Wasserstoff: Herstellung & Verwendung

In der Industrie wird Wasserstoff schon lange genutzt – etwa zur Produktion von Düngemitteln oder zur Raffination von Mineralöl. Im Zuge der Energiewende rücken zunehmend auch andere Bereiche und Anwendungsmöglichkeiten in den Fokus.

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff gibt es auf der Erde in ausreichenden Mengen. Das Gas tritt jedoch in der Regel chemisch gebunden auf. Um Wasserstoff als Energieträger nutzen zu können, muss er zunächst unter Energiezufuhr von größeren Verbindungen abgespalten werden. Das kann durch die sogenannte Dampfreformierung, d.h. die thermische Aufspaltung organischer Verbindungen, durch Methanpyrolyse oder durch Elektrolyse von Wasser geschehen. Vielen ist die Elektrolyse vielleicht noch aus dem Schulunterricht bekannt: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. 

Je nach Verfahren, den dabei eingesetzten Energieträgern und entstehenden CO₂-Emissionen wird das Gas als grüner, blauer, türkiser und grauer Wasserstoff bezeichnet. Tatsächlich handelt es sich bei Wasserstoff aber immer um ein farbloses Gas. 

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser. Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff kommt der Strom ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen. Es wird kein CO2 freigesetzt – grüner Wasserstoff ist klimaneutral.

Die Herstellung von grünem Wasserstoff steht in Deutschland noch am Anfang und ist noch nicht wirtschaftlich. Der Wirkungsgrad unterscheidet sich je nach Verfahren – annähernd liegt er bei 75 %. Indem beispielsweise die Abwärme in die Wärmenetze eingespeist wird, könnte zumindest ein Teil der Verluste kompensiert werden.

Grauer Wasserstoff

Grau ist Wasserstoff dann, wenn er nicht CO2-neutral hergestellt wird. Das betrifft sowohl Wasserstoff, der elektrolytisch mit fossil erzeugtem Strom gewonnen wird, als auch Wasserstoff, der über die Dampfreformierung entsteht.

Die Dampfreformierung ist derzeit das wirtschaftlichste Verfahren, um Wasserstoff herzustellen, und wird häufig in der Industrie eingesetzt. Der Wasserstoff wird dabei mithilfe von Wasserdampf von fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Kohle abgespalten. Als Nebenprodukt entstehen jedoch große Mengen an CO2: Pro Tonne Wasserstoff werden etwa zehn Tonnen CO2 frei, die direkt in die Atmosphäre entweichen. Verbessern lässt sich die Klimabilanz durch die Verwendung von Biomasse als Ausgangsstoff: Es wird dann nur so viel CO2 freigesetzt, wie die Pflanzen während ihres Wachstums aufgenommen haben.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff über die Dampfreformierung gewonnen. Das entstehende CO2 gelangt dabei jedoch nicht in die Atmosphäre, sondern wird abgeschieden und aufgefangen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von dekarbonisiertem Wasserstoff. Das CO2 könnte dann als Rohstoff in der Industrie genutzt oder dauerhaft gespeichert werden. Derzeit laufen verschiedene Pilot- und Testprojekte zur „Carbon Capture and Storage“-Technik, kurz CCS. Dabei wird das CO2 in frühere Öl- und Gaslagerstätten oder in tiefliegenden geologischen Strukturen eingelagert. Das Verfahren ist bei Experten jedoch umstritten: Zum einen seien die Langzeitfolgen der Speicherung noch nicht bekannt, zum anderen können Leckagen der Gaslagerstätten negative Folgen nach sich ziehen.

Die Bilanz von blauem Wasserstoff wird zusätzlich durch die Emissionen getrübt, die bei der Förderung und beim Transport der Ausgangsstoffe entstehen. Diese Emissionen lassen sich nur vermeiden, wenn für die Bereitstellung der Ausgangsstoffe auf fossile Energieträger verzichtet wird. Statt Erdgas ließe sich beispielsweise auch Biogas nutzen.

