwirtschaft. Was steckt dahinter? Herausforderungen, Potenziale, Technologien und Einsatzszenarien.

Sogenannter grüner Wasserstoff soll möglichst bald als emissionsfreier Energieträger großflächig eingesetzt werden. „Grüner Wasserstoff ist das Erdöl von morgen. Der flexible Energieträger ist unverzichtbar für die Energiewende und eröffnet deutschen Unternehmen neue Märkte. Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie machen wir Deutschland zu einem globalen Vorreiter“, schreibt etwa das BMBF euphorisch auf seiner Website.

Grüner Wasserstoff wird zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt. Neben grünem Wasserstoff gibt es noch blauen und grauen Wasserstoff. Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt und hat einen hohen Treibhausgas-Ausstoß. Dieses Verfahren wird derzeit fast ausschließlich verwendet. Beim ebenfalls mithilfe von Erdgas produzierten blauen Wasserstoff wird der CO₂-Fußabdruck durch Sequestrierung (CCS, Carbon Capture and Storage, unterirdische Lagerung) neutralisiert.

Seit wann gibt es die Wasserstoffwirtschaft?

Die Vision der Wasserstoffwirtschaft reicht weit zurück. Die Anfänge gehen wohl auf den englischen Richter Sir William Grove (1811-1896) zurück, der 1839 herausfand, dass Wasser bei der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird und andersherum sich Elektrizität erzeugen lässt, wenn Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren – das Prinzip der Brennstoffzelle.

Jules Verne formuliert in seinem 1874 erschienenen Buch „Die geheimnisvolle Insel“ eine Idee der Wasserstoffwirtschaft: „Ich glaube, dass eines Tages Wasserstoff und Sauerstoff, aus denen sich Wasser zusammensetzt, … eine unerschöpfliche Quelle von Wärme und Licht bilden werden, stärker als Steinkohle.“

Den Begriff „Wasserstoffwirtschaft“ (englisch: hydrogen economy) prägte erstmals der australische Elektrochemiker John Bockris im Jahr 1970. Fünf Jahre später entwarf er gemeinsam mit dem Physiker Eduard Justi ein vollständiges Konzept der Wasserstoffwirtschaft.

In Deutschland regte 1980 der Physiker Reinhard Dahlberg ein Projekt zur Wasserstoffwirtschaft an, bei dem mit Sonnenenergie grüner Wasserstoff in Wüstengebieten erzeugt und über Pipelines zu den Verbrauchern transportiert wird.

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Drei Fragen an den Chemiker Dr. Kai Holtappels, Sprecher des Kompetenzzentrums H2Safety@BAM an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung.

Herr Holtappels, Wasserstoff gilt als Schüsselelement für die Transformation zur Klimaneutralität. Was macht ihn so wichtig?

Wasserstoff ist der Energieträger mit der höchsten auf die Masse bezogenen Energiedichte. Sein Einsatz ist daher insbesondere als Speichermedium in der Energieversorgung, aber auch als Kraftstoff im Verkehr interessant. Grüner Wasserstoff, also solcher, der mit Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt worden ist, verursacht keinerlei Emissionen an Treibhausgasen, ist also klimaneutral.

Welche Herausforderungen stellen sich aus Sicht der Materialwissenschaft?

Wasserstoff wird unter extremem Druck gespeichert. Auch sind seine Moleküle sehr klein und reaktiv und diffundieren daher in und durch Werkstoffe. Die Materialien für Leitungen, Schweißnähte und Speicheranlagen müssen also besonderen Beanspruchungen sicher und dauerhaft standhalten. Dazu forschen wir im Kompetenzzentrum H₂Safety@BAM. Darüber hinaus untersuchen wir alle Aspekte einer künftigen Wasserstoffwirtschaft. Etwa wie sich Wasserstoff sicher in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen lässt, wie Flüssigwasserstoff gefahrlos in Häfen umgeschlagen werden kann oder wie wir mit den Möglichkeiten der Digitalisierung die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wasserstofftankstellen erhöhen können.

Wo sehen Sie künftige Aufgaben?

Deutschland wird in den kommenden Jahren sehr große Mengen an Wasserstoff benötigen. Mit der Hochskalierung und der steigenden Anzahl an Anlagen und Systemen werden sich auch neue Fragen bezüglich der Sicherheit ergeben, z.B. bei großtechnischen Anlagen zur Wasserstofferzeugung, der Herstellung synthetischer Kraftstoffe oder dem Einsatz von Wasserstoff in der Stahlproduktion. Diese Fragen gilt es frühzeitig zu identifizieren, zu bewerten und gegebenenfalls die nötigen technologischen Anpassungen vorzunehmen. Der Energieträger Wasserstoff wird nur dann Akzeptanz finden, wenn die Menschen der Technologie vertrauen.

