Wasserstoff-FAQs
Wir beantworten häufig gestellte Fragen zu Wasserstoff (H2) in unseren FAQs mit Daten & Fakten.
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Was ist grauer, blauer und grüner Wasserstoff?
Die Produktion von Wasserstoff wird häufig in Farbkategorien unterteilt. Man spricht auch von der „Farbenlehre“ der Wasserstoffproduktion. Die geläufigsten sind „grüner“, „blauer“ und „grauer“ Wasserstoff.
„Grüner“ Wasserstoff wird entweder mittels Elektrolyse aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt oder aber durch thermochemische oder biologische Konversionsverfahren aus Biomasse gewonnen.
Die Quelle von „blauem“ Wasserstoff sind fossile Brennstoffe. Jedoch wird bei der Produktion von blauem Wasserstoff kein oder nur sehr wenig CO2 in die Atmosphäre abgegeben. Das entstandene CO2 wird entweder gelagert (carbon capture and storage, CCS), weiterverwendetet (carbon capture and utlisation, CCU) oder durch die Anwendung von Pyrolyseverfahren gar nicht erst produziert. Bei der Pyrolyse entsteht fester Kohlenstoff, der eingelagert oder ggf. weiterverarbeitet werden kann. Man spricht in diesem Zusammenhang teilweise auch von „türkisem“ Wasserstoff.
Als „grau“ wird Wasserstoff bezeichnet, der durch Dampfreformierung – beziehungsweise partielle Oxidation von fossilen Kohlenwasserstoffen (in Deutschland fast ausschließlich Erdgas) – gewonnen wird. Dabei werden, je nach eingesetztem Brennstoff, zwischen zehn und 19 Tonnen klimaschädliches CO2 pro Tonne H2 emittiert. Die Produktion von grauem Wasserstoff ist aktuell weltweit für etwa 830 Millionen Tonnen CO2-Emissionen (2,4% der globalen anthropogenen Emissionen) verantwortlich.
Wie viel Wasser wird benötigt um 1 kg Wasserstoff im Elektrolyseverfahren herzustellen?
Für die Herstellung von einem 1 kg Wasserstoff werden 9 Liter Wasser benötigt.
Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto ca. 100 km zurücklegen.
Zum Vergleich: Der Wasserbedarf für die Herstellung von Benzin variiert stark je nach Förderverfahren. In den USA wurde der Wasserbedarf für Onshore-Anlagen auf 2,8 – 6,6 Liter pro Liter Benzin ermittelt. Das entspricht einem Wasserverbrauch von 19,6 – 46,2 Liter auf einer Strecke von 100 km (Verbrauch 7 Liter pro 100 km).
Ist Wasserstoff gesundheitsschädigend?
Wasserstoff ist ein nicht-toxisches Gas. Es ist nicht giftig und hat weder Geschmack noch Geruch. Die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle produziert weder kohlenstoffhaltige Abgase (wie z.B. das Treibhausgas CO2) noch entstehen bei der energetischen Verwertung in einer Brennstoffzelle Feinstaub oder Stickoxide. Bei der Verwertung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle entsteht neben Strom und Abwärme nur Wasser als Reaktionsprodukt.
Lediglich bei der Verbrennung von Wasserstoff in Wärmekraftmaschinen, wie Otto-Motoren oder Gasturbinen, können Stickoxide entstehen. Durch eine erhöhte Luftzufuhr für das Luft-Wasserstoff-Gemisch im Verbrennungsprozess kann man die Bildung von Stickoxiden allerdings fast vollständig verhindern oder diese aus dem Abgas (Wasserdampf und Luft) durch geeignete Verfahren abtrennen.
Wie viele Wasserstofftankstellen gibt es aktuell in Deutschland?
Die Zahl der Wasserstofftankstellen in Deutschland wächst stetig. Derzeit existieren etwa 80 Tankstellen im Bundesgebiet. Die aktuellen Zahlen sowie die Verteilung der Standorte finden Sie auf der folgenden Website: www.h2.live
Welche Rolle kann Wasserstoff im Mobilitätssektor spielen?
Wasserstoff kann als Kraftstoff (Wasserstoffmotor) oder als Brennstoff (Brennstoffzellen-Antriebe mit H2 oder wasserstoffbasierten Brennstoffen) eine prominente Rolle bei der Senkung der Nettotreibhausgasemissionen in der Mobilität einnehmen.
