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Wasserstoff - der flexible Energieträger der Zukunft


Sauber, sicher und nahezu unbegrenzt verfügbar: Wasserstoff. Das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist zugleich das leichteste im Periodensystem – und ein vielseitig einsetzbarer Energieträger.

Doch was ist Wasserstoff? Wie wird er erzeugt? Und wie kann das Element sogar eine Schlüsselrolle für die Energiewende sein? Es folgen die wichtigsten Fragen und Antworten rund um den Wasserstoff.

Das natürliche chemische Element Wasserstoff (H2) ist ein Molekül mit zwei Wasserstoffatomen, wobei der Kern aus einem Proton und einem Elektron besteht.

Wasserstoff kommt in der Natur ausschließlich in gebundener Form vor, beispielsweise als Wasser (H2O). Er ist ein Energieträger zum Speichern, für den Transport und zur Bereitstellung von Energie.

Wasserstoff …

  • ist bei Raumtemperatur gasförmig
  • ist geruchlos, farblos und brennbar
  • ist 14-mal leichter als Luft
  • ist weder giftig noch ätzend oder radioaktiv

entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme ohne Rückstände

Stromerzeugung, Wärmeversorgung, Industrie (Raffinerien, Düngemittelherstellung ... ) und Mobilitätssektor – dies sind die größten Anwendungsgebiete für Wassersoff.

Vom Antrieb für Autos, Züge oder Schiffe bis hin zum Heizen von Wohnungen: Wasserstoff gilt als wichtiger Energieträger von morgen. Auch in der Industrie setzt man vermehrt darauf, etwa für die Herstellung von Brennstoffen, Gasen oder als Rohstoff für industrielle Prozesse.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff kommt ausschließlich in Verbindungen vor. Um ihn aus diesen Verbindungen zu lösen, muss er mit Hilfe von Energie abgespalten werden. Die Rohstoffe dabei sind:

  • Wasser (H2O)
  • Erdgas, das vor allem aus Methan (CH4) besteht
  • Kohlenwasserstoffe (z. B. Erdöl)
  • Biomasse
  • andere wasserstoffhaltige Verbindungen

Als Energiequelle dient die chemische Energie oder von außen zugeführte elektrische, thermische oder solare Energie.

Was ist „grauer“, „blauer / türkiser“ und „grüner“ Wasserstoff?


Wenn es um die Produktion von Wasserstoff geht, unterscheidet man häufig in drei Farbkategorien, nämlich in „grauen“, „blauen / türkisen“ und „grünen“ Wasserstoff. Die Farben geben an, welche Herstellungsart, Energieträger und Energiequellen verwendet werden. Auch die Klimaneutralität spielt dabei eine Rolle.

  • Grauer Wasserstoff: Dieser wird durch die Spaltung fossiler Brennstoffe und Strom aus fossilen Energien gewonnen. In Deutschland in erster Linie aus Erdgas. Aufgrund des hohen Ausstoßes an CO2 gilt der graue Wasserstoff als klimaschädlich.
  • Blauer / Türkiser Wasserstoff: Die Quelle sind ebenfalls fossile Brennstoffe. Bei der Spaltung wird jedoch kein oder nur sehr wenig CO2 in die Atmosphäre abgegeben. Das entstandene CO2 wird entweder gelagert, weiterverwendetet oder durch die Anwendung von Pyrolyseverfahren gar nicht erst produziert. Somit kommt es beim blauen Wasserstoff zu keinerlei CO2-Emissionen, daher auch die Bezeichnung „türkiser“ Wasserstoff. Die Langzeitfolgen der Speicherung sind aber noch unklar.
  • Grüner Wasserstoff: Durch die Elektrolyse aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Energiequellen entsteht grüner Wasserstoff. Ein zweites Verfahren zur Gewinnung sind thermochemische oder biologische Konversionsverfahren aus Biomasse. Beide Verfahren sind klimaneutral.

Gut zu wissen: Die Farbpalette kann beliebig erweitert werden. So gibt es beispielsweise auch den „roten“ Wasserstoff. Dieser wird – wie der grüne Wasserstoff – aus der Elektrolyse von Wasser hergestellt, jedoch unter Verwendung von Kernenergie.

