Energietalent Wasserstoff

Klimaneutral. Mit Wasserstoff.

Ohne Energiewirtschaft kein Wasserstoff! Der Energieträger und sein Potenzial für den Klimaschutz stehen aktuell im Rampenlicht. Was steckt hinter dem Allround-Talent? 

Wasserstoff ist seit jeher elementarer Bestandteil unseres Daseins und wird bereits seit dem 19. Jahrhundert erforscht. In den letzten zehn Jahren wurde er für die Energiewirtschaft im Zuge der Energiewende vor allem als Speicher und Strom- und Wärmeerzeuger in Pilotprojekten getestet. 

Kürzlich beschlossene strategische Weichenstellungen auf nationaler und europäischer Ebene und Förderungen geben der Wirtschaft jetzt den Rahmen für weitreichende Investitionen. Ziel ist nun, möglichst zügig einen Markt für Wasserstoff zu etablieren und so sämtliche Potenziale für den Klimaschutz zu nutzen. Wichtig dafür sind unter anderem folgende Punkte:

Vorhandene Infrastrukturen nutzen! Deutschland verfügt über Europas größte Gasspeicherkapazitäten und ein 547.000 Kilometer langes Gasnetz. Diese Infrastrukturen können künftig auch für klimaneutrale Gase und Wasserstoff genutzt werden – ein wichtiger Baustein für den Aufbau eines Wasserstoffmarktes.

Erneuerbare Energien weiter ausbauen! Um zunehmend grünen, sprich erneuerbaren, Wasserstoff produzieren zu können, muss der Ausbau von Wind- und Solarenergie energisch vorangetrieben werden.

Klimaschutz-Potenziale in allen Sektoren nutzen! Neben Industrie, Verkehr und Stromversorgung stellt auch der Wärmesektor ein wichtiges Anwendungsfeld für Wasserstoff dar.

Alle klimaneutralen Gase ermöglichen schnellen und effektiven Klimaschutz! Kurz- und mittelfristig werden neben grünem Wasserstoff auch andere klimaneutrale Gase benötigt, um die Gasverwendung zügig zu dekarbonisieren und eine Markteinführung von Wasserstoff zu unterstützen. Dazu gehören zum Beispiel blauer oder türkiser Wasserstoff, Biomethan oder synthetisches Methan. So können CO2-Emissionen rasch gesenkt und die Entwicklung eines tragfähigen Marktes sowie der Infrastruktur unterstützt werden.

Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, ihn zu erzeugen, und vielfältige Anwendungsgebiete. Die wichtigsten Informationen haben wir für Sie hier zusammengestellt:

 

Ihre Ansprechpartner für die Wasserstoff-Kampagne: 

Manuela Wolter
Leitung Kampagne & Marketing
Telefon: +49 30 300199-1162
manuela.wolter@bdew.de

Liane Erdmann
Kampagnenreferentin
Telefon: +49 30 300199-1161
liane.erdmann@bdew.de

Leonie Frenking
PR-Volontärin
Telefon: +49 30 300199-1171
leonie.frenking@bdew.de

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Wiki - Energietalent Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element auf der Erde. In unserem Sonnensystem besteht 75 Prozent der gesamten Masse aus Wasserstoff, im gesamten Weltall wird sogar ein noch höherer Anteil vermutet. Sämtliche lebende Organismen und beinahe alle organischen Verbindungen bestehen zum Teil aus Wasser, der Verbindung von Wasser- und Sauerstoff.

Wasserstoff hat die geringste Atommasse aller Elemente: Er ist 14-mal leichter als Luft, weder giftig noch ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei.

Wo kommt Wasserstoff natürlicherweise vor?

Wasserstoff kommt auf der Erde meist in der Verbindung mit Sauerstoff als Wasser vor. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erdoberfläche. 96,5 Prozent als Salzwasser in den Ozeanen. Die verbliebenen 3,5 Prozent als Süßwasser in Seen und Flüssen, aber auch als Grundwasser. Davon befindet sich wiederum der größte Teil im festen Aggregatzustand: als Eis in der Arktis und Antarktis.

Aber auch Erdgase wie z. B. Methan sowie Erdöl sind wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen. Auch in mehr als der Hälfte aller bisher bekannten Minerale ist Wasserstoff enthalten. In der Erdatmosphäre liegt Wasserstoff hauptsächlich als Wasserdampf vor. Wie viel Wasserdampf eine Volumeneinheit Luft enthält, hängt neben dem Vorhandensein von Wasser von der Lufttemperatur ab. Beispielsweise kann Luft von 30 °C Temperatur bis zu 4,2 Volumenprozent Wasserdampf aufnehmen.

Ist Wasserstoff die Lösung für eine CO2-neutrale Energieerzeugung?

Wasserstoff kann Energie speichern und wieder freigeben, ohne dabei CO2 auszustoßen. Insbesondere wenn die gespeicherte Energie erneuerbar ist, werden so klimaschädliche Emissionen vermieden. Chemisch enthält eine Tonne Wasserstoff eine Energiemenge von 33.330 Kilowattstunden. Das entspricht dem durchschnittlichen Strom-Energieverbrauch von 11 Drei-Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus. Allerdings kann die chemische Energie nicht zu 100 Prozent in nutzbare Energie umgewandelt werden. Auf dem Weg zum Verbraucher geht ein Teil der Energie verloren.

Noch gibt es Hindernisse auf dem Weg zur klimafreundlichen Energieversorgung durch Wasserstoff. Zum Beispiel ist Wasserstoff ein leichtes Gas und hat dadurch ein enormes Volumen. Ganze 12 Kubikmeter unverdichteter Wasserstoff entsprechen erst einem Liter Benzin. Zwar kann Wasserstoff entweder komprimiert oder unter hohem Druck verflüssigt werden, jedoch verschlingt dieser Verflüssigungsprozess selbst viel Energie. Einmal verdichtet und komprimiert, wird aus dem Nachteil ein Vorteil, denn 1 kg Wasserstoff enthält dann fast so viel Energie wie 3 kg Benzin. Insgesamt ist nach heutigem Stand der Technik der Wirkungsgrad bei der Nutzbarmachung von Wasserstoff noch sehr gering. 50 Prozent der eingesetzten Energie gehen im Moment dabei noch verloren.

Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff ist zwar chemisch gesehen ein Primärenergieträger, also ein Stoff, der in seiner natürlichen Form Energie speichern und übertragen kann. Auf der Erde ist er jedoch praktisch nicht in freier Form vorhanden. Unter dem Begriff „Wasserstoffherstellung“ oder „-erzeugung“ wird die Bereitstellung von molekularem Wasserstoff (H2) bezeichnet. Er muss erst mit Hilfe anderer Energiequellen gewonnen werden. Damit ist seine Herstellung nur dann nachhaltig, wenn es die Energiequellen zur Gewinnung auch sind. Es kommen verschiedene Ausgangsstoffe in Frage:

  • Erdgas, z. B. Methan (CH4)
  • andere Kohlenwasserstoffe, z.B. Erdöl und Kohle
  • Biomasse
  • Wasser (H2O)
  • andere wasserstoffhaltige Verbindungen

Als Energiequelle dient chemische Energie oder zugeführte elektrische, thermische oder solare Energie. Derzeit geschieht die Gewinnung von Wasserstoff primär auf Basis fossiler Energieträger wie dem in Erdgas enthaltenen Methan. Er ist ein wichtiges Industrieprodukt. Konzepte für zukünftige Wasserstoffwirtschaften sehen zumeist die Wasserstoffgewinnung mit Hilfe erneuerbarer Energien vor, womit eine solche Wasserstoffwirtschaft emissionsfrei sein könnte.

Reformierungsverfahren: Grauer bzw. blauer Wasserstoff aus Erdgas

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich durch Reformierung aus Erdgas erzeugt. Eine solche Gewinnung aus konventionellen Energieträgern resultiert in sogenanntem grauem Wasserstoff. In einer chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Aus diesem Gasgemisch wird ersterer durch Absorption, Adsorption oder mittels Membranen abgetrennt. Da hierbei CO2 freigesetzt wird, ist ein auf diese Art und Weise erzeugter Wasserstoff nicht klimaneutral.

Wenn das entstandene CO2 nach der Wasserstoff-Herstellung jedoch in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder weiterverwendet wird (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von blauem Wasserstoff. Dieser ist bilanziell klimaneutral, da das CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt.

Methanpyrolyse: Türkiser Wasserstoff

Bei der Methanpyrolyse wird Methan (CH4) thermisch gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Letzterer kann anschließend beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie verwendet werden. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Elektrolyseverfahren: Emissionsfreie Erzeugung von grünem Wasserstoff

Wasserelektrolyse macht eine emissionsfreie Erzeugung von Wasserstoff möglich, wenn der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) in einem ersten Schritt z.B. mit Salz (NaCl) angereichert, um den Ionentransport zu verbessern. Unter Einsatz von Strom wird das Wasser dann in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.

Wo wird Wasserstoff eingesetzt?

Wasserstoff wird aktuell vor allem in der chemischen Industrie, zum Beispiel zur Herstellung von Stickstoffdünger, in Erdölraffinerien zur Raffinierung von Mineralöl oder bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen verwendet. Er birgt als vielseitig einsetzbarer Energieträger gleichzeitig große Potenziale für den Weg hin zu einer klimaneutralen Energieversorgung. Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete lassen sich in drei Bereiche aufteilen: die Energiewirtschaft im engeren Sinne, die Industrie und der Mobilitätssektor.

Wasserstoff in der Energiewirtschaft: Flexibilität durch Speicher

Durch den Einsatz von Wasserstoff kann Energie gespeichert, transportiert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder freigegeben werden. Diese Eigenschaft prädestiniert ihn als Speichertechnologie für Erneuerbare Energien. Durch sogenannte Power-to-Gas-Verfahren kann aus regenerativ erzeugtem Strom Wasserstoff produziert werden. Dieser grüne Wasserstoff kann dann gespeichert oder weitertransportiert werden. Bereits heute gibt es in Deutschland Gasinfrastrukturen , die zum Teil auch für Wasserstoff genutzt werden können – sowohl Speicher als auch Rohre für den Transport.

Außerdem bietet sich Wasserstoff auch für die Wärmeversorgung an. Bereits heute ist es möglich, ihn bis zu fünf Prozent in die deutschen Gasnetzte einzuspeisen, ohne dass es eine Anpassung der Gasheizungen in den Haushalten bedarf. Pilotprojekte erforschen aktuell die Beimischung von bis zu 30 % Wasserstoff in Erdgasnetze.

Wasserstoff in der Industrie: Dekarbonisierung von nicht elektrifizierbaren Prozessen

In der aktuellen öffentlichen Wasserstoff-Diskussion wird dem Einsatz in der Industrie große Potenziale zugesprochen. Hier gibt es einige Prozesse, die sich nicht oder nur schwierig elektrifizieren lassen. Hier kommt also der direkte Einsatz von erneuerbarem Strom nicht infrage. Aktuell werden für diese Prozesse meist Kohle oder Erdgas genutzt, in Zukunft könnten sie relativ unkompliziert auf zunehmend grünen Wasserstoff umgestellt werden.

Wasserstoff in der Mobilität: Schwerlastverkehr ohne CO2-Emissionen

Auch im Mobilitätssektor gibt es einige Verkehrsmittel, für die sich ein elektrischer Antrieb nur bedingt anbietet: Insbesondere beim Schwerlastverkehr wird zum Beispiel aufgrund des Gewichts der Fahrzeuge viel Energie gebraucht. Dementsprechend würde verhältnismäßig viel Strom benötigt, um die erforderlichen Reichweiten abbilden zu können. Mit einer Brennstoffzelle lassen sich diese Probleme umgehen. Wenn dann noch vornehmlich grüner Wasserstoff getankt wird, werden auch hier Treibhausgasemissionen deutlich reduziert.

Wasserstoff kann außerdem durch weitere Prozessierungen zu synthetischen Kraftstoffen verarbeitet werden, welche von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren genutzt werden können. Vorteil hierbei: Alte Fahrzeuge können weiter genutzt werden ohne aufwendige Umrüstungen.

Außerdem gibt es erste Projekte, die in Wasserstoff-Züge investieren. Gerade in ländlichen Bereichen, wo es keine Oberspannungsleitungen gibt und Dieselloks fahren, können so Emissionen eingespart werden. Gleiches gilt für den Schiffsverkehr, wo der Einsatz von Schweröl noch dominiert.

 

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