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Flexible Herstellung: Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff steht aktuell im Rampenlicht als ein Hoffnungsträger für eine klimaneutrale Energieerzeugung. Aber was steckt hinter dem Energietalent und vor allem: Wie wird er produziert?
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Wasserstoff – das häufigste Element in unserem Universum – ist in gebundener Form in nahezu allen organischen Verbindungen vorhanden. Er 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 in der Natur vor?

Wasserstoff (H2) kommt nur gebunden vor, zum Beispiel mit Sauerstoff (O2) als Wasser (H2O). Auch Methan (CH4) – der Hauptbestandteil von Erdgas – sowie Erdöl sind wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen, so genannte Kohlenwasserstoffe. Zudem enthalten mehr als die Hälfte aller bisher bekannten Minerale Wasserstoff. In der Erdatmosphäre ist er im Wasserdampf enthalten.

Wie wird Wasserstoff erzeugt?

Wasserstoff ist ein natürliches chemisches Element, dessen Energiegehalt genutzt werden kann. Er lässt sich als Energieträger speichern und transportieren sowie zur Energieumwandlung einsetzen. Zudem ist er ein wichtiges Industrieprodukt.

Da Wasserstoff auf der Erde jedoch nicht allein, sondern nur in Form von Verbindungen vorkommt, muss er mit Hilfe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten werden. Als Ausgangsstoffe kommen unter anderem in Frage:

  • Erdgas, mit seinem Hauptbestandteil Methan 
  • andere Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Erdöl 
  • Biomasse
  • Wasser 
  • andere wasserstoffhaltige Verbindungen

Diese Stoffe werden mit Hilfe von chemischer, elektrischer, thermischer oder solarer Energie getrennt und so reiner, ungebundener Wasserstoff erzeugt. Aktuelle Konzepte sehen zunehmend eine Wasserstoffgewinnung mit Hilfe Erneuerbarer Energien vor. Damit ist eine klimaneutrale Wasserstoffherstellung möglich.

Wasserstoff lässt sich durch verschiedene Verfahren gewinnen:

Elektrolyseverfahren: Emissionsfreie Erzeugung von grünem Wasserstoff

In Deutschland sind bereits mehr als 30 Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff installiert. Bei diesen Anlagen handelt es sich zum Großteil um Demonstrations- und Forschungsprojekte. Wir haben für Sie eine Übersicht über Einsatzgebiete und einige Best-Practice-Beispiele zusammengestellt. 

Aber was genau passiert bei diesem Verfahren?

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser unter Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wandert der Wasserstoff zum negativ geladenen und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.

Stammt der zur Elektrolyse benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen, wird sogenannter grüner Wasserstoff erzeugt. Weitere Möglichkeiten, grünen Wasserstoff zu erzeugen, bestehen in der Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie der Reformierung von Biogas. All diese Verfahren sind CO2-neutral.

Reformierungsverfahren: Grauer bzw. blauer Wasserstoff aus Erdgas

Im industriellen Maßstab wird Wasserstoff heute hauptsächlich aus Erdgas, zum Beispiel durch Zugabe von Wasserdampf (Dampfreformierung), erzeugt. Bei dieser chemischen Reaktion entstehen Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Hierbei spricht man von grauem Wasserstoff.

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

Methanpyrolyse: Türkiser Wasserstoff

Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas, zum Beispiel Methan (CH4), unter Zugabe von Hitze gespalten. Dabei entsteht Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Damit das Verfahren CO2-neutral ist, muss die Energieversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen stammen. 

Außerdem muss der entstehende Kohlenstoff langfristig gebunden werden. Er kann beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie sowie im Straßenbau verwendet werden.

Hintergründe und ausführliche Erklärungen zur Herstellung von Wasserstoff, seiner Geschichte und den Potenzialen gibt es auch in unserer aktuellen Lehrerhandreichung "Wasserstoff" und im BDEW-Factsheet "Wasserstoff".

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