Energieträger Wasserstoff

Kaum ein Energieträger ist derzeit mit so großen Hoffnungen für die Energiewende belegt wie Wasserstoff. Dem normalen Privat- oder Industriekunden ist jedoch nicht immer ganz klar, wie Wasserstoff eigentlich hergestellt wird, wie er gelagert und verteilt werden kann, wozu er sinnvoll genutzt werden kann und v.a. was es mit dem sogenannten “grünen Wasserstoff” auf sich hat. Wir möchten Ihnen auf dieser Seite einen ersten Überblick über all diese Fragen geben. Wenden Sie sich gerne jederzeit an unsere Experten, wenn Sie ausführlicher beraten werden möchten.

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 1 und dem Symbol H. Als Grundstoff unseres Universums ist er Bestandteil des Wassers und fast aller organischer Verbindungen, somit auch aller lebenden Organismen. Unter normalen Bedingungen auf der Erde kommt der atomare Wasserstoff H jedoch nicht vor, sondern er existiert als molekularer Wasserstoff (H2). H2 ist ein ungiftiges, farb- und geruchloses Gas, das leichter als Luft ist. Unter normalen Bedingungen verflüchtigt sich dieses Gas sehr schnell und ist daher außerordentlich umweltfreundlich.

Das traditionell wichtigste Herstellungs-Verfahren zur industriellen Gewinnung von molekularem Wasserstoff ist die sogenannte Dampfreformierung. Dabei wird Wasserstoff und CO2 aus Methan und Wasser erzeugt. Hierbei werden unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen Methan und Wasser umgewandet. Dabei entsteht ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff.

Im Rahmen der Energiewende ist aber die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse die zunehmend wichtigere Herstellungsart. Bei dem auch als “Power-To-Gas” genannten Verfahren wird Wasser durch Zuführung von elektrischer Energie in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Zusätzlich entsteht dabei auch Wärme.

Vor allem dann, wenn Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird und -wichtig- diese Elektrolyse mit klimaneutralem Strom (z.B. Sonnen- oder Windenergie) durchgeführt wird, spricht man von “grünem Wasserstoff”. Aber auch über die Dampfreformierung von Biogas kann grüner Wasserstoff hergestellt werden.

Im Gegensatz dazu können die “andersfarbigen” Wasserstoffarten, also auf Basis anderer Energieformen gewonnener Wasserstoff, keine Hilfe beim Klimawandel leisten, sondern sind eher umweltschädlich. Das gilt z.B. für den mit Erdgas- oder Kohlestrom hergestellten “grauen Wasserstoff”, für den mit Erdgas produzierten “blauen” bzw. “türkisen Wasserstoff und vor allem für den “gelben” oder “roten” mit Atomstrom erzeugten Wasserstoff.

Im Gegensatz zu allen anderen Erzeugungsformen kann nur grüner Wasserstoff einen großen Beitrag zur Klimaneutralität leisten. Wenn wir daher im Folgenden zur Vereinfachung von “Wasserstoff” sprechen, dann meinen wir vor allem den eben beschriebenen “grünen” Wasserstoff.

Neben der idealerweise klimaneutralen Herstellung ist auch der zuverlässige Transport von Wasserstoff ein entscheidender Faktor für die Energiewende. Es gilt dabei viele Faktoren zu berücksichtigen, angefangen bei den globalen Produktionsorten bis zu den Knotenpunkten in den jeweiligen Abnehmerländern und vor allem auch bei der lokalen Verteilung bis zu den Endnutzern.

Es gibt grundsätzlich verschiedene Transportformen für Wasserstoff: Komprimierten Wasserstoff, flüssigen Wasserstoff oder in andere flüssige oder gasförmige Energieträger umgewandelten Wasserstoff (z.B. Ammoniak oder Methan). Abgesehen von der Form des Energieträgers kommt sowohl eine permanente Belieferung per Gasnetz als auch eine chargenweise Nachfüllung von stationären Behältern mittels Tankwagen in Betracht. Im Moment steht noch nicht abschließend fest, welcher dieser Ansätze der wirtschaftlichste sein dürfte.

