Zukunft Wasserstoff

Ein Element mit dem Potenzial zum Wundermittel

© Ofinuddin Mochamad

Wasserstoff ist das erste, älteste, einfachste, leichteste und häufigste Element von allen. Das erste und älteste, weil es schon in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden ist. Das einfachste, weil das Wasserstoffatom lediglich aus einem Proton besteht.  Deshalb die Ordnungszahl eins und der Platz links oben im Periodensystem. So ein Winzling wiegt naturgemäß nicht viel. Er ist so leicht, dass er die Schwerkraft der Erde überwinden kann – deshalb findet sich heute nur noch wenig Wasserstoffgas in der Atmosphäre. In der Erdkruste dagegen ist Wasserstoff das dritthäufigste Atom – meist in gebundener Form, sprich als Teil komplexerer Strukturen.

Universell betrachtet ist Wasserstoff überall vorhanden: 90 Prozent aller im Universum existierenden Atome sind Wasserstoff. In unserem eigenen Sonnensystem ist er in der Sonne konzentriert, die unermüdlich jeweils zwei Wasserstoffatome zu einem Heliumatom fusioniert. Unsere Sonne verbraucht pro Sekunde rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff, dabei wird Energie frei und abgestrahlt, umgangssprachlich Sonnenschein genannt. Ohne diese Wasserstoffheizung wäre der Ofen auf der Erde aus. Was im Umkehrschluss bedeutet, dass unsere wichtigste Wärmequelle in ungefähr 4,5 Milliarden Jahren ausgeht. Spätestens dann müssen wir eine Alternative beherrschen.

Eine feste Verbindung

Wasserstoffatome verbinden sich bei Kontakt: Aus H und H wird zwangsläufig H2 – normalerweise liegt Wasserstoff dann gasförmig vor. Kommt Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) in Berührung, entsteht unter bestimmten Bedingungen Wasser (H2O). Diese Verbindung ist stabil.

Kaum stand genug Wasserstoff zur Verfügung, wurde er unverzichtbar für viele Anwendungen: Wasserstoff sorgte beispielsweise für den Auftrieb von Luftschiffen, für die Veredelung von Kraftstoffen und für die Fertigung hochwertiger Chemieprodukte. Aus Stickstoff und Wasserstoff wurde mithilfe des Haber-Bosch-Verfahrens Ammoniak – ein unverzichtbarer Dünger für die rasant anwachsende Landwirtschaft. Darüber hinaus dient das Element in der Metallurgie als Kühlmittel in Generatoren und in der Lebensmittelindustrie als Schutzgas und zur Fetthärtung. Nicht zu vergessen die Raketentechnologie: Schon das Apollo-11-Landemodul hob mit Wasserstoff in Richtung Erde ab.

Vorsicht, Benzin!

Dass das Element aber auch Gefahren mit sich bringt, weiß die Menschheit spätestens seit dem 6. Mai 1937. An diesem Tag brannte der Zeppelin Hindenburg. Die genaue Unfallursache ist bis heute ungeklärt. Sicher ist nur eines: Explodiert ist LZ 129 nicht. Wasserstoff ist nicht so brandgefährlich wie sein Ruf. Der Knallgaseffekt tritt nur unter sehr speziellen Bedingungen ein: Dazu bedarf es eines Luft-Wasserstoff-Gemisches von mindestens 18 Prozent sowie eines Funkens oder einer Umgebungstemperatur von mehr als 560 °C. Weil Wasserstoff aber extrem flüchtig ist und in einer 

Unfallsituation sofort nach oben entweicht, bleibt die Wasserstoffkonzentration meist im unkritischen Bereich. Benzin ist ungleich gefährlicher: Es entzündet leichter und verharrt länger an der Auslaufstelle.

Farbenlehre

Für die Produktion von Wasserstoff gibt es unterschiedliche Verfahren, die sich nachhaltig unterscheiden – vor allem was ihre Umweltverträglichkeit betrifft. Je nach Prozess und dabei verwendeter Energieart wird nach Farben unterschieden. Am häufigsten wird heute grauer Wasserstoff aus Erdgas hergestellt – dieses Verfahren macht aktuell 98 Prozent der weltweiten Produktion aus. Forscher und Anlagentechniker arbeiten aber rund um den Globus unter Hochdruck am Ausbau von grünem Wasserstoff. Nur in Verbindung mit diesem Herstellungsverfahren kann das Element seine ökologischen und ökonomischen Vorteile voll ausspielen.

Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Ökostrom. Die elektrische Spannung spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Damit wird der eingesetzte Strom in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Dabei entstehen keine Treibhausgase. Das Verfahren zählt zu den Power-to-X-Technologien – zu den nachhaltigen Speicherkonzepten im Rahmen der Energiewende.

Roter Wasserstoff ist mit Atomstrom erzeugter Wasserstoff. Damit ist das Verfahren weitgehend CO2-neutral, aber aus bekannten Gründen umstritten.

Grauer Wasserstoff wird durch Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen, das wiederum hauptsächlich aus Methan besteht (CH4). Dabei wird das Gas unter Wasserzugabe bei hohen Temperaturen und Drücken in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid aufgespalten. Pro Tonne Wasserstoff entstehen circa zehn Tonnen CO2.

Blauer Wasserstoff: Wird das CO2 aus der Produktion von grauem Wasserstoff aufgefangen und weiterverwendet beziehungsweise final in geologischen Lagerstätten gespeichert (Carbon Capture and Storage), wird aus grauem  Wasserstoff per definitionem blauer Wasserstoff.

Türkiser Wasserstoff wird in Hochtemperaturreaktoren durch die thermische Spaltung von Methan hergestellt. Dabei entsteht fester Kohlenstoff – und kein CO2. Voraussetzungen für die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens sind die Art der Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors und die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs, zum Beispiel durch seine Verwendung als Asphalt im Straßenbau.

Brauner Wasserstoff entsteht durch Vergasung aus Kohle. Dieses Verfahren wird allerdings allein durch ein japanisches Konsortium in Australien angewandt.

Weißer Wasserstoff bezeichnet natürliche Vorkommen in der Erdkruste und kann an wenigen Stellen durch Fracking gewonnen werden. Andere Autoren bezeichnen auch Wasserstoff, der in Chemieanlagen als Nebenprodukt anfällt, als weiß.

Hellgrün ist die Hydrogenase, bei der Bakterien mithilfe von Sonnenenergie Biomasse in Methan und Wasserstoff umwandeln. Dazu existieren aber erst Pilotprojekt.

Zu Wasser, zu Lande und in der Luft

Die heutige weltweite Wasserstoffproduktion beträgt rund 30 Millionen Tonnen – das sind circa 540 Milliarden Kubikmeter. 1,3 Millionen Tonnen davon werden in Deutschland verbraucht. Der weltweite Bedarf an Wasserstoff wird in den nächsten Jahren weiterhin rasant steigen. Denn einerseits verlangt die wachsende Erdbevölkerung nach viel mehr Kunstdünger, andererseits ist Wasserstoff Energie- wie auch Hoffnungsträger. Momentan wird Wasserstoff vor allem in der chemischen Industrie für Raffinerieprozesse (40 %) sowie für die Herstellung von Ammoniak (25 %) und Methanol (20 %) eingesetzt. Begrenzte Ressourcen, die Klimakrise und nicht zuletzt ein gesteigertes Umweltbewusstsein fördern derzeit rasant neue Einsatzbereiche: Aktuell wird Wasserstoff auch als nachhaltiges Speicherkonzept im Rahmen der Energiewende und als Alternative zur akkugetriebenen E-Mobilität gehandelt. Eine Studie der Deutschen Shell prognostiziert, dass im Jahr 2050 etwa die Hälfte der Weltenergieerzeugung aus erneuerbaren Quellen kommen wird – vorzugsweise aus Windkraft und Sonnenenergie. Die Experten erwarten, dass wiederum ein Viertel davon in Form von Wasserstoff zwischengespeichert und transportiert wird. An Lösungen für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff arbeiten Wissenschaftler und Industrie derzeit rund um den Globus unter Hochdruck – zunehmend auch mit staatlicher Unterstützung.

Für künftige Anwendungen kommen zwei Bereiche hinzu: in stationären Anlagen für die Energiegewinnung und als Treibstoff für Fortbewegungsmittel aller Art. Dabei handelt es sich nicht nur um straßengebundene Fahrzeuge, sondern auch um jegliche Form der Fortbewegung. Linde bietet beispielsweise bereits Flurförderfahrzeuge auf Wasserstoffbasis an, Freudenberg arbeitet an Brennstoffzellen für den Einsatz in Hochsee-Passagierschiffen. Sie werden derzeit erstmals an Bord der AIDAnova im Betrieb getestet. Spätestens 2026 soll das Propellerflugzeug „Dornier 228“ mit einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle abheben. Gerade die Luftfahrt bietet ungeteiltes Potenzial für Wasserstoff, denn Akkutechnologie ist zu schwer zum Fliegen. Deshalb spielen E-Motoren oberhalb der Wolken bisher keine Rolle. Die leichtere Brennstoffzelle soll das jetzt ändern.

