Finden Sie jetzt Ihren Energie-Experten! 2937 registrierte Profis direkt erreichen und kostenlos vergleichen!
Jetzt lesen: So funktioniert energie-experten.org

Wasserstoff: Herstellung und wichtige Einsatzgebiete

Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft. Durch seinen Einsatz wird eine erhebliche Verringerung der Abhängigkeit von zunehmend knapper und teurer werdenden fossilen Energieressourcen, sowie eine Reduzierung von Treibhausgasen und anderen Luftschadstoffen möglich.

  • Wasserstoff zeichnet sich gegenüber allen anderen Brennstoffen durch den höchsten Energieinhalt aus: bei der Verbrennung von nur 1 Kilogramm Wasserstoff zu Wasser wird dieselbe Energie frei wie bei der Verbrennung von 2,75 Kilogramm Benzin.
  • Wasserstoff kann aus einer Vielzahl von Energiequellen hergestellt werden und ist vergleichsweise gut speicherbar. Der Einsatz in der Brennstoffzelle ermöglicht die hocheffiziente und emissionsfreie Bereitstellung von Nutzenergie.
  • Noch 2020 wurden 98% des verwendeten Wasserstoffs auf Basis von fossilen Energieträgern produziert. Die am weitesten entwickelten Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff sind das Reformierungsverfahren und die Wasser-Elektrolyse.
  • Wasserstoff ist ein Energieträger oder Speichermedium, keineswegs jedoch handelt es sich bei Wasserstoff um eine Energiequelle. In diesem Zusammenhang kann man grundsätzlich nicht davon sprechen, dass Wasserstoff auf alle Fälle "grün" oder umweltfreundlich ist.
  • Grundsätzlich eignet sich Wasserstoff direkt als Energieträger, als Ausgangsstoff für treibhausgasneutrale Anwendungen, als Verbindung der Sektoren Wärme, Mobilität, Strom und Industrie („Sektorenkopplung“) sowie als Medium für Speicherung und Transport.
  • Insbesondere für den sehr stark von fossilem Öl abhängigen Bereich der kraftfahrzeuggestützten individuellen Mobilität (PKW, Nutzfahrzeuge) wird Wasserstoff mittel- und langfristig als Alternativkraftstoff und sinnvolle Ergänzung zur E-Mobilität gesehen.
  • "Grüner" Wasserstoff kann einen gewichtigen Beitrag zur Defossilisierung energieintensiver Branchen z. B. der Stahlindustrie in Deutschland und Europa sowie zum Erreichen der Klimaschutzziele im Wärmesektor leisten.

So funktioniert der ideale Einsatz von Wasserstoff:

  • Per Elektrolyseur wird Windstrom  aus Windkraftanlagen  in Wasserstoff umgewandelt.
  • Dabei entsteht zusätzlich  Abwärme, die in  vorhandenen  oder neu zu errichtenden  Nahwärmenetzen für das Beheizen von Gebäuden genutzt wird.
  • Der Wasserstoff  kann dann  in mobilen Speichercontainern per LKW zu  z. B.  H2-Tankstellen transportiert, wo sie Brennstoffzellen-Busse, LKWs und auch PKWs  versorgen.
  • Oder Brennstoffzellen wandeln den Wasserstoff wieder in Öko-Strom  um, diesen vor Ort zu verbrauchen oder das Stromnetz zu stabilisieren. Die entstehende Wärme kann zu Heizzwecken auch im Einfamilienhaus genutzt werden.
  • Per Methanisierung kann man den Wasserstoff mit CO2 in Methan umwandeln und in das Erdgasnetze einspeisen.
Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (H2-BHKW) agenitor 404c H2 von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 115 kW (129 kW thermisch) (Foto: 2G Energy AG)
Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (H2-BHKW) agenitor 404c H2 von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 115 kW (129 kW thermisch) (Foto: 2G Energy AG)

Herstellungsmethoden im Überblick: Das Farbenspiel

Wasserstoff ist ein Gas und auf der Erde fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffen, etc.) vorhanden. Wasserstoff wird gewonnen, indem man Wasser (H2O) in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H2) aufspaltet. Allerdings braucht es viel Energie, um das Molekül H2 abzuspalten. Dazu setzt man Verfahren wie die Dampfreformierung, Kohle- und Biomassevergasung ein. Geschieht dies mit Hilfe elektrischen Stroms, spricht man von Elektrolyse.