Welche Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff gibt es?


Die Wasserstoff-Elektrolyse

Im Mittelpunkt der Wasserstoffelektrolyse steht Wasser (H2O). Durch den Einsatz von elektrischem Strom spaltet es sich in seine Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die eingesetzte elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Windkraft, Wasserkraft oder Solarenergie – aus diesen erneuerbaren Energiequellen kommt der dazu benötigte Strom. Grüner Wasserstoff entsteht.

Die Methan-Pyrolyse

Bei der Herstellung von türkisem Wasserstoff greift man auf die Methan-Pyrolyse zurück. Dabei spaltet sich Erdgas, zum Beispiel Methan, unter der Zugabe von Hitze. Es entsteht Wasserstoff (H2) und Kohlenstoff (C). Um das Verfahren CO2-neutral zu halten, wird die thermische Energie aus erneuerbarer Energie gewonnen. Den entstandenen Kohlenstoff nutzt man schließlich u.a. in der Bau- und Werkstoffindustrie.

Die Dampfreformierung

Bei der Dampfreformierung reagiert ein kohlenstoffhaltiger Brennstoff – heute hauptsächlich Erdgas – unter Zugabe von Wasserdampf. Es entsteht Wasserstoff. Das Problem: Pro gewonnener Tonne Wasserstoff wird zugleich zehn bis 19 Tonnen klimaschädliches Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Zur Anwendung kommt das Verfahren zumeist in Erdölraffinerien. Die Dampfreformierung ist auch mit Biomasse anwendbar, also zur Herstellung von Biowasserstoff durch Biomassevergasung.

Welche Bedeutung hat Wasserstoff im Zusammenhang mit der Energiewende?

Wird Wasserstoff mittels Elektrolyse und mit dem Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt, ist das Element für die Energiewende und zur Erreichung der Klimaziele essenziell:

 

„Klimafreundlich hergestellter Wasserstoff ermöglicht es, die CO2-Emissionen vor allem in Industrie und Verkehr dort deutlich zu verringern, wo Energieeffizienz und die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien nicht ausreichen.“ (Bundesministerium für Wirtschaft und Infrastruktur)

 

Die Vorteile liegen auf der Hand:

  • Wasserstoff ist erneuerbar und leicht verfügbar
  • Es ist reichlich vorhanden und vielseitig einsetzbar
  • Energie lässt sich mit Wasserstoff leicht speichern und transportieren

Ob Industrie, Mobilität, Energiewirtschaft oder im Wärmesektor – in zahlreichen Bereichen gilt es, Wasserstoff vermehrt zu nutzen.

Ein Beispiel ist die Dekarbonisierung von Prozessen, die schwer zu elektrifizieren sind: Werden aktuell meist Kohle oder Erdgas für die Stahlgewinnung oder Ammoniakproduktion verwendet, könnten zukünftig solche Industrieprozesse auf Wasserstoff umgestellt werden.

Welche Herausforderungen liegen im „Rohstoff der Zukunft”?

Für eine breite Nutzung von Wasserstoff sind noch einige Hürden zu bewältigen. Zwar nutzen Industriezweige wie etwa die chemische Industrie die Elektrolyse bereits, um Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen, und den Wasserstoff zum Beispiel für die Ammoniak- und Methanol-Herstellung zu verwenden (die Ausgangsbasis für z. B. Düngemittel).

Doch das größte Hindernis sind meist die Kosten. Der grüne Wasserstoff ist im Vergleich zu den Alternativen deutlich teurer. Ein weiteres Problem: Wasserstoffbeimischungen in Erdgas können Probleme in bestimmten industriellen Anlagen verursachen.

Lesen Sie auch: Welche Herausforderungen gibt es insbesondere für Armaturenhersteller und Anlagenbauer? Und welche Anforderungen werden an Armaturenlösungen gestellt?

Sie haben weitere Fragen zum Thema Wasserstoff in der Industrie?

Zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.

Dominic Hock

Dominic Hock

Geschäftsführer

Ich berate Sie gerne bei Projekten und Anfragen aus dem Bereich Ventiltechnik und Mess- und Regeltechnik.
Meine Expertise liegt in der Automatisierungstechnik sowie Netzwerke.

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