Türkiser Wasserstoff

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff ist die Methanpyrolyse. Dabei wird Methan (CH4) – vorwiegend in Form von Erdgas – unter Sauerstoffausschluss thermisch gespalten. Es entstehen Wasserstoff und fester Kohlenstoff (Karbonpulver). 

Damit die Methanpyrolyse klimaneutral ist, müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein:

• Die Reaktoren oder Hochöfen, in denen Methan gespalten wird, werden mit erneuerbaren Energien betrieben.
• Der feste Kohlenstoff muss dauerhaft gebunden werden.

Der Vorteil des Verfahrens: Fester Kohlenstoff lässt sich leichter speichern als CO2. Er kann entweder unterirdisch gelagert oder in der Industrie bzw. im Straßenbau verwendet werden. Zudem benötigt die Methanpyrolyse nur ein Fünftel der Energie, die für die Elektrolyse von Wasser gebraucht wird. Bisher wurde die Methanpyrolyse jedoch nur in Laborversuchen durchgeführt. 

Weitere Farbbezeichnungen von Wasserstoff

Mitunter findet man im Internet und in der Fachpresse weitere Farbbezeichnungen für Wasserstoff: Pinker Wasserstoff wird elektrolytisch mithilfe von Atomstrom gewonnen. Gelb ist Wasserstoff dann, wenn er aus einer Kombination aus erneuerbaren und fossilen Energien hergestellt wird. Und weißer Wasserstoff fällt als Nebenprodukt in chemischen Prozessen an.

Verwendung von Wasserstoff

Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar und kann fossile Energieträger in verschiedenen Bereichen ersetzen:

• Mobilität: Mithilfe der Brennstoffzellentechnologie lässt sich Wasserstoff als Antrieb für Fahrzeuge nutzen. Vor allem dort, wo Elektrofahrzeuge nicht nutzbringend eingesetzt werden können, ist Wasserstoff eine Alternative – etwa im öffentlichen Nahverkehr, im Gütertransport, in der innerbetrieblichen Logistik, im Schienen- oder im Seeverkehr. Von Vorteil sind die große Reichweite und die kurze Tankdauer. Mehr zum Thema gibt es im Artikel Wasserstoff- vs. Elektroauto.
• Industrie: Wasserstoff kann anstelle von Erdgas zur Herstellung von Ammoniak oder Methanol genutzt werden. Aus diesen Grundstoffen lassen sich Kraftstoffe, Düngemittel oder auch Kunststoffe herstellen. In großen Kraftwerken kann Wasserstoff zudem als Kühlmittel und zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Die ersten Pilotprojekte zur Dekarbonisierung der Stahlindustrie laufen bereits.
• Wärme- und Stromproduktion: Für die Versorgung mit Wärme und Strom gibt es bereits zahlreiche Technologien, die auf der Basis regenerativer Energien arbeiten – etwa Photovoltaik, Solarthermie oder Wärmepumpen. Diese sind energieeffizienter und kostengünstiger als Wasserstoff. Dennoch ist es möglich, Brennstoffzellenheizungen einzusetzen – etwa in modernen Quartieren. Sie versorgen die Gebäude gleichzeitig mit Strom und Wärme. Zudem läuft in den Niederlanden ein Pilotprojekt, bei dem eine Gasturbine mit Wasserstoff betrieben wird. In der Region ist bereits eine ausgedehnte Infrastruktur vorhanden.
• Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom: Wind- und Sonnenenergie sind volatil, das heißt sie erzeugen nicht immer gleich viel Strom. Mit Wasserstoff könnten Versorgungslücken ausgeglichen werden. Kommt es zu einer Überproduktion, werden die regenerativen Energieüberschüsse genutzt, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Welche Potenziale die Speicherung und Umwandlung von regenerativ erzeugtem Strom für die Energiewende bietet, wird im Artikel zur Sektorenkopplung thematisiert.