Tabelle: Wasserstoff-Produktionsprozesse im Überblick
Erdgas Dampfreformierung
Kohle Kohlevergasung
Biomasse Biomassevergasung
Netzstrom Elektrolyse
Ökostrom Elektrolyse

Grüner Wasserstoff

Für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse kann Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne verwendet werden. Dann spricht man von „grünem“ Wasserstoff. Das Verfahren wird auch als Power-to-Gas bezeichnet – es ist eine der Power-to-X-Technologien (PtX-Technologien), bei denen Strom genutzt wird, um zum Beispiel Gase (Power-to-Gas), Wärme (Power-to-Heat) oder flüssige Energieträger (Power-to-Liquid) herzustellen.

Skizze der geplanten Wasserstoffleitung in Lingen, Marl und Gelsenkirchen (Grafik: RWE Generation SE)
Ab Ende 2022 soll grüner Wasserstoff im niedersächsischen Lingen in einer 100 MW Elektrolyseanlage der RWE Generation aus erneuerbaren Energien erzeugt werden. Größtenteils über bestehende Gasleitungen der Fernleitungsnetzbetreiber Nowega und OGE, die auf den Transport von 100 Prozent Wasserstoff umgestellt werden, sowie einen Teilneubau von Evonik, wird der Rohstoff zu industriellen Abnehmern wie Raffinerien und Chemieparks in Lingen, Marl und Gelsenkirchen transportiert. Perspektivisch sollen bestehende Kavernenspeicher entlang der Wasserstoffleitung eingebunden werden. (Grafik: RWE Generation SE)
Im nordfriesischen Bosbüll errichtete GP JOULE 2020 im Rahmen des Projekts eFarm einen Elektrolyse-Standort, der Wasserstoff-Tankstelle in Husum und Niebüll versorgen soll. (Foto: GP JOULE)
Im nordfriesischen Bosbüll errichtete GP JOULE 2020 im Rahmen des Projekts eFarm einen Elektrolyse-Standort, der Wasserstoff-Tankstelle in Husum und Niebüll versorgen soll. (Foto: GP JOULE)

Blauer Wasserstoff

Aber auch der durch CO2-Abscheidung und -Speicherung (sogenannte Carbon-Capture-and-Storage, CCS) produzierte „blaue“ Wasserstoff kann mindestens für eine Übergangszeit einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduzierung leisten. Der blaue Wasserstoff gilt als CO2-frei, wenn bei der Herstellung kein CO2 in die Atmosphäre entweicht.

Grauer Wasserstoff

„Grauer“ Wasserstoff hingegen ist nicht CO2-neutral: Bei der Herstellung fällt in jedem Fall CO2 an, da er aus fossilen Energiequellen wie beispielsweise Erdgas gewonnen wird oder in der Industrie entsteht. Grauer Wasserstoff fällt in der Industrie, zum Beispiel im Chemiepark Leuna, bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse als Nebenprodukt an. Dabei entsteht so viel Wasserstoff, dass damit ein Großteil der deutschen Busflotte damit betrieben werden könnte.

Türkiser Wasserstoff

Türkiser Wasserstoff wird per Methanpyrolyse (Methane Splitting) aus Erdgas hergestellt. Das Verfahren befindet sich noch in der Pilotphase. Dabei wird Erdgas thermisch in einem Hochtemperaturreaktor in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegt.

