Mit einem Anteil von ca. 75 % unseres Sonnensystems ist Wasserstoff das am häufigsten vorkommenden Element. Grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte gelten als Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Energiewende und Reduzierung der Emission von Kohlendioxid. Eine der politischen Maßnahmen für einen erfolgreichen Markthochlauf bildet die am 10. Juni 2020 verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie.

Farblehre Wasserstoff – unterschiedliche Herstellungsarten

Wasserstoff wird abhängig von seiner Erzeugungsart verschiedenen Farben zugeordnet. Es gibt grauen, blauen, türkisen und grünen Wasserstoff. Dabei gilt der graue Wasserstoff als kostengünstigster aber gleichzeitig auch als die umweltschädlichste Variante, da er durch Dampfreformierung von Erdgas gewonnen wird. Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff hergestellt. Im Gegensatz zum grauen Wasserstoff wird, jedoch beim blauen Wasserstoff bis zu 90 % des anfallendes CO2 abgeschieden und gespeichert. Der türkise Wasserstoff wird mittels Methanpyrolyse über eine thermische Spaltung von Methan (CH4) erzeugt – ein Verfahren, dass sich aber noch in der Entwicklung befindet. Dem grünen Wasserstoff soll künftig eine bedeutende Rolle zukommen. Nachhaltig erzeugter Strom, beispielsweise aus Solar- und Windkraft, wird in Elektrolyseuren eingesetzt, um aus Wasser Wasserstoff zu erzeugen. Hierbei wird Wasser (H2O) in die zwei Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Anwendungsbereiche von Wasserstoff

Wasserstoff wird heute überwiegend in der chemischen, petrochemischen und Stahlindustrie eingesetzt. Beispiele sind unter anderem die Ammoniakherstellung für Düngemittel sowie der Einsatz in Raffinerien zur Erdölaufbereitung. Grüner Wasserstoff kann also dazu beitragen, den Ausstoß von CO2 in vielen Industriezweigen zu reduzieren. Gleichzeitig wird dadurch ein wertvoller Beitrag zur Transformation vieler Industriezweige und zahlreicher Produktionsprozesse durch Substitution fossiler Rohstoffe geleistet.

Die Einsatzmöglichkeiten von grünem Wasserstoff beschränken sich, jedoch nicht auf industrielle Anwendungen. Grüner Wasserstoff bietet auch in der Energiewirtschaft und der Mobilität Potenziale. Im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), heben sich Fahrzeuge mit H2-basierten Antriebstechnologien (Brennstoffzelle oder H2-Verbrennungsmotor) sowohl bei der Betankungsgeschwindigkeit als auch bei der Reichweite ab. Darüber hinaus eröffnen wasserstoffbasierte Antriebstechnologien auch im Schwerlast- und Transportbereich, auf der Schiene sowie in der See- und Luftfahrt neue Möglichkeiten für eine klimaneutrale Mobilitätsentwicklung. Zusätzlich kann grüner Wasserstoff in diesem Bereich zur Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen für konventionelle Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.

Brennstoffzellen können gespeicherten Wasserstoff verstromen und bedarfsgerecht Elektrizität zur Verfügung stellen. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie gegenüber dem Strombedarf zu gering ist. Die bei Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Wärme, kann im Sinne der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) zu Heizzwecken eingesetzt werden.

Zum Aufbau einer Versorgungsstruktur mit Wasserstoff, werden bereits heute Gasleitungen umgewidmet. Durch Umstellung der überregionalen Transportleitungen sowie der urbanen Gasleitungen kann Wasserstoff direkt zum Verbraucher transportiert werden. Der Vorteil liegt auf der Hand. Neue Infrastrukturinvestitionen fallen geringer aus und der Eingriff in die Natur durch neue Leitungstrassen wird minimiert.

Ausbau von Produktionskapazitäten in Deutschland

In Deutschland wird grüner Wasserstoff als eines der Schlüsselelemente zur Reduzierung der CO2 Emissionen erachtet. Der Anteil des grünen Wasserstoffs liegt bei etwa 5 % bezogen auf die gesamte jährliche Wasserstoffproduktion von ca. 55 TWh bis 60 TWh. Der überwiegende Teil des Wasserstoffs ist entsprechend der Herstellungsform als grau einzustufen.