Hydrogen economy: Wie entsteht Wasserstoff-Elektrizität?

Durch Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann beispielsweise mittels Brennstoffzelle rückverstromt, also in Elektrizität umgewandelt werden, die direkt in das vorhandene Stromnetz eingespeist wird oder z.B. Elektromotoren antreibt. Der Wasserstoff bietet sich aber auch als Energiespeicher an, mit dem Überschussenergien aus Solar- und Windkraftanlagen gespeichert werden können (Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Mobility, Power-to-Liquids, Power-to-Valuables).

Wasserstoff-Technologien

Referenzfabrik.H2: Elektrolyseur- und Brennstoffzellenproduktion der Zukunft

Welche Einsatzmöglichkeiten sind denkbar?

Ein breiter Einsatz von Wasserstoff ist nur machbar, wenn die Kosten sinken. Laut der Analysten von Deloitte ist „Mit einem erheblichen Kostenrückgang durchaus zu rechnen, da Elektrizität aus erneuerbaren Energiequellen in Zukunft in großem Umfang verfügbar sein wird und auch die Kosten für die Elektrolyse durch den Skaleneffekt sinken.“

Nach Meinung der Analysten wird sich grüner Wasserstoff zuerst bei europäischen Konsumgüter-Herstellern etablieren. Ein Beispiel ist ein Auto aus „grünem Stahl“ (Stahl produziert mithilfe von rückverstromten Wasserstoff). Ein weiteres wären wasserstoffbetriebene Lkws für den Transport von Konsumgütern.

Mittel- bis langfristig würden auch industrielle Rohstoffe und Elektrizitätsbedarfe durch Wasserstoff dekarbonisiert werden, heißt es weiter.

Wie wird Wasserstoff gespeichert und transportiert?

Um Wasserstoff zu speichern und über größere Distanzen zu transportieren, kann er in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dabei entstehen wasserstoffhaltige Erdgasgemische mit Wasserstoffanteilen bis in den unteren zweistelligen Prozentbereich.

In Deutschland sind mehr als 500.000 km Erdgasleitungen verlegt, die Industrie und Haushalte mit Energie versorgen. Beim Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft soll hier statt Erdgas Wasserstoff in das vorhandene Verteilnetz eingeleitet werden, das zugleich als Speicher für den Energieträger dienen soll. Auch der Bau neuer Wasserstoff-Pipelines ist geplant.

Risse und Leckagen bei Gasrohrleitungen

Wasserstoff lässt sich ähnlich wie Erdgas transportieren; die Moleküle sind jedoch wesentlich kleiner und reaktiver, wodurch sie in metallische Werkstoffe diffundieren. Bei Stählen, die in der heutigen Infrastruktur verbaut sind, kann dies zu einer Versprödung führen. Mechanische Spannungen in den Gasrohren forcieren dann wasserstoffinduzierten Risse, die zu Leckagen führen können.

Deshalb werden die teils jahrzehntealten Rohrleitungen, Dichtungen und Verteilerstationen derzeit u.a. durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) sehr aufwendig getestet, ob sie überhaupt für den Transport von reinem Wasserstoff geeignet sind.

Effizientere Testmethoden für Werkstoffe

Die BAM hat hierfür eine neue Prüfmethodik entwickelt, die den „Markthochlauf von Wasserstoff“ deutlich beschleunigen soll. Das Team um Florian Konert, Wissenschaftler im Wasserstoff-Kompetenzzentrum der BAM, arbeitet daran, wie sich sich mögliche Schädigungen in Zukunft deutlich einfacher und kostengünstiger zeigen lassen.

Mit ihrer innovativen Prüftechnik wollen die Forscher ein Ranking von Werkstoffen je nach ihrer Eignung für den Wasserstoffeinsatz erstellen, darunter auch von Rohrleitungswerkstoffen im Erdgasverteilnetz. Die Ergebnisse können für Unternehmen, die Gasnetze betreiben oder die Komponenten für die Wasserstoffwirtschaft herstellen, eine wichtige Grundlage für die Beurteilung von Werkstoffen liefern und so die Umrüstung vorhandener oder den Aufbau neuer Anlagen beschleunigen.

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