Das Verfahren ist weniger energieeffizient als die Dampfreforming mit Erdgas (Steam Methane Reforming - kurz SMR), dafür wird beim Produktionsprozess kein CO2 freigesetzt. Der Kohlenstoff fällt in fester Form an und lässt sich weiter nutzen (wobei dann je nach Einsatz später CO2 frei werden kann). Wie bei allen erdgasbasierten Verfahren treten auch hier in der Erdgas-Lieferkette erhebliche CO2- und Methanemissionen auf.

Alternative Herstellung von grünem Wasserstoff

Photosynthetisch hergestellter Wasserstoff

Wasserstoff muss nicht zwangsläufig per Elektrolyse aus Strom gewonnen werden. Auch in natürlichen Prozessen entsteht Wasserstoff. Grundlage bildet die Photosynthese, die Sonnenenergie in Kohlenstoffverbindungen wie zum Beispiel Zucker speichert. Wenn diese Kohlenstoffverbindungen genutzt werden, entsteht jedoch CO2. Koppelt man jedoch ein Enzym an die Photosynthese, so kann ein Bakterium Wasserstoff produzieren ohne ihn selbst zu verbrauchen. Schon lange experimentiert die Forschung mit Hilfe der Hydrogenase, Wasserstoff zu produzieren.

Forschern an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es gelungen, ein bestimmtes Enzym der lebendigen Cyanobakterien, eine sogenannte Hydrogenase (von ‚hydrogen’, Englisch: Wasserstoff) so an die Photosynthese zu koppeln, dass das Bakterium über lange Zeiträume solaren Wasserstoff produziert und nicht wieder verbraucht.

In diesem Prozess durchlaufen Elektronen sogenannte Photosysteme, in denen sie in einer Kaskade von Reaktionen schließlich den universellen Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) und sogenannte Reduktionsäquivalente (NADPH) hervorbringen. ATP und NADPH werden anschließend benötigt, um CO2 zu fixieren und Zucker zu produzieren. Die für die Wasserstoffproduktion benötigten Elektronen sind also normalerweise Teil von Stoffwechselprozessen, die den Cyanobakterien gespeicherte Energie in Form von Zucker zur Verfügung stellen. Das Kieler Forschungsteam hat einen Ansatz entwickelt, um diese Elektronen umzuleiten und den Stoffwechsel der lebendigen Organismen primär zur Herstellung von Wasserstoff anzuregen.

Anders als bei in vitro Ansätzen ist der Stoffwechsel lebender Cyanobakterien prinzipiell in der Lage, dauerhaft Wasserstoff zu produzieren. (Foto: © Dr. Kirstin Gutekunst)
Anders als bei in vitro Ansätzen ist der Stoffwechsel lebender Cyanobakterien prinzipiell in der Lage, dauerhaft Wasserstoff zu produzieren. (Foto: © Dr. Kirstin Gutekunst)

Schon lange experimentiert die Forschung mit Algenreaktoren, mit Hilfe der Hydrogenase Wasserstoff zu produzieren. Eine Bochumer Arbeitsgruppe um Prof. Happe hat dazu mit Kollegen der Universität Münster den grünalgenspezifischen Prozess der Wasserstoffbildung durch Kombination der Hydrogenase mit ausgewählten Proteinen der Photosynthesekette im Reagenzglas nachgebildet. Sie isolierten dafür getrennt voneinander die für die Lichtaufnahme erforderlichen Photosynthesekomplexe, das als Elektronenvermittler dienende Ferredoxin PetF und die wasserstoffproduzierende [FeFe]-Hydrogenase HydA1, die sie dann unter Belichtung vereinten.

Die Wasserstoffbildung durch die natürlichen Komponenten im Reagenzglas zeigte sich dabei erstaunlich effektiv im Vergleich mit anderen Ansätzen wie der US-amerikanischer Forscher aus Tennessee. Diese berichteten von der Etablierung eines semiartifiziellen Systems zur lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion mit flächig aufgelagerten Photosynthesekomplexen und Platin-Nanopartikeln, welche die Katalysatorfunktion einer Hydrogenase ersetzen.