Schneller drin, schneller weg

So weit die möglichen Einsatzbereiche, so viel versprechend die Anwendung: Auch Transport- und Tankvorteile sprechen für Wasserstoff. Im Gegensatz zur Batterieladung dauert der Füllvorgang nur Minuten. Überdies könnten Wasserstofftankstellen die geplanten Hochspannungsleitungen quer durch Deutschland überflüssig machen, die den Strom zum Aufladen der Batteriemotoren transportieren sollen. Zudem können so in Zeiten schwacher Nachfrage wie nachts oder am Wochenende bestehende Kraftwerkskapazitäten zur Wasserstoffelektrolyse genutzt werden. 

Windiger Wasserstoff

Energieexperten sehen Offshore-Windkraftanlagen und/oder die Nutzung von Sonnenenergie in den äquatornahen Ländern Afrikas als Königsweg für die Herstellung von grünem Wasserstoff. Eine Analyse der Boston Consulting Group rechnet vor, dass ein Kilo Wasserstoff aus Richtung Nordsee rund zwei Euro kosten wird, genauso viel wie Wasserstoff aus Afrika – vorausgesetzt, es kommt per Pipeline. Der Schiffstransport würde den Preis um ungefähr einen Euro erhöhen.

Das allerdings ist Zukunftsmusik. Derzeit kostet ein Kilogramm Wasserstoff an der öffentlichen Wasserstofftankstelle ungefähr 9,50 Euro. Damit kommt ein Brennstoffzellenauto derzeit rund 100 Kilometer weit. Die Treibstoffkosten von Benzinern und Brennstoffzellenfahrzeugen sind deshalb heute bereits ziemlich ausgeglichen . In Zukunft könnte die Rechnung klar pro Wasserstoff ausfallen: Linde, Siemens, Vattenfall und Total planen im Verbund Windkraftwerke, die
direkt vor Ort und mit dem dort erzeugten Strom grünen Wasserstoff erzeugen. Eine Anlage soll einmal 800 Autos mit Treibstoff versorgen – zu einem Drittel des heutigen Preises.

Es ist nicht alles Wasserstoff, was glänzt

Wasserstoff ist auf dem Vormarsch. Aktuell verbleiben aber noch strukturelle Nachteile im Mobilitätsbereich wie Fahrzeugauswahl oder Versorgungssicherheit. So zählt der europäische Automobilverband ACEA in ganz Europa derzeit nur 150 Wasserstofftankstellen. 100 davon konzentrieren sich auf deutsche Großstädte. Mehrere deutsche Automobilhersteller arbeiten inzwischen wieder an Brennstoffzellenkonzepten – ein serienfähiges Modell ist jedoch noch nicht verfügbar. In den letzten Jahren haben sich die deutschen Hersteller wegen der politischen Vorgaben eher auf die Entwicklung und Produktion von Elektroautos konzentriert.

Im Gegensatz zu europäischen Herstellern setzt Hyundai konsequent auf Wasserstoff und will bis 2030 jährlich 700.000 Brennstoffzellensysteme verkaufen: vor allem für Pkws, aber auch für Lkws, Schiffe und Drohnen. Momentan sind weltweit rund 18.000 Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle unterwegs. In Deutschland waren es Ende 2020 dagegen 507. Ähnlich sieht es bei den Gabelstaplern aus: In den USA sind schon mehr als 25.000 mit Brennstoffzellen in Lagerhallen unterwegs, in Europa ist es bislang nicht einmal ein Zehntel davon.

Wohin mit dem Wasserstoff?

Wasserstoff hat viele Einsatzmöglichkeiten. Wie kommt er aber dorthin, wo er benötigt wird? Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Pipelines oder Tankfahrzeuge. Durch die schon heute bestehenden Pipelines kann Erdgas plus 20 Prozent gasförmiger Wasserstoff gepumpt werden. Für reinen Wasserstoff müssten allerdings neue Pipelines gebaut werden. Sie könnten dann zum Beispiel moderne Blockheizkraftwerke versorgen. Heizenergie verschlingt rund 40 Prozent des gesamten Energiebedarfs in Deutschland – eines der großen Zukunftspotenziale für Wasserstoff.