Wasserstoffmobilität erlaubt höhere Reichweiten, schnellere Betankung und eine deutlich höhere Betriebsdauer im Vergleich zur batterieelektrischen Mobilität. Damit entspricht die wasserstoffbasierte Mobilität überwiegend dem heutigen Nutzerverhalten und ist im Besonderen für Anwendungsfälle geeignet, in denen heute Dieselmotoren zum Einsatz kommen: Antriebe für Schiffe, Züge, Lkws, Busse, Bau- und Forstmaschinen, landwirtschaftliche Maschinen, Langstrecken-Pkws etc. Dabei ist der Übergang zwischen batterie- und wasserstoffbasierten Technologien fließend und muss je nach Anwendungsfall angepasst werden. Die Wasserstoffmobilität soll hierbei nicht in Konkurrenz zur batterieelektrischen Mobilität stehen, sondern eine sinnvolle Ergänzung im Mobilitätssektor darstellen.
Neben dem Einsatz von elementarem Wasserstoff, kann dieser auch chemisch gebunden werden und somit synthetische Kraftstoffe hergestellt werden. Die sogenannten Synfuels eigenen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte vor allem für den Langstreckenflugverkehr oder den Überseeschiffsverkehr.
Abbildung: Die verschiedenen Antriebstechnologien schließen sich nicht gegenseitig aus. Je nach Gewicht und Fahrstrecke kommen die Vorteile unterschiedlicher Technologien zum Tragen. Grafik in Anlehnung an: Hydrogen Council. How hydrogen empowers the energy transition; 2017.
Wie kann Wasserstoff gespeichert werden?
In reiner Form kann Wasserstoff gasförmig verdichtet in Drucktanks oder tiefkalt als Flüssigkeit in isolierten Behältern gespeichert werden. Darüber hinaus kann er chemisch gebunden werden und in Form von synthetischen Kraftstoffen oder LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) gespeichert werden. Auf diese Weise kann der gebundene Wasserstoff auch unter Normalbedingungen in gebräuchlichen Tanks für Erdöl und dessen Folgeprodukte gespeichert werden.
Als stationäre Wasserstoffspeicher für gasförmigen Wasserstoff und chemisch gebundenen Wasserstoff kommen darüber hinaus auch bestehende unterirdische Poren- bzw. Salzkavernenspeicher in Frage, die aktuell für die Speicherung von Erdgas und Erdöl genutzt werden.
Welche Rolle kann Wasserstoff im Industriesektor spielen?
Im Industriesektor kann grüner Wasserstoff in vielen Bereichen zur Dekarbonisierung über den stofflichen Einsatz oder als Brennstoffersatz für fossile Brennstoffe beitragen.
Bereits heute wird Wasserstoff in vielen Prozessen eingesetzt. Der größte Verbraucher ist dabei die Petrochemie (33%), wo das Gas in großen Mengen zur Hydrierung, zum Hydrocracken und zur Entschwefelung konventioneller Kraftstoffe in Raffinerien eingesetzt wird. Darüber hinaus ist die Synthese von Grundstoffen wie Ammoniak (27%) oder Methanol (11%) ein weiterer Großverbraucher. Andere Anwendungsgebiete sind die beispielsweise die Flachglasherstellung, die Fetthärtung oder die Produktion von Halbleitern. In einem zukünftigen, nachhaltigen Szenario können diese Wirtschaftsbereiche durch die Nutzung klimaneutralen Wasserstoffs dekarbonisiert werden.
Darüber hinaus kann Wasserstoff zukünftig auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen er heute noch keine Nutzung findet. So kann beispielsweise in der Stahlproduktion die Eisenerzreduktion durch Koks ersetzt werden durch eine Direktreduktion mit Wasserstoff. Gleiches gilt für die Herstellung verschiedener organischer Grundstoffe, die heute aus fossilen Ressourcen wie Erdöl und Erdgas hergestellt werden und in Zukunft durch CO2 und erneuerbaren Wasserstoff produziert werden können.
Die Industrie benötigt in verschiedenen Prozessen sehr hohe Temperaturen (>400 °C), die aktuell vorwiegend durch Verbrennung fossiler Kohlenwasserstoffe wie Kohle, Öl oder Erdgas erzeugt werden. Einige Anwendungen lassen sich zwar elektrifizieren, vor allem großtechnische Prozesse wie Steamcracker und Zementöfen stellen jedoch weiterhin eine Herausforderung für eine reinelektrische Beheizung dar. Diese Anlagen müssen dauerhaft zur Verfügung stehen und können nicht je nach Stromangebot dynamisch betrieben werden. Wasserstoff oder wasserstoffbasierte Brennstoffe erscheinen hier als interessante Brennstoffe, gegebenenfalls in hybridisierter Form zusammen mit einer elektrischen Beheizung.
Welche Rolle kann Wasserstoff in der Stromerzeugung spielen?
