Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger der Zukunft und fundamentaler Bestandteil der globalen Energiewende. Die Bundesregierung hat mit der Nationalen Wasserstoffstrategie einen Handlungsrahmen geschaffen, um den Übergang einer fossilen Energiewirtschaft hin zu einer Wasserstoff-basierten Energiewirtschaft in Deutschland zu beschleunigen. Im Fokus steht hier vor allem die Elektrolyse, die mit Strom aus erneuerbaren Energien grünen Wasserstoff aus Wasser bereitstellen kann.

Obwohl Wasserstoff das häufigste chemische Element im Universum darstellt, ist es in elementarer Form (als H2-Molekül) auf der Erde kaum vorhanden. Das H2-Molekül ist ein ausgezeichneter Energieträger: es ist nicht umweltschädlich und bildet im Rahmen einer Oxidation Wasser. Dieser Prozess kann entweder elektrochemisch (Brennstoffzelle) oder thermisch (Blockheizkraftwerk) genutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Für die umweltverträgliche Produktion von Wasserstoff kann elektrischer Strom genutzt werden, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der zur Herstellung verwendete Strom sollte dabei aus erneuerbaren Quellen (Photovoltaik, Windenergie, Wasserkraft) kommen, da sonst der umweltfreundliche Charakter verloren geht.

rolle-und-bedeutung-wasserstoff Quelle: Projektträger Jülich 

Wasserstoffherstellung

Fossil hergestellter Wasserstoff wird auf der Welt bereits durch eine Vielzahl verschiedener Prozesse genutzt, wie beispielsweise in der Ammoniakherstellung durch das Haber-Bosch-Verfahren oder für die Hydrierung von organischen Molekülen, z.B. Pharmazeutika. Großtechnisch wird dieser Wasserstoff aber vor allem durch die Verbrennung von Erdgas gewonnen. In dem Zusammenhang werden auch Ansätze erforscht, Erdgas-ähnliche Verbindungen aus Abfallstoffen wie Plastik, Klärschlamm oder Gülle zu gewinnen und daraus durch heterogenkatalytische Reaktionen Wasserstoff herzustellen.

Unterschiede der Wasserstoff-Arten
  • Grüner Wasserstoff: Herstellung durch regenerativ betriebene Elektrolyse ohne CO2-Emissionen
  • Pinker Wasserstoff: Herstellung durch Elektrolyse mit Atomenergie
  • Grauer Wasserstoff: Dampfreformierung von Erdgas (aktuelle Hauptproduktionsquelle) - CO2 als Koppelprodukt
  • Brauner Wasserstoff: Kohlevergasung - CO2 als Koppelprodukt
  • Türkiser Wasserstoff: Pyrolyse von Methan
  • Blauer Wasserstoff: fossil gewonnener Wasserstoff

Die Wasserstoff Energiewirtschaft

Eine Wasserstoff-basierte Energiewirtschaft benötigt große Mengen regenerativer Energien, um neben der Abdeckung des sonstigen Strombedarfs auch den Betrieb von Elektrolyseuren für die Wasserstoffproduktion zu ermöglichen. Durch die Produktion und Speicherung von Wasserstoff in Energiehochzeiten (Photovoltaik-tagsüber) wird die Energie eingespeichert, um sie im Falle einer Energieflaute (Photovoltaik-nachts) nutzbar zu machen.

h2-potential-prognose-2030 Quelle: FCHJU, 2020

Neben dem Aufbau der regenerativen Energien wird auch ein Ausbau der Elektrolyseur- und Speicher-Kapazitäten für Wasserstoff benötigt, um diesen Bedarf abzudecken.

Es wird davon ausgegangen, dass der Wasserstoffbedarf für Deutschland im Jahr 2030 einer Elektrolyseurleistung von 9.000-40.000 GWh entspricht. Um diesen Bedarf abzudecken wird eine Elektrolyseurleistung 1-5 GW bei einer jährlichen Betriebszeit von 4.000 Stunden benötigt. Für das Jahr 2050, in welchem CO2‑Neutralität erreicht werden soll, wird in Deutschland ein deutlich höherer Wasserstoffbedarf von 250.000-800.000 GWh erwartet.