Der Transport in Tanks ist ungleich aufwendiger, für mobile Anwendungen aber unabdingbar. Eine Standardtankfüllung für einen Pkw besteht aus fünf Litern Wasserstoff und besitzt in gasförmigem Zustand ein Volumen von 55 Kubikmetern. Das entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von fast vier Metern. Schon aus Platzgründen muss der Wasserstoff deshalb komprimiert, sprich verflüssigt werden. Das passiert bei –252 °C, was sich negativ auf die Energieeffizienz von Wasserstoff auswirkt. Darüber hinaus muss der Tank hohe Drücke aushalten – deshalb werden hochbelastbare Verbundwerkstoffe eingesetzt. Damit wird der Tank beim heutigen Stand der Technik rund 125 Kilogramm schwer.

Umgekehrte Elektrolyse: die Brennstoffzelle

Vom Transport zur Verwendung: Auch für die energetische Verwertung von Wasserstoff bestehen zwei Alternativen. Wasserstoff kann wie Erdgas verbrannt oder in einer Brennstoffzelle verwertet werden. Bei der Verbrennung selbst entstehen ausschließlich Wärme und Wasser – grüner Wasserstoff ist in der Verwendung damit CO2-neutral.

Die Brennstoffzelle dagegen kehrt den Prozess der Elektrolyse wieder um: Aus Wasserstoff plus Sauerstoff wird wieder Strom und Wasser. Dazu wird der Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet und in einem Verdichter mit Sauerstoff vermischt. Die entstehende Elektrizität kann beispielsweise einen elektrischen Fahrzeugmotor antreiben. Ganz ohne Akku kommt aber auch ein Wasserstoffauto nicht aus: Er speichert die auftretende Bremsenergie und unterstützt Beschleunigungsvorgänge.

Brennstoffzellenfahrzeuge bieten viele Vorzüge: Sie erreichen beim heutigen Stand der Technik einen Wirkungsgrad von circa 83 Prozent. Vor allem aber: Hinten kommt nur reiner Wasserdampf heraus. Das Tanken braucht nicht mehr Zeit als beim Benziner. Ein voller Tank bringt den Fahrer rund 500 Kilometer weit – unabhängig von der Außentemperatur. Und nicht zuletzt: Der Aufbau einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur kann sich an den heutigen Tankstellen orientieren.

Brennstoffzellen bewähren sich aber nicht nur in Fahrzeugen, sondern darüber hinaus zum Beispiel auch in Blockheizkraftwerken. Diese arbeiten vor allem dann, wenn die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen eher gering ist, nämlich wenn es draußen dunkel und/oder kalt ist. Dann fällt die Erzeugung regenerativer Energien eher schwach aus. Diese Lücken können Sektorenkopplung und Blockheizkraftwerke auf Wasserstoffbasis schließen.  

Beispielhaft

Ein Blick über den Tellerrand lohnt: Weltweit Vorreiter in puncto Wasserstofftechnologie sind derzeit die Asiaten. In China fahren bereits Tausende Wasserstoffbusse und -Transporter. Japan plant schon länger, bei den Olympischen Spielen 2021 die gesamte Fahrzeugflotte mit Wasserstoff fahren zu lassen – und das olympische Feuer soll dank Wasserstoff brennen. Die weiteren Pläne sind ehrgeizig: Bis 2030 wollen die Japaner 800.000 Wasserstoffautos auf die Straße bringen

Höher, schneller, sauber

Auch die Amerikaner treiben ehrgeizige Pläne voran. Bis 2050 soll der Wasserstoffanteil am Energiemix auf ein Sechstel ansteigen. Bis dahin soll die Wasserstoffbranche jährlich 750 Milliarden Dollar umsetzen und mehr als drei Millionen Menschen beschäftigen. Damit wollen die USA neben der bereits erreichten Führungsposition bei der Erdölförderung auch zur weltweiten Nummer eins bei der Lieferung von Wasserstoff werden.

Die USA sind nicht nur die größten Ölförderer, sondern auch die größten Verbraucher. Mit anderen Worten: Alles bleibt im eigenen Land. Und was macht Europa? Unternehmer und Entscheider lösen sich vergleichsweise langsam von der Ausrichtung hin zu Akkumobilität und batteriebasierenden Speichertechnologien. Aber der Markt ist in Bewegung: Bosch hat 2019 angekündigt, in die Serienfertigung von Brennstoffzellen für Lkws und Pkws einzusteigen.

Parallel arbeitet Thyssenkrupp beispielsweise an einer Anlage, in der Wasserstoff die sonst übliche Einblaskohle bei der Stahlherstellung ersetzt: Während mit Kohle im Prozess CO2 entsteht, entweicht beim Wasserstoffeinsatz nur Wasserdampf. Bis 2030 soll hier ein Viertel der Stahlproduktion von insgesamt elf Millionen Tonnen emissionsfrei werden.

Die Manager in Essen wollen noch mehr: Im nächsten technologischen Schritt soll der Prozess komplett CO2-frei werden. Das ist mit Direktreduktionsanlagen erreichbar. Bei diesem Verfahren entsteht kein flüssiges Roheisen, sondern ein fester Eisenschwamm, der in einem Elektrolichtbogenofen zu Rohstahl veredelt wird. Das Verfahren selbst ist nicht neu, wird bisher allerdings mit Erdgas befeuert. Wird an dessen Stelle grüner Wasserstoff eingesetzt, ist der Stahl quasi CO2-neutral.

Die Nationale Wasserstoffstrategie

Der Hochofen in Duisburg ist Teil der Europäischen Wasserstoffstrategie – ein 470 Milliarden Euro schweres Paket, das bis 2050 den Aufbau einer Infrastruktur zur Erzeugung und Verteilung von Wasserstoff vorantreiben soll. Nach dem Willen der Großen Koalition muss Deutschland auch auf nationaler Ebene wasserstoff- und klimafreundlicher werden. Dazu verabschiedete das Bundeskabinett Mitte 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie, die Milliardenzuschüsse, rechtliche Erleichterungen und konkrete Produktionsziele vorsieht. Das Ziel: Deutschland möchte den Wasserstoffanschluss nicht verpassen und den bisher eher verhaltenen Start in die Wasserstoffwelt nun vorantreiben. Zudem sieht die Bundesregierung das große Potenzial, das von den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff ausgeht. Sieben Milliarden Euro stehen für die Etablierung von Wasserstofftechnologien und den Aufbau von inländischen Produktionsanlagen bereit. Zwei Milliarden sind für internationale Partnerschaften eingeplant – vor allem um internationale Kooperationen für den Import von Wasserstoff und den Export von Wasserstofftechnologien zu erschließen. 

Grüner Wasserstoff im Fokus

Die Nationale Wasserstoffstrategie baut auf grünen Wasserstoff, übergangsweise soll auch blauer Wasserstoff verwendet werden. Geplant ist der Einsatz als Energiespeicher, der angebotsorientiert und flexibel erneuerbare Energien speichern und einen Beitrag zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage leisten kann. Die Bundesregierung will auch die Sektorenkopplung unterstützen, bei der grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte (Power-to-X) neue Dekarbonisierungspfade eröffnen sollen. Darüber hinaus soll er zum Beispiel in der Zementindustrie prozesstechnisch industrielle CO2-Quellen ersetzen und CO2-Emissionen in verwertbare Chemikalien umwandeln.

Normen und Standards unterstützen

DIN begleitet und gestaltet die Nationale Wasserstoffstrategie. Mit der flächendeckenden Einführung von Wasserstoff werden sich die Zulassungsvorschriften für Produkte und die damit verbundenen Normen verändern. Das gilt beispielsweise für die notwendigen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff oder auch für die Wasserstoffqualität. Politik, Unternehmen, Forschung und Abnehmer arbeiten unter Hochdruck an den entsprechenden Lösungen. Darüber hinaus wird es diverse Innovationen rund um Wasserstoff geben. Diesen ist ebenfalls mithilfe von Normung und Standardisierung der Weg zu bereiten. Um die Ziele der Nationalen Wasserstoffstrategie zu unterstützen, begleitet DIN Stakeholder aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft auf dem Weg zu einer wasserstoffreichen Zukunft – denn auch und gerade bei einem so globalen Thema wie Wasserstoff sind Normen und Standards ein unverzichtbarer Rahmen für zukunftsorientierte Produkte und Verfahren.