Mit dem Ziel einer einfachen flächendeckenden Versorgung wird derzeit allerdings der schrittweise Umbau der bestehenden Erdgasnetze untersucht. Bestehend aus einem Transportnetz von 40.000 Kilometern und regionalen Verteilnetzen von in Summe 470.000 Kilometern ist das deutsche Erdgasnetz ein potentiell sehr leistungsfähiger Distributionskanal und könnte parallel sowohl Erdgas als auch Wasserstoff im Mischbetrieb transportieren. Technisch verfügt das Netz bereits heute in Teilen über eine gewisse Wasserstofftauglichkeit. Für einen höheren Anteil an Wasserstoff müssten allerdings Materialien, Komponenten und Verfahren grundlegend verändert und optimiert werden.

Ein wesentlicher Bestandteil der Wasserstoffinfrastruktur sind auch große Speicher, denn die Speicherung von elektrischer Energie in Reinform ist in den benötigen Mengen praktisch nicht möglich. Wasserstoff kann hier eine zentrale Rolle spielen. Mehr dazu unter “Wasserstoff als Energiespeicher”.

Wasserstoff hat eine sehr große Vielfalt an Nutzungsarten. Er kann zu Heizzwecken, als technisches Gas in der Industrie, als temporärer Energiespeicher zur späteren Rückumwandlung in Strom und als Kraft- bzw Brennstoff in Brennstoffzellen verwendet werden.

Wasserstoff in der Industrie

Heute größter Anwender von Wasserstoff ist die chemische Industrie, die den Stoff für Synthesen benötigt. Aber auch als Reduktionsgas wird Wasserstoff in vielen Prozessen eingesetzt.

In der sehr energieintensiven Stahlindustrie wird derzeit vertestet, inwiefern Wasserstoff langfristig vollständig Koks ersetzen kann. Denn besonders die Stahlhersteller tragen massiv zur schlechten CO2-Bilanz bei. Das liegt an dem enorm hohen Kohleverbrauch der Hochöfen. Auf eine Tonne produzierten Stahl kommen zwei Tonnen Kohlendioxid. Wasserstoff kann hier eine umweltfreundliche Alternative sein, allerdings sind noch viele Fragen ungeklärt. Eine komplett CO2-freie Stahlproduktion ist nach Expertenmeinung erst 2050 zu erwarten.

Wasserstoff lässt sich im gasförmigen, im flüssigen Zustand und auch in chemisch gebundener Form sehr gut über längere Zeiträume speichern. Überschüssiger Strom könnte so in große Mengen Wasserstoff umgewandelt und für längere Zeit gelagert werden. Wozu aber ist das überhaupt notwendig?

Die an der norddeutschen Küste aber auch in ganz Deutschland betriebenen Windkraftanlagen erzeugen enorm viel Strom. An sonnigen Tagen kommen dazu noch beträchtliche Mengen an Solarenergie aus Photovoltaik-Anlagen. Diese Energiemengen können jedoch in den seltensten Fällen direkt verbraucht werden. Wenn tagelang die Sonne scheint oder kräftig der Wind weht, speisen Windkraft- und Solaranlagen mehr Strom ins Netz ein, als verbraucht werden kann. Kohle- und Atomkraftwerke müssen dann in Folge ihre Produktion drosseln. Das Problem dabei: Wenn Wind und Sonne dann immer noch zu viel Strom erzeugen, müssen die Stromproduzenten ihren Überschuss kostenlos abgeben oder sogar an der Strombörse bezahlen, um Abnehmer zu finden.