Die Umstellung unseres Stromsystems auf fluktuierende Erneuerbare Energien erfordert den Einsatz von Stromspeichern. Für große Mengen und lange Zeiträume sind Wasserstoff und wasserstoffbasierte Speicher die optimalen Systeme. Leistung und Energie lassen sich dabei unabhängig voneinander skalieren. Die Speicherung großer Mengen an Energie ist mit chemischen Speichersystemen besonders günstig, was wasserstoffbasierte Anwendungen zur saisonalen Speicherung prädestiniert. Hierfür wird in Zeiten eines Stromüberschusses Wasserstoff mittels Elektrolyse erzeugt und gespeichert. Wird elektrische Energie benötigt, kann dieser Wasserstoff in Brennstoffzellen oder Gasturbinen wieder rückverstromt werden. Die gute Transportierbarkeit von Wasserstoff und seinen Folgeprodukten schafft darüber hinaus Versorgungssicherheit für ein zunehmend auf volatilen Erzeugern basierendes System.
Können wir den zukünftigen Bedarf an Wasserstoff in Bayern vollständig selbst decken?
Der bayerische Wasserstoffbedarf wird in Zukunft erheblich steigen. Dabei muss der Wasserstoff nachhaltig und CO2-reduziert hergestellt werden. Für die Produktion von grünem Wasserstoff aus Wasserelektrolyse oder Biomassekonversion sind die Ressourcen jedoch limitiert. Der zu erwartende Wasserstoffbedarf kann daher nicht vollständig von der heimischen Produktion gedeckt werden. Dies liegt unter anderem daran, dass Bayerns Potenzial für Erneuerbare Energien verglichen mit anderen Regionen eher gering ausfällt. Obwohl zu erwarten ist, dass Bayern mittel- und langfristig Importeur von grünem Wasserstoff wird, ist auch die Erzeugung von Elektrolyse-Wasserstoff vor Ort unerlässlich, um Technologiekompetenz aufzubauen und zu demonstrieren.
Wie hoch sind die Treibhausgasemissionen verschiedener Mobilitätskonzepte über den Lebenszyklus?
Die Abbildung unten zeigt die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) verschiedener Antriebsformen über die gefahrenen Kilometer. Betrachtet wurde dabei der komplette Produktlebenszyklus von der Herstellung über den Betrieb bis hin zur Entsorgung.
Erkennbar ist, dass sowohl batterie- als auch wasserstoffelektrische PKW aufgrund ihrer Herstellung zunächst einen höheren THG-Fußabdruck aufweisen als der konventionelle Verbrenner. Mit steigender Gesamtfahrleistung steigen die THG-Emissionen aller Fahrzeuge an. Dabei unterscheidet sich die Steigung der Kurven stark in Abhängigkeit vom eingesetzten „Kraftstoff“. Geht man von einem batterielektrischen Fahrzeug (BEV, Battery Electric Vehicle), geladen mit dem aktuellen deutschen Strommix, aus, so ist die kilometerspezifische Zunahme der THG-Emissionen größer, als wenn der PKW ausschließlich mit Solarstrom geladen wird.
Ähnlich verhält es sich bei wasserstoffbetrieben Konzepten. Wird das wasserstoffelektrische Fahrzeug (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle) ausschließlich mit grauem Wasserstoff aus Erdgas betankt, so liegen die THG-Emissionen nach 200.000 km deutlich über denen eines Fahrzeugs, welches ausschließlich mit grünem Wasserstoff betankt wurde. Dennoch sind die Emissionen sämtlicher alternativen Antriebsformen spätestens bei etwa 160.000 km kleiner als die Emisisonen des mit konventionellem Diesel betankten PKWs.
Daraus ergibt sich, dass der Einsatz von alternativen Antriebsformen bereits heute einen positiven Einfluss auf die THG-Emissionen des Mobilitätssektors hat. Dieser positive Einfluss steigt direkt mit dem Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix und dem Einsatz von CO2-reduziertem Wasserstoff in der Mobilität. Der bereits jetzt vorteilhafte Effekt von alternativen Antrieben auf die Klimabilanz wird demnach mit der Zeit stetig zunehmen. Daher ist es wichtig, bereits heute mit dem Aufbau der entsprechenden Flotten zu beginnen.
Wie viel Wasserstoff braucht man, um 100 km mit einem PKW zurücklegen zu können?
Ein Wasserstofffahrzeug verbraucht ca. 1 Kilogramm Wasserstoff pro 100 km zurückgelegter Strecke.
Ist Wasserstoff als Kraftstoff gefährlicher als Benzin oder Diesel?
Grundsätzlich ist die Verwendung nicht gefährlicher als bei anderen Brennstoffen. Wasserstoff ist brennbar und muss, ebenso wie andere brennbare Brennstoffe, vorsichtig gehandhabt werden. Um sich zu entzünden, muss der Wasserstoff mit einem zusätzlichen Oxidationsmittel (Luft, reinem Sauerstoff, Chlor usw.) in einer bestimmten Konzentration und mit einer Zündquelle (z.B. einem Funken) kombiniert werden. Bei einem tatsächlichen Entzünden des Wasserstoffs verbrennt er aufgrund seiner geringen Dichte sehr schnell in einer Stichflamme nach oben. Dabei entsteht keine gefährliche Wärmestrahlung über der Unfallstelle, wie dies bei Benzin oder Kerosin der Fall ist.
Umfangreiche Studien und Experimente haben immer wieder gezeigt, dass die Verwendung von Wasserstoff keine größeren Gefahren birgt als der Einsatz von konventionellen Energieträgern.
Diffundiert Wasserstoff durch die Wände der Speichertanks?
Grundsätzlich besteht bei der Speicherung von Wasserstoff in Drucktanks das Problem, dass H2-Atome aufgrund ihrer geringen Größe leicht durch andere Materialien diffundieren können. Die Wände der Drucktanks moderner H2-Pkws sind jedoch mehrlagig ausgelegt und bestehen aus angepassten Materialien, die selbst für die kleinen H2-Atome nicht mehr durchlässig sind. Somit sind die Verluste durch Diffusion bei der Speicherung für gasförmigen Wasserstoff vernachlässigbar klein.
Wird der Wasserstoff allerdings tiefkalt und damit verflüssigt gespeichert, entsteht im Tank zwangsläufig – durch äußeren Wärmeeintrag – ein Überdruck durch die Verdampfung. Dieses entstehende Wasserstoffgas muss entweichen können und führt somit zu Wasserstoffverlusten.
Welche Rolle können wasserstoffbasierte Züge im grünen Mobilitätsmix spielen?
40 % des deutschen Schienennetzes sind derzeit nicht elektrifiziert. Bis 2025 plant die Bundesregierung eine Elektrifizierung von 70 % des bislang nicht elektrifizierten Schienennetzes.
Der weitere Ausbau des Oberleitungsnetzes ist kostenintensiv und somit für niedrigfrequentierte Strecken nicht wirtschaftlich. Wasserstoffzüge können heute eingesetzte Dieselzüge ersetzen, wenngleich ein wirtschaftlicher Einsatz noch nicht immer gegeben ist. Waserstoffzüge erfüllen die notwendigen Voraussetzungen im Bereich Geschwindigkeit, Reichweite, Betankung und Sicherheit. Mit einer Brennstoffzelle betriebene Züge sind zunächst teurer als der Dieselkonkurrent, allerdings entsteht im Vergleich durch die geringeren laufenden Ausgaben ein Kostenvorteil von bis zu 23 %.
Quellen: https://www.now-gmbh.de/content/1-aktuelles/1-presse/20160701-bmvi-studie-untersucht-wirtschaftliche-rechtliche-und-technische-voraussetzungen-fuer-den-einsatz-von-brennstoffzellentriebwagen-im-zugverkehr/broschuere_wasserstoff-infrastruktur-fuer-die-schiene_online-version.pdf; https://www.allianz-pro-schiene.de/themen/infrastruktur/daten-fakten/
Wann ist wasserstoffbasierte Mobilität wirtschaftlich sinnvoll? Wann batterieelektrische Mobilität?
Die direkte Elektrifizierung und die wasserstoffbasierte Mobilität sind keine einander ausschließenden Pfade („entweder – oder“), sondern sie sind in höchstem Maße komplementär („sowohl – als auch“).
Dies bedeutet, dass vor allem Fahrzeuge, die im Stadt- und Regionalverkehr eingesetzt werden und/oder ein geringes Gewicht aufweisen, batterieelektrisch angetrieben werden sollten. Bei steigender Antriebsleistung und Fahrstrecke ist es dagegen sinnvoll, elementaren Wasserstoff einzusetzen. Dessen volumetrische Energiedichte nimmt mit steigendem Druck zu und erreicht deutlich höhere Werte als die heute üblichen Lithium-Ionen-Batterien. Durch starkes Abkühlen kann der Wasserstoff überdies verflüssigt werden, wodurch eine noch höhere Energiedichte erzielt werden kann, die im mobilen Einsatz größere Reichweiten ermöglicht. Anwendungen, die eine noch höhere Energiedichte benötigen, können durch wasserstoffbasierte, synthetische Kraftstoffe (Synfuels, perspektivisch auch LOHC) betrieben werden (siehe Abbildung).