Ihren Angaben zufolge liegt die Ausbeute, die mit einer großtechnischen Anlage unter optimalen Bedingungen gewonnen werden könnte, um eine Größenordnung über der Kraftstoffausbeute, die heute mit landwirtschaftlichen Mitteln in der Produktion von Biodiesel oder Bioethanol erzielt werden kann. "Die in dieser Studie erreichte Wasserstoffbildungsrate von hochgerechnet drei Litern pro Gramm Chlorophyll und Tag wird vom natürlichen System der Grünalgen bereits im Reagenzglas um das sechsfache übertroffen", entgegnet Prof. Happe.

Rekonstruktion der lichtabhängigen Wasserstoffproduktion von Grünalgen im Reagenzglas (Foto: Prof. Dr. Thomas Happe, AG: Photobiotechnologie, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum)
Rekonstruktion der lichtabhängigen Wasserstoffproduktion von Grünalgen im Reagenzglas (Foto: Prof. Dr. Thomas Happe, AG: Photobiotechnologie, Fakultät für Biologie und Biotechnologie der Ruhr-Universität Bochum)

Solarenergiegetriebene Wasserstoff-Herstellung

Die Photosynthese der Pflanzen ist ein biokatalytischer Prozess, bei dem die Wasserspaltung von zentraler Bedeutung ist, damit die Pflanze Sauerstoff produzieren kann, und die Aufklärung der Wasser-Oxidation und -Reduktion in der Pflanze ist für viele Forscher in unterschiedlichen Disziplinen der molekularen Wissenschaften von zentralem Interesse. Im Exzellenzcluster "Unifying Concepts in Catalysis" (UniCat) in Berlin befasst man sich u.a. auch mit der bioinspirierten Katalyse der Sauerstoff- und Wasserstoffbildung über einen nicht-biologischen Ansatz mit neuen anorganischen Materialien, also mit der künstlichen Solarenergie-getrieben Wasserspaltung.

Dasselbe Ziel, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff nachhaltig mit sichtbarem Licht zu betreiben, verfolgt eine Arbeitsgruppe um Professor Dr. Licheng Sun vom Department für Chemie am Royal Institute of Technology im schwedischen Stockholm. Inspiriert von der Struktur und Funktionsweise des Sauerstoff-bildenden Komplexes im Photosystem II der Pflanzen, synthetisieren die Wissenschaftler Ruthenium-Komplexe der unterschiedlichsten Art, von denen sich einige als sehr effiziente Katalysatoren für die Wasseroxidation sowohl mit Licht als auch mit chemischen Oxidationsmitteln herausstellten.

Auch am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock befasst man sich mit den beiden Halbreaktionen Wasseroxidation und Wasserreduktion. Dafür setzt man im Forschungsbereich von Beller Opferreagenzien (Stoffe, die irreversibel reagieren) als Elektronendonatoren oder Elektronenakzeptoren ein.

Transport von Wasserstoff

Nach der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff per z. B. Elektrolyse kann man den Wasserstoff (H2) dann mit CO2 in Methan (CH4) umwandeln (siehe auch "Power-to-Gas (PtG)-Verfahren"). Das in dieser Methanisierung gewonnene Methan ist nahezu erdgasgleich und lässt sich problemlos in die bestehenden Erdgasnetze einspeisen.

Klassische, chemisch-physikalische Methanisierungs-Verfahren sind aufgrund der erforderlichen hohen Drücke und Temperaturen vergleichsweise teuer. Um die Fluktuation von erneuerbaren Energien wie Windkraft oder Photovoltaik auszugleichen, erscheint die biologische Methanisierung als geeignete Alternative. Dabei wandeln Einzeller, sog. Archaeen, H2 und CO2 bei Umgebungsbedingungen in CH4 umgewandelt. Eine biologische Methanisierung des Wasserstoffs findet in sogenannten Rieselbettreaktoren statt.

Power-to-Gas-Anlage der ENERTRAG in Prenzlau (Foto: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW))
In einer Power-to-Gas-Anlage der ENERTRAG in Prenzlau wird getestet, welche Membranen sich am besten für eine Wiedergewinnung des Wasserstoffs eignen, welche Mengen sich aus dem Gasstrom abtrennen lassen und welchen Reinheitsgrad dieser Wasserstoff erreicht. (Foto: DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (DVGW))

Für Anwendungen, die kein Gasgemisch vertragen, muss der Wasserstoff wieder entfernt werden. Das betrifft insbesondere gasqualitäts-sensitive Industriekunden. Dazu werden Membranen eingesetzt, um Wasserstoff aus Erdgas-Wasserstoff-Gemischen abzutrennen. Die technische Möglichkeit der Abtrennung entscheidet über die Frage, ob Wasserstoff und Erdgas dank Membrantechnik künftig als Gemisch transportiert werden und damit gleichermaßen für reine Wasserstoff- und Methananwendungen die benötigten Gasmengen bereitstellen können oder separate Wasserstoff- und Mischgasinfrastrukturen geplant werden müssen.

Wasserstofffreisetzungsanlage "ReleaseBOX" (Foto: Hydrogenious LOHC Technologies GmbH)
Die LOHC-Technologie (Liquid Organic Hydrogen Carrier) (hier Wasserstofffreisetzungsanlage "ReleaseBOX") ermöglicht es, Wasserstoff unter Verwendung einer ölartigen Flüssigkeit als Träger und mit Hilfe der vorhandenen Kraftstoffinfrastruktur zu transportieren. (Foto: Hydrogenious LOHC Technologies GmbH)

Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff

Wasserstoff wird heute 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.

Künftig soll er aber noch in viel mehr Bereichen wie z. B. zum Heizen mit Brennstoffzellen-Heizungen verstärkt eingesetzt werden:

  • Im Verkehrssektor, insbesondere im Fern- und Schwerlastverkehr, in der Schiff- und Luftfahrt (Stichwort „mobile Brennstoffzelle“).
  • Als Grundstoff für weitere gasförmige und flüssige synthetische Energieträger und Grundchemikalien (unter anderem im Raffinerie- und Chemiebereich)
  • Für emissionsarme Fertigungsprozesse in der Industrie (Stahl, Metallverarbeitung).
  • In der Zement-, Glas- und Keramikherstellung in Kombination mit Kohlenstoffquellen (Carbon Capture and Usage CCU).

Wasserstoff in der Stahlindustrie

Noch 2020 war das stahlproduzierende Gewerbe mit 22 Prozent der größte industrielle CO2-Emittent in Europa. Um gemäß des Pariser Klimaabkommens bis 2050 klimaneutral zu werden, müssen die Unternehmen ihre Produktion in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf eine neue, großflächig einsetzbare und vor allem klimaneutrale Technologie umstellen.

Der CO2-Ausstoß könnte durch eine Kombination von CO2-Speicherung und teilweisem Einsatz von Biomasse im Hochofen zwar reduziert, allerdings nicht auf null gesenkt werden. Andere Optionen wie die Plasma-Direktstahlerzeugung oder die elektrolytische Reduktionsverfahren befinden sich in einem sehr frühen Entwicklungsstand.

Wasserstoffbasierte Direktreduktion ist nach Ansicht von Branchenexperten am weitesten entwickelt und - sobald es denn genügend grüne Energie gibt - für das Klima am sinnvollsten. Bei der Direktreduktion wird Eisenerz anstatt mit Koks mit Hilfe von Erdgas oder Wasserstoff zu Eisen reduziert, das hier als sogenannter Eisenschwamm anfällt. Je höher dabei der Wasserstoffanteil ist, desto weniger CO2-intensiv ist der Vorgang. Vor einer Weiterverarbeitung muss der anfallende Eisenschwamm in Elektrolichtbogenöfen noch einmal aufgeschmolzen werden. Die Einführung der Direktreduktion läuft auf einen Austausch der bestehenden koksbasierten Hochöfen hinaus.