Für die Energiewende reicht es also nicht, möglichst viele Windkraft- und Photovoltaik-Anlagen zu bauen, es muss auch ausreichend Speicherplatz für Strom geschaffen werden. Damit das Stromnetz im Gleichgewicht bleibt, sind verschiedene Speicherformen notwendig. Zum einen Kurzzeitspeicher, die das Netz stabilisieren, zum anderen Mittelfristspeicher, zum Ausgleich der Schwankungen im Tagesverlauf und Langzeitspeicher zur Überbrückung von Flauten und der dunklen Jahreszeit.

Bislang spielten Pumpspeicherkraftwerke dabei eine große Rolle. In diesen wird überschüssiger Strom dazu genutzt, Wasser auf eine Höhenlage hinauf zu pumpen. Wenn zu einem späteren Zeitpunkt ein erhöhter Strombedarf besteht, wird Wasser abgelassen und treibt eine Turbine an, die Strom erzeugt. Eine weitere Speichermöglichkeit sind Druckspeicherkraftwerke. In diesen wird mit überschüssigem Strom Luft in einen Hohlraum gepumpt. Bei entsprechender Stromnachfrage lässt man die Luft wieder entweichen und lässt diese über eine Turbine einen Generator antreiben, um Strom zu erzeugen.

Statt der temporären Energiespeicherung in Form von Wasser oder Druckluft bietet sich neuerdings jedoch auch die Speicherung in Form von reinem Wasserstoff an. Große Wasserstoffmengen könnten beispielsweise in den Hohlräumen großer Salzstöcke gelagert werden. In deren unterirdischen Höhlen (sog. “Salzkavernen”) bieten sich ideale Speicherbedingungen. Für die Lagerung von Erdgas schon lange erprobt, wird zunehmend auch die Speicherung von Wasserstoff in Salzstöcken gefördert, z.B. mit dem Projekt InSpEE der Bundesregierung. Aber auch andere Lagerungsformen kommen für Wasserstoff in Frage, denn er kann flexibel komprimiert (als “CGH2”), kalt verflüssigt (“Liquid Hydrogen” bzw. “LH2”) oder auch in Festkörpern gespeichert werden.

Gerade für komprimierten Wasserstoff (“CGH2”) und im Bereich der entsprechenden Druckbehälter gibt es ein großes und lang erprobtes Angebot am Markt. Bei der Auswahl von Wasserstoff-Druckbehältern und anderen Speichermethoden kommt es auf die jeweiligen Anforderungen vor Ort, die Beständigkeit der eingesetzten Materialien, die Menge des zu lagernden Wasserstoffs und natürlich auch auf Sicherheitsaspekte an. Weiterführende Informationen finden Sie u.a. auf den Seiten des TÜV Rheinland.

Wasserstoff in Brennstoffzellen

Wasserstoff als Brenn- und Kraftstoff hat viel Potential. Die durch die direkte Verbrennung von Wasserstoff entstehende Wärme kann beispielsweise zum Antrieb von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Allerdings ergeben sich hier die gleichen Probleme wie bei allen Verbrennungsmotoren: ein vergleichsweise geringer Wirkungsgrad. Viel relevanter ist daher derzeit die Verwendung von Wasserstoff in sogenannten Brennstoffzellen. Der Begriff Brennstoffzelle ist hier sicherlich verwirrend, denn der Wasserstoff wird eben nicht verbrannt, sondern chemisch umgewandet.

Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandeln. Brennstoffzellen sind somit keine Energiespeicher, sondern Energiewandler, mit denen in der Regel Elektromotoren angetrieben werden. Auch wenn es Brennstoffzellentypen gibt, die andere Brennstoffe nutzen (z.B. Methanol, Butan oder Erdgas), so ist hier mit Brennstoffzelle eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint.

Der größte Vorteil einer Brennstoffzelle ist ihr Wirkungsgrad: Er beträgt ca. 60-80% und ist somit im Vergleich zu Ottomotoren (20-35%) mehr als doppelt so hoch. Weitere Vorteile sind die Geruchsneutralität, der komplett CO2– und Stickoxide-freie Verbrauch sowie ein sehr leiser Betrieb. All das macht Wasserstoff in Brennstoffzellen zur Energie der Zukunft.

Brennstoffzellen-betriebene Autos sind im Prinzip normale elektrische Fahrzeuge, die sich lediglich durch die Art der Energiespeicherung und -umwandlung unterscheiden. Der herkömmliche Akku wird durch eine Brennstoffzelle ersetzt, die den Elektromotor antreibt und Ihren Wasserstoff aus einem im Fahrzeug integrierten Gastank bezieht. Die Befüllung des Tanks ist bei PKW üblicherweise in unter 10 Minuten erledigt, was -neben der meist höheren Reichweite- einen der größten Vorteile gegenüber akkubetriebenen Elektroautos darstellt. Aufgrund einer noch schwachen Tankstellen-Dichte und sehr wenigen angebotenen Automodellen kommen Brennstoffzellen-Autos heute jedoch noch auf keine nenneswerten Stückzahlen. So wurden im gesamten Jahr 2020 europaweit nur 750 Wasserstoff-PKW zugelassen. Zum Vergleich: Im gleichen Jahr wurden europaweit 1,4 Mio. akkubetriebene Elektrofahrzeuge (inkl. Plug-in-Hybride) zugelassen. Dies könnte sich jedoch schnell ändern.

Neben PKW werden Brennstoffzellen übrigens auch heute schon in vielen anderen Mobilitätsanwendungen getestet, z.B. in Bussen und Zügen (ÖPNV), Gabelstaplern, LKW, Müllfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und Zügen.

Neben dem Einsatz in der Industrie, in Logistik und Mobilität sowie bei der Energiespeicherung kann Wasserstoff auch beim Betrieb einer Brennstoffzelle in in Haushalten und im Gewerbe als klimafreundliche Alternative zur Ölheizung genutzt werden. Zwar wurden die CO2-Emissionen im Gebäudesektor in den vergangenen Jahren bereits reduziert, aber es sind noch große Anstrengungen nötig, um das Klimaziel zu erreichen.

Eine Brennstoffzelle ermöglicht das gleichzeitige Heizen und die Warmwasserversorgung für Produktionsstätten und Lagerhallen, aber auch für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Zusätzlich produzieren Brennstoffzellen Strom, sodass auch die Stromversorgung klimaneutral erfolgt. Eine Brennstoffzelle ist somit -wenngleich technisch völlig unterschiedlich- vom Anwendungszweck her vergleichbar mit einem Blockheizkraftwerk. Sie ist daher eine zukunftsweisende Technologie sowohl für den gewerblich-industriellen als auch für den privaten Gebrauch. All dies ist hochinnovativ und ehrlich gesagt auch komplexer als konventionelle Heizsysteme, aber es ist längst keine Zukunftsmusik mehr. Vieles ist heute schon möglich und mit einem Partner, der Ihnen die Dinge erklären kann, können Sie beruhigt in die Zukunft starten. Sprechen Sie uns an!

Badische Rheingas - Ihr Partner für Wasserstoff

Wir haben über 20 Jahre Erfahrung mit der professionellen Anwendung von Flüssiggas und anderen technischen Gasen in Gewerbe, Handwerk und Industrie. Seit einigen Jahren bieten wir nun auch maßgeschneiderte Lösungen mit Wasserstoff an. Egal welches Anwendungsfeld Sie haben, wir finden garantiert die optimale, wirtschaftliche Kombination von Wasserstoff und anderen Energieträgern. Sprechen Sie uns an, gerne beraten wir Sie individuell - natürlich auf Wunsch auch bei Ihnen zuhause oder in Ihrem Betrieb vor Ort. Sie werden schnell erkennen: Die Investition in eine Wasserstoff-Anlage amortisiert sich vergleichsweise schnell, senkt Ihre CO2-Emissionen deutlich und schont die Umwelt erheblich.

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