Abbildung: Die verschiedenen Antriebstechnologien schließen sich nicht gegenseitig aus. Je nach Gewicht und Fahrstrecke kommen die Vorteile unterschiedlicher Technologien zum Tragen. Grafik in Anlehnung an: Hydrogen Council. How hydrogen empowers the energy transition; 2017.
Wie lange dauert der Tankvorgang eines Wasserstofffahrzeugs?
Das Betanken eines Wasserstoffautos dauert drei bis fünf Minuten.
Wie viel kostet Wasserstoff derzeit an der Tankstelle?
Ein Kilogramm Wasserstoff (H2) kostet an öffentlichen Tankstellen in Deutschland 9,50€ (brutto). Bei einem Verbrauch von 1 kg Wasserstoff pro 100 km entstehen vergleichbare Kraftstoffkosten wie bei einem Benziner.
Ist Wasserstoff kompatibel mit der bestehenden Erdgasnetzinfrastruktur?
Das Konzept eines leitungsgebundenen Gastransportes ist bei einer Vielzahl von Einspeise- und Entnahmepunkten sowie bei langen Entfernungen in Verbindung mit großen Volumenströmen besonders attraktiv. Durch die schrittweise Umwidmung von bestehenden Parallelleitungen des Erdgasnetzes und durch Leitungszubau kann mittelfristig ein Fernleitungsnetz für Wasserstoff entstehen, das neben dem Erdgasnetz existiert. In einem ersten Schritt würden dem Gasverteilnetz immer größere Anteile Wasserstoff beigemischt werden, bevor anschließend komplette Teilnetze auf den Betrieb mit 100% Wasserstoff umgestellt werden könnten.
Die Umrüstung von Erdgaspipelines zu Wasserstoffpipelines funktioniert schnell, einfach und zu moderaten Kosten. Ab einer Wasserstoffbeimischungsmenge von etwa 5 % müssen die Kompressoren der Gasleitungen ausgewechselt werden. Außerdem ist es denkbar, ein kleineres Wasserstoffrohr in ein bestehendes Erdgasrohr zu verbauen. Dies spart Zeit und Kosten. So können 1 – 2 GW Wasserstoff über weite Distanzen transportiert werden.
Neben den Leitungen können auch die bestehenden Speicherkapazitäten, wie Salzkavernen oder Porenspeicher, für die Wasserstoffspeicherung genutzt werden.
Welche Rolle kann Wasserstoff im Wärmesektor spielen?
Wasserstoff kann und wird bereits heute dem bestehenden Gasnetz beigemischt. Dadurch reduzieren sich die Treibhausgasemissionen direkt und ohne Investitionen in die Haustechnik. Die Beimischungsquote wird allerdings durch die Gasnetzinfrastruktur und die eingesetzten Brenner begrenzt. Aktuell dürfen dem Gasnetz maximal 10% Wasserstoff zugemischt werden.
Darüber hinaus kann – sofern verfügbar – auch reiner Wasserstoff in speziell dafür ausgelegten Brennwertkesseln thermisch verwertet werden. Außerdem bieten Brennstoffzellen und wasserstoffgeeignete Blockheizkraftwerke die Möglichkeit, neben Wärme auch Strom vor Ort zu erzeugen. In Japan sind bereits heute über 300.000 Brennstoffzellenheizungen in Betrieb.
Was ist eine Brennstoffzelle und wo kann sie eingesetzt werden?
In Brennstoffzellen kann chemische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Funktionsprinzip basiert im Wesentlichen auf der Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Dabei kommt es unter kontrollierten Bedingungen ohne externe Energiezufuhr zu einer Reaktion des eingesetzten Wasserstoffs mit Sauerstoff. Dieser Vorgang wird auch als “kalte Verbrennung” bezeichnet. Hierbei entsteht neben elektrischem Strom auch Wärme. Die verschiedenen Brennstoffzellentechnologien unterscheiden sich in ihrem Aufbau, den im Inneren ablaufenden chemischen Prozessen und ihren Einsatzgebieten.
Die zwei gängigsten Brennstoffzellentypen sind die Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) und die Solid Oxid Fuel Cell (SOFC).
Die PEMFC arbeiten bei niedrigen Betriebstemperaturen zwischen 70-90 °C und eignen sich besonders für den Einsatz in mobilen, dynamischen Anwendungen. Der elektrische Wirkungsgrad liegt in etwa in zwischen 35-50 %.
SOFC hingegen haben hohe Betriebstemperaturen, die typischerweise bei zwischen 650-1000 °C liegen. Diese Hochtemperaturbrennstoffzellen werden in Bereichen eingesetzt in denen ein konstanter, stationärer Betrieb mit höheren Wirkungsgraden (50-60 %) gefordert ist. Die hohen Temperaturen der SOFC machen unter anderem den Betrieb mit Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Erdgas möglich.