Studien zum künftigen Bedarf von Wasserstoff, der mit Elektrolyseuren aus Strom erzeugt wird, stufen die Wasserstoffnachfrage in niedriges und hohes Szenario ein. In der Wasserstoff-Roadmap von Fraunhofer wird die Bandbreite des Bedarfs im Jahr 2030 bei 4 TWh im niedrigen und 20 TWh im hohen Szenario angegeben. Für das Jahr 2050 wird ein Bedarf von 250 TWh im niedrigen und 800 TWh im hohen Szenario abgeschätzt. Diese Menge soll aus eigener Produktion und aus Importen gedeckt werden. Die benötigte Energie der inländischen Produktion soll vorwiegend aus Windenergie- und Photovoltaikanlagen gewonnen werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind erhebliche Anstrengungen erforderlich. Denn noch sind Produktionskapazitäten von grünem Wasserstoff begrenzt, da sowohl die grünen Stromquellen als auch die Elektrolysekapazität zugebaut werden muss.

Globale Potenziale der grünen Wasserstoffproduktion

Global betrachtet befinden sich signifikante Potenziale für die nachhaltige Wasserstoffproduktion auf dem afrikanischen Kontinent. Die im „Potenzialatlas Wasserstoff“ des Bundesforschungsministeriums geführte Prognosen, beziffern allein für Westafrika jährliche Produktionsvolumina grünen Wasserstoffs von bis zu 165.000 TWh. Günstige Bedingungen bei der Solarstrahlung und dem Windangebot ermöglichen Gestehungskosten, die dem Potenzialatlas zufolge für 120.000 TWh unter 2,50 € / kg H2 ermöglicht (Prognose für Deutschland 2050: 3,80 € / kg H2). Wesentlicher Einflussfaktor sind die im Vergleich zu Deutschland 30 % geringeren Stromgestehungskosten. Für Deutschland und Europa können sich wertvolle Synergieeffekte in Kooperationen mit Afrika ergeben.

Wie hoch das Interesse an Wasserstoff ist, zeigt auch eine Studie zu Internationalen Wasserstoffstrategien, die im Auftrag Weltenergierat – Deutschland e.V. erstellt wurde. Hierin wird die wachsende Anzahl an Wasserstoffstrategien als Indiz für ein dynamisches Marktwachstum gesehen. Weltweit haben unter den stärksten Volkswirtschaften bereits 20 Länder eine nationale Wasserstoffstrategie verabschiedet oder befindet sich im Abschluss.

Projektbeispiele in Deutschland

Derzeit befinden sich mehrere grüne Wasserstoffprojekte in Planung und im Bau. So wird beispielsweise in Wunsiedel die größte Elektrolyseanlage Bayerns errichtet. Die Anlage mit einer Elektrolyseleistung von 8,75 MW wird in einer Kooperation von der Siemens AG, dem Gaslieferanten Rießner Gase sowie der Wunsiedler Stadtwerks SWW realisiert. Sie soll im Sommer 2022 in Betrieb genommen werden. Die geplante Produktionskapazität für Wasserstoff soll sich dabei jährlich auf rund 1.350 Tonnen Wasserstoff belaufen. Mittels Trailer erfolgt die Distribution an industrielle Abnehmer in Nordbayern, Thüringen und der Grenzregion Tschechiens.

Im Zuge der geförderten Reallabor-Programme wird in Deutschland gegenwärtig ein innovativer Energiepark nahe der sachsen-anhaltinischen Goethestadt Bad Lauchstädt (Saalekreis) realisiert. Der innovative Charakter des Projekts stellt ein Novum dar. Erstmals wird die Vernetzung eines Windparks (Nennleistung 50 MW) mit einer Großelektrolyseanlage (Nennleistung 30 MW) erprobt, einhergehend mit der Umstellung einer Gaspipeline für den Wasserstofftransport und der Vermarktung des Wassersoffs. In einer weiteren Phase soll der Wasserstoff in einer Salzkaverne gespeichert werden. Die Fertigstellung und Inbetriebnahme sind für das Jahr 2024 geplant. Mehr Informationen zum Energiepark Bad Lauchstädt finden Sie hier.

Die Autoren sind bei greenValue GmbH beschäftigt. greenValue ist ein Dienstleistungsunternehmen im Bereich der Erneuerbaren Energien mit langjähriger Erfahrung und umfