Wasserstoff: Herstellung und Unterschiede.

Wasserstoff steht im Zentrum der neuen, sauberen Energiewirtschaft und kann das Rückgrat unserer zukünftigen, nachhaltigen Energieversorgung bilden. Aber wie stellt man Wasserstoff her? Dieser Artikel erklärt die verschiedenen Herstellungsverfahren und geht insbesondere auf die so wichtige Herstellung von grünem Wasserstoff ein.

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff, das häufigste Element im Universum, ist ein vielseitiger und sauberer Energieträger. Im Periodensystem ist dem Wasserstoff das Elementsymbol H für Hydrogenium (lateinisches Wort für „Wasserbildner“) zugewiesen. Es hat die Ordnungszahl 1, welche die Anzahl Protonen in einem Atomkern benennt. Wasserstoff hat das geringste Gewicht unter allen Elementen. Wasserstoff kommt auf der Erde immer als Molekül vor. Dabei bilden je zwei H-Atome ein H2-Molekül. Wasserstoff ist farb-, geruchs- und geschmacklos. Wasserstoff ist nicht giftig und nicht radioaktiv. Insgesamt ist er das leichteste Element und hat deshalb bezogen auf das Gewicht den höchsten Energieinhalt bei der Umsetzung mit Sauerstoff.

Der Energiegehalt eines Kilogramms Wasserstoff entspricht etwa dem von drei Kilogramm Benzin. Aufgrund seiner einfachen chemischen Struktur (H2) eignet er sich ideal für verschiedene Anwendungen in der Energieversorgung, als chemischer Rohstoff für die Industrie und als Kraftstoff für die Mobilität.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Ziel jeder Wasserstoffherstellung ist es, Wasserstoffmoleküle herzustellen. Das erfordert einen hohen Energieaufwand durch den die chemischen Verbindungen der Ausgangsmaterialien getrennt und reiner Wasserstoff freigesetzt werden kann. Dabei kann thermische, elektrische oder chemische Energie zur Wasserstoff-Gewinnung genutzt werden. Es wird also immer ein Ausgangsstoff genutzt, der Wasserstoff enthält wie zum Beispiel Wasser (H2O), Erdgas (CH4) oder Kohle  und andere komplexere Kohlenwasserstoffe.

Bei der Wasserstofferzeugung entstehen natürlich auch Nebenprodukte. Das ist bei fossilen Brennstoffen oft Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und bei der Elektrolyse Sauerstoff (O2). Der hergestellte Wasserstoff muss schließlich noch gereinigt werden.

Der Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung mit einer Elektrolyse-Zelle liegt heute typischerweise bei rund 70 Prozent. Das heißt, 70 Prozent der Energie, die für die Elektrolyse aufgewendet wird, wird auch in Wasserstoff gebunden. Ein Wert von bis zu rund 90 Prozent Wirkungsgrad sind möglich, bezogen auf den Brennwert und abhängig von der Art des Elektrolyseprozesses. Der Wirkungsgrad einer vollständigen Elektrolyse-Anlage ist wegen der Peripherie etwas geringer. Der nicht in Wasserstoff gespeicherte Energieanteil ist nicht verloren. Er kann als Wärme für andere Industrieprozesse oder zur Heizung genutzt werden.“

Die Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab erfolgt hauptsächlich durch folgende Verfahren:

Elektrolyse

Wenn von Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff gesprochen wird, meint man damit genau genommen die Wasserelektrolyse. Dieses Verfahren spaltet Wasser (H2O) durch elektrischen Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). Wird der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Solarenergie gewonnen, sprechen wir von „grünem Wasserstoff“, der dann emissionsfrei hergestellt wurde. Es gibt unterschiedliche Elektrolysearten, die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonen-Austausch-Membran Elektrolyse (PEMEL) und die Festoxid-Elektrolyse (SOEL).

Dampfreformierung

Bei diesem Verfahren werden fossile Brennstoffe wie Erdgas erhitzt und zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Diese Methode ist vergleichsweise günstig, führt aber zu erheblichen CO2-Emissionen.

Methanpyrolyse

Methan wird bei hoher Temperatur in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Dadurch entsteht weniger CO2 als bei der Dampfreformierung.

Weitere Herstellungsverfahren sind auch aufgrund der verwendeten Energiequellen weniger geeignet, wie der Gasverband “Zukunft Gas” berichtet. Diesen Verfahren wird jeweils eine andere Farbe als CO2-frei hergestelltem Wasserstoff aus Wasser (grüner Wasserstoff) zugewiesen. Dazu gehören:

• Wasserstoff aus Erdgas (Grau)
• Wasserstoff aus Kernkraft (Pink bzw. Rot)
• Wasserstoff aus Biomasse (Orange)
• Wasserstoff aus einer Mi­schung erneuerbarer Energien und fossiler Brennstoffe (Gelb)
• Wasserstoff aus Braun- bzw. Steinkohle (Schwarz)
• Wasserstoff, der als Abfallprodukt anderer chemischer Verfahren entsteht oder seltene natürliche Vorkommen, die mittels Fracking gewonnen werden (Weiß)

Diese Rohstoffe können zur Wasserstoff-Herstellung genutzt werden.

Jedem Herstellungsverfahren und verwendeten Ressourcen wird eine Farbe zugeordnet. Diese Wasserstoff Farbenlehre ist noch im Wandel begriffen, sprich nicht alle Farb-Zuordnungen sind fix. Hinter jeder Wasserstoff-Farbe steht auch eine eigene Klimabilanz.

Die FH-Münster hat mit Blick auf die bei der Wasserstofferzeugung entstehenden Emissionen folgende Übersicht erstellt:

Was ist das Besondere an grünem Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen. Er ist praktisch emissionsfrei und ideal für eine klimafreundliche Energieversorgung geeignet, da keine klimaschädlichen Abgase freigesetzt werden.

Die Vorteile von grünem Wasserstoff:

1. CO2-freie Produktion
2. Nutzung erneuerbarer Energie wie zum Beispiel Überschussstrom von Solar-, Wind, Wasser-Kraftwerken
3. Vielseitig einsetzbar in Industrie, Transport- und Energiesektor und unterstützt dort die Dekarbonisierung
4. Kurz- und mittelfristige Energiespeicherung und damit auch Beitrag zur Stabilität der Stromnetze

Herausforderungen.

Die grüne Wasserstofferzeugung verzeichnet hohe Kosten. Auch ist die Elektrolyse aktuell noch von Energieverlusten gekennzeichnet, so dass in der weiteren Entwicklung ein Fokus darauf liegt, die Effizienz der Elektrolyseprozesse zu verbessern. In der Praxis sind wir hier mit der Elektrolyse im Klimaquartier Neue Weststadt Esslingen schon weit gekommen. Indem wir hier auch die Abwärme des Elektrolyseprozesses in der lokalen Wärmeversorgung nutzen, erhöht sich der Wirkungsgrad von ca. 60 % auf bis zu 90 %.

Allgemein ist die Skalierbarkeit und die Errichtung der erforderlichen Infrastruktur bei der Wasserstoff-Nutzung mit hohen Kosten verbunden und damit eine große Herausforderung. Zur Technologieentwicklung, für Tests und für den Aufbau der erforderlichen Infrastruktur gibt es bisher vor allem Forschungsprojekte. Erste kommerzielle Projekte zum flächendeckenden Aufbau sind bereits angelaufen. Große Teile der bestehenden Erdgas-Infrastruktur können umgerüstet bzw. direkt für die Wasserstoffverteilung weiter genutzt werden.

Um die Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff zu verbessern, arbeitet die Green Hydrogen Esslingen GmbH derzeit daran, die Anerkennung gemäß der neuen Europäischen Erneuerbaren-Energien-Richtlinie RED II zu erhalten. Damit wäre grüner Wasserstoff im Treibhausgas-Quotenmarkt (THG-Quote) handelbar. Die Anforderungen der RED II wurde mit der 37. BImSchV in deutsches Recht umgesetzt. Aktuell müssen die Zertifizierungssysteme für grünen Wasserstoff noch auf die Anforderungen der RED II / 37. BImSchV angepasst werden.