Der Gesamtenergiebedarf für eine klimaneutrale Stahlproduktion beläuft sich auf circa 120 Terrawattstunden (TWh) pro Jahr. Zum Vergleich: Momentan ist die weltweit größte Anlage zur Wasserstoff-Elektrolyse in Hamburg geplant. Sie kann bei einer optimalen Laufleistung nicht ganz 1 TWh pro Jahr erzeugen.

Wasserstoff im Verkehrsbereich

Im Verkehrsbereich können Wasserstoff und seine höheren, nachhaltigen Syntheseprodukte eingesetzt werden, um Brennstoffzellen zu betreiben oder zeitlich begrenzt als ergänzende Maßnahme zum notwendigen Antriebswechsel im Bestand von Verbrennungsmotoren fossile Kraftstoffe zu verdrängen. Daraus ergibt sich erhebliches Klimaschutz- und Wertschöpfungspotential insbesondere

  • für den Flugverkehr,
  • für nicht-elektrifizierte Schienenstrecken,
  • perspektivisch auch für die Schifffahrt und
  • auch für den Bestand im Straßenverkehr.

Bei den schweren Nutzfahrzeugen sowohl auf der Straße als auch der Schiene kommt der schnellen Verfügbarkeit von marktfähigen Brennstoffzellenantrieben eine wichtige Rolle zu. Durch die Mitverarbeitung von erneuerbarem Wasserstoff in den Raffinerien bei der Kraftstoffproduktion können zusätzlich Emissionen gemindert werden.

Brennstoffzellenfahrzeug der DREWAG und ENSO an Wasserstofftankstelle (Foto: Oliver Killig / DREWAG - Stadtwerke Dresden GmbH)
Die DREWAG und die ENSO nutzen in Ihrem Fuhrpark auch Brennstoffzellenfahrzeuge mit eigener Wasserstofftankstelle. Um die Fahrzeuge anzutreiben, wird der Wasserstoff in eine Brennstoffzelle geleitet, wo er mit Sauerstoff reagiert. Durch diese chemische Reaktion entsteht die Elektrizität für den Elektromotor. (Foto: Oliver Killig / DREWAG - Stadtwerke Dresden GmbH)

Wasserstoff im Gebäudebereich

Auch im Gebäudebereich bietet der direkte Einsatz von Wasserstoff und ggf. auch von erneuerbaren synthetischen Brennstoffen insbesondere für Quartierskonzepte zusätzliche CO2-Minderungspotentiale, etwa

  • durch den Einsatz von Wasserstoff als Energiespeicher,
  • in Brennstoffzellenheizungen,
  • durch die Beimischung im Gasnetz und
  • durch die Nutzung der Abwärme von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen.

Systemseitig kann Wasserstoff neben weiteren Speichern zudem als Langzeitspeicher die Energieversorgung mit Erneuerbaren Energien ganzjährig sichern.

In der Studie "Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem: Fokus Gebäudewärme" hat das Fraunhofer IEE untersucht, ob zukünftig Wasserstoff oder Wärmepumpen zur Gebäudewärmeversorgung eingesetzt werden sollten. Das Ergebnis ist eindeutig: Wasserstoff sollte nur dort zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden, wo es keine wirtschaftlichen Alternativen gibt. Denn die benötigte erneuerbare Energiemenge zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme mit Wasserstoff ist um 500 bis 600 % höher gegenüber der Wärmepumpe.

"Wasserstoff-Herstellung & wichtige Einsatzgebiete" wurde am 10.06.2020 das letzte Mal aktualisiert.