Wasserstofftransport als Energietransfermethode

Aufgrund von unterschiedlichen Begebenheiten werden sich die lokalen Möglichkeiten zur Erzeugung von erneuerbaren Energien und dementsprechend auch zur Elektrolyse, stark unterscheiden. Dies bedeutet, dass ein nationales Wasserstofftransportsystem benötigt wird, um den lokalen Bedarf abzudecken. Darüber hinaus müssen auch die saisonal bedingten Schwankungen in Stromproduktion und Verbrauch bedacht werden und ein internationales Versorgungssystem geplant werden. Der Transport auf nationaler Ebene kann durch das Umrüsten des bestehenden Erdgas-Pipeline-Netzes erreicht werden. Dabei müssen aber die anderen Eigenschaften des Wasserstoffes beachtet werden. Zum einen ist Wasserstoff ein deutlich kleineres Molekül als Methan, was zu einem erhöhten Leckage-Risiko führt, zum anderen muss der Materialverschleiß durch Wasserstoffkorrosion beachtet werden.

Für den internationalen Transport kommt zusätzlich die Hürde, dass der Aufwand für die Speicherung großer Mengen Gase exponentiell ansteigen. Dies führt dazu, dass große Mengen Wasserstoff nicht gasförmig transportiert werden können. Eine alternative wäre den Wasserstoff zu verflüssigen, dies benötigt aber ein starkes Abkühlen des Wasserstoffes. Im Rahmen des Transportes würde der Wasserstoff sich aber wieder aufheizen und dadurch wieder verdampfen. Um den damit verbundenen Druckanstieg zu reduzieren, muss verdampfter Wasserstoff kontinuierlich abgelassen werden, was zu einem Verlust an Wasserstoff führt.

Die Umwandlung von Wasserstoff in speicher- und transportierbare Derivate, wie Methanol oder Ammoniak, kann genutzt werden, um den Langstreckentransport von Wasserstoff zu ermöglichen.

     
 

Förderung von Wasserstoffprojekten

Wasserstoff und mit Wasserstoff verbundene Technologien erfreuen sich derzeit einer umfangreichen Förderung sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene.

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung klare Ziele rund um Wasserstoff gesetzt. Die Ziele sind, die Wettbewerbsfähigkeit des Wasserstoffes als Energiespeichermedium zu fossilen Energieträgern zu erreichen. Dazu wird eine nachhaltige inländische Wasserstoffproduktion angestrebt. Darüber hinaus sollen auch Partnerschaften für den Import von grünen Wasserstoff geschaffen werden.
Neben der energetischen Verwendung sollen auch bestehende industrielle Anwendungen zum Beispiel in der chemische Industrie mit nachhaltigem Wasserstoff versorgt werden und neue Anwendungsgebiete wie die Stahlindustrie erschlossen werden.

Die deutsche Förderung von Wasserstoffprojekten findet unter anderem durch das 7. Energieforschungsprogramm statt, welches sich auf nachhaltige Energiegewinnung fokussiert.

Auch durch die europäische Union werden Wasserstoffanwendungen stark gefördert. Im Rahmen des small scale (3.5-7.5 Millionen €) und large scale (7.5 Millionen € aufwärts) innovation funds werden auch viele Wasserstoffprojekte gefördert.

 
     

 

Bei Fragen oder Interesse rund um das Thema Wasserstoff dürfen Sie uns gerne jederzeit kontaktieren und unsere Themenseite Wasserstoff besuchen. EurA konnte in den vergangenen Jahren umfangreiche Erfahrung mit dem genannten Förderprogrammen sammeln. Haben Sie Interesse und möchten mehr erfahren? Dann melden Sie sich gerne bei uns und wir unterstützen Sie bei Ihrem Antragsprozess.

 

Autor: Georg Beckmann

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