Abbildung: Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle: Wasserstoff (H2) reagiert an der Anode durch einen Katalysator und gibt Elektronen ab, die durch einen Überbrückungsanschluss zur Kathode wandern – es entsteht Strom. Bei der Oxidation entstehen zugleich Protonen, die durch die Membran zur gegenüberliegenden Kathode wandern. Beim Eintreffen der Protonen und Elektronen des Wasserstoffs auf der Kathodenseite und dem dort befindlichen Sauerstoff (O2) entsteht Wasser (H2O).
In welchen Bereichen wird Wasserstoff aktuell eingesetzt?
Zum jetzigen Zeitpunkt wird Wasserstoff hauptsächlich stofflich in traditionellen Anwendungen verwertet. Hauptverbraucher ist dabei die chemische Industrie für die Synthese von Ammoniak und Methanol. In der Petrochemie – also in Raffinerien – und in der Lebensmittelchemie wird H2 zur Verarbeitung von konventionellen Kraftstoffen und zur Härtung von Ölen und Fetten verwendet, beispielsweise um Margarine herzustellen. Weiterhin wird H2 als Brenn- oder Schutzgas in der Glasherstellung, in der Schweißtechnik oder in der Wärmebehandlung von Metallen verwendet.
Warum ist Wasserstoff so wichtig für ein Gelingen der Energiewende?
Zur Erreichung der im Pariser Klimaabkommen formulierten Klimaschutzziele müssen die globalen Volkswirtschaften ihren Treibhausgasausstoß erheblich senken. Dabei ist Wasserstoff aufgrund seiner vielfältigen Anwendbarkeit ein unverzichtbarer Baustein, denn er bietet attraktive Möglichkeiten für den Einsatz in verschiedenen Sektoren. Zukünftig wird ein großer Teil der Senkung der Treibhausgasemissionen direkt oder indirekt über den Stromsektor stattfinden. Wasserstoff ermöglicht es dabei über die Wasserelektrolyse einen Link zwischen dem Stromsektor und anderen Sektoren zu schaffen. Die Einsatzgebiete umfassen dabei fast alle relevante Sektoren.
Wie kann Wasserstoff transportiert werden?
Aufgrund seiner geringen Dichte bei Normbedingungen muss Wasserstoff für eine effiziente Logistik entweder komprimiert, durch Abkühlung verflüssigt oder chemisch gebunden werden. Alle drei Verfahren verbessern zwar die Transporteigenschaften von Wasserstoff, sind allerdings auch mit gewissen Effizienzverlusten verbunden. Als Transportmittel eignen sich generell alle gängigen straßen-, schienen- oder wasserbasierten Transportmittel. Für Druckwasserstoff und tiefkalt verflüssigten Wasserstoff ist bisher jedoch nur der Straßentransport üblich. Für komprimierten Wasserstoff oder chemisch in einer Flüssigkeit gebundenen Wasserstoff ist darüber hinaus auch der Transport über ein Rohrleitungsnetz attraktiv.
Die Abbildung zeigt mögliche Logistikkonzepte eines internationalen Wasserstoffhandels. Als Verbraucher werden in diesem Beispiel Tankstellen aufgeführt, an denen entweder gasförmiger Wasserstoff (CGH2), tiefkalt und dadurch verflüssigter Wasserstoff (LH2) oder Synfuels bzw. LOHC getankt werden können. Die dargestellten Abnehmer könnten jedoch auch sämtliche andere Verbraucher von Wasserstoff oder Synfuels bzw. LOHC sein. Die Abbildung zeigt im Hinblick auf technische und ökonomische Effizienz besonders vorteilhafte Konzepte und spart aus Gründen der Übersichtlichkeit weniger geeignete Routen aus.
Wie können Synfuels und LOHCs in der bestehenden Infrastruktur genutzt werden?
Synfuels oder LOHCs sind – im Gegensatz zu gasförmigem oder kryogenem Wasserstoff – kompatibel mit der existierenden Infrastruktur herkömmlicher Kraftstoffe (Leitungssysteme, Tankschiff, Kesselwagen, Tankwagen). Dies kann die Umstellung des bisherigen Energiesystems auf nachhaltige Alternativen erheblich vereinfachen.
Die meisten Synfuels wie Methan, Diesel oder Kerosin können ohne technische Anpassung der Aggregate (Turbinen oder Motoren) genutzt werden.
Die LOHC-Technologie ermöglicht es dagegen, den chemisch gebundenen Wasserstoff auf einfachem technischem Weg wieder freizusetzen und dem Kunden Wasserstoff in hochreiner Form wieder zur Verfügung zu stellen.
Welche Verfahren zur Wasserstoffherstellung gibt es?
Die Herstellung von Wasserstoff kann auf unterschiedlichsten Produktionswegen erfolgen, die sich unter anderem durch die eingesetzten Rohstoffe und Ressourcen, sowie durch die verursachten Treibhausgasemissionen unterscheiden.
Etwa 99% des weltweit produzierten Wasserstoffs werden aktuell aus fossilen Energieträgern wie Erdgas und Kohle gewonnen. Dabei werden Treibhausgasemissionen frei, die den Klimawandel beschleunigen. In Zukunft müssen andere Optionen genutzt werden, um eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu ermöglichen.
Besonders vielversprechende Verfahren für eine kostengünstige und CO2-neutrale Wasserstoffproduktion sind die elektrolytische Wasserspaltung aber auch die Konversion von Biomasse beziehungsweise Rest- und Abfallstoffen.
Eine weitere Option ist die Wasserstoffherstellung aus fossilen Ressourcen durch Dampfreformierung mit anschließender Weiterverwendung des CO2 oder durch die Abspaltung von stofflichem Kohlenstoff durch Pyrolyse. Das bei der Dampfreformierung entstehende CO2 wird anschließend entweder in unterirdischen Kavernen gespeichert (carbon capture and storage, CCS) oder es wird einer stofflichen Nutzung zugeführt (carbon capture and utilisation, CCU).
Neben der expliziten Erzeugung fällt Wasserstoff heute im großen Maßstab als Nebenprodukt der Industrie an. Etwa ein Drittel des weltweit verfügbaren Wasserstoffs wird auf diese Weise produziert.
Abbildung: Funktionsweise einer PEM-Elektrolysezelle: Zwischen zwei Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt. An der Anode wird Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Protonen (H+) gespalten. Die positiv geladenen Protonen wandern durch die Membran auf die gegenüberliegende Kathodenseite. Wasserstoff (H2) entsteht.
Wie viel kostet die Herstellung von Wasserstoff?
Die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Ressourcen liegt in Deutschland bei deutlich unter 2 €/kg. Die Kosten für Wasserstoff aus Elektrolyse liegen je nach Technologie, Strompreis und Auslastung bei erheblich höheren Werten.
Die großskalige Nutzung und Produktion von Elektrolyseanlagen wird dazu führen, dass Investitions- und Betriebskosten weiter sinken. Dies kann durch politische Maßnahmen (CO2-Preis, Reduzierung der Abgaben und Steuern für nachhaltig produzierten Wasserstoff) beschleunigt werden.
Der Hydrogen Council hat dazu eine Studie veröffentlicht: In dieser Studie wurde ermittelt, dass grüner Wasserstoff bereits 2025 mit kohlenstoffarmen/blauen H2 (1,50 – 2,0 €) wettbewerbsfähig sein wird. Bei einem CO2-Zertifikatspreis von 50 €/Tonne CO2 ist grüner Wasserstoff sogar mit grauem Wasserstoff konkurrenzfähig. 2030 kann grüner Wasserstoff dann bereits ohne CO2-Bepreisung zu den gleichen Kosten wie grauer Wasserstoff hergestellt werden (1,0 – 1,5 €/kg).
Welche Reichweite haben Wasserstoff-PKW, -LKW und -Busse?
PKW:
Die aktuelle Generation von Wasserstoff-PKW hat eine Reichweite von etwa 500 bis 750 km.
LKW:
Serienfahrzeuge im LKW-Bereich sind derzeit noch nicht erhältlich.
In Rahmen der Schweizer Initiative H2 Mobilität wird derzeit die Durchdringung des Straßengüterverkehrs mit Brennstoffzellenfahrzeugen angestrebt. Hierfür liefert Hyundai bis Ende 2020 50 LKW mit einer Reichweite von etwa 400 km. Diese Wasserstoff-LKW kommen inklusive Anhänger auf ein Gesamtgewicht von 34 Tonnen.
Darüber hinaus entwickeln weitere etablierte Hersteller Brennstoffzellen-LKW mit teilweise deutlich höheren Reichweitenversprechungen. Diese werden in den kommenden Jahren ihren Markteintritt haben.
Busse:
Wasserstoff-Busse haben eine durchschnittliche Reichweite von etwa 300 km.
Für welche Anwendungsbereiche sind Wasserstoffspeicher besonders geeignet?
Wasserstoffbasierte Speicher sind vor allem für die saisonale Energiespeicherung ideale Systeme. Sie besitzen zwar geringere Gesamtwirkungsgrade als beispielsweise Batterien oder Pumpspeicher, sind dafür aber besonders günstig zu skalieren. Dadurch sind wasserstoffbasierte Speicher besonders geeignet um beispielsweise Sonnenstrom in den Sommermonaten aufzunehmen und im Winter kontinuierlich abzugeben. Darüber hinaus ist das Potential der Speicherkapazität praktisch nicht begrenzt.
Abbildung: Vergleich verschiedener Speichertechnologien über die Zeit und die Leistung. In Anlehnung an: Hydrogen Council. How hydrogen empowers the energy transition; 2017.
Wie funktioniert ein Wasserstofffahrzeug?
Wasserstoff kann in Fahrzeugen als Kraftstoff (Wasserstoffmotor) oder als Brennstoff (Brennstoffzellen-Antriebe mit H2 oder Brennstoffzellen-Antriebe mit wasserstoffbasierten Brennstoffen) genutzt werden.
Bei der Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff wird der Wasserstoff – ähnlich wie Diesel in einem Verbrennungsmotor – verbrannt und in mechanische Energie umgewandelt. Im Gegensatz dazu wird der Wasserstoff in einem Brennstoffzellenfahrzeug mithilfe der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie fließt direkt in einen Elektromotor und wird von letzterem in mechanische Bewegung überführt.
Beide Varianten bieten spezifische Vor- und Nachteile. Unter anderem können Brennstoffzellenfahrzeuge einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, wohingegen bei der Verwendung eines Verbrennungsmotors die langjährige Erfahrung der Automobilindustrie auf diesem Gebiet vorteilhaft genutzt werden kann.
Quelle: Arlt & Obermeier (2017). Machbarkeitsstudie. Wasserstoff und Speicherung im Schwerlastverkehr. https://www.encn.de/fileadmin/user_upload/Studie_Wasserstoff_und_Schwerlastverkehr_WEB.pdf
Wie viel Strom wird benötigt um 1 kg Wasserstoff im Elektrolyseverfahren herzustellen?
Die benötigte Strommenge variiert je nach Betriebsmodus und Leistung des Elektrolyseurs und liegt in etwa zwischen 40 – 80 kWh/kg. Das entspricht ungefähr einem Wirkungsgrad von 80 – 40 %.
Mit einem Kilogramm Wasserstoff kann ein Brennstoffzellenauto ca. 100 km zurücklegen.
Wie funktioniert die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse?
Im industriellen Kontext sind zurzeit drei Verfahren für die Wasserstoffelektrolyse relevant: Die Alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse (PEM) und die Solid-Oxid-Elektrolyse (SOEC). Bei allen Verfahren wird dabei mithilfe von Elektroden aus Wasser H2 abgespalten. Die genannten Elektrolyseverfahren unterscheiden sich dabei in der Wahl der Membran und des Elektrolyts (Flüssigkeit, in welche die Elektroden eingetaucht werden). Die Abbildung unten veranschaulicht die Funktionsweise am Beispiel einer PEM-Elektrolysezelle.
Jede dieser Technologie zeichnet sich dabei durch unterschiedliche Eigenschaften in der Anwendung aus.
Die AEL ist dabei die in der Praxis erprobteste Technologie. Ihre größten Vorteile sind die hohe Langzeitstabilität und die geringen Investitionskosten. Problematisch für eine Nutzung im Stromsektor ist die vergleichsweise träge Laständerung, sowie der geringe Teillastbereich der AEL.
Eine PEM-Elektrolyse hingegen ermöglicht einen schnellen Lastwechsel. Außerdem ist bei dieser Technologie der Betrieb im gesamten Teillastbereich möglich. Allerdings handelt es sich hier um eine relativ junge Technologie, weshalb die Investitionskosten noch deutlich höher als bei der alkalischen Elektrolyse sind.
Die SOEC ist ebenfalls eine relativ junge Technologie mit hohen Investitionskosten. Bei beiden Verfahren geht man jedoch davon aus, dass sich die Investitionskosten im Laufe der Zeit stark reduzieren werden. Bei der SOEC erfolgt die Wasserstoffproduktion unter hohen Temperaturen. Dies führt dazu, dass diese Wärme als Energiequelle für die Wasserspaltung genutzt werden kann und so weniger Strom benötigt wird. Die SOEC ermöglicht daher den höchsten Wirkungsgrad. Jedoch führt die hohe Betriebstemperatur zu hohen Anfahrtszeiten der Technologie.
Abbildung: Funktionsweise einer PEM-Elektrolysezelle: Zwischen zwei Elektroden wird eine elektrische Spannung angelegt. An der Anode wird Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Protonen (H+) gespalten. Die positiv geladenen Protonen wandern durch die Membran auf die gegenüberliegende Kathodenseite. Wasserstoff (H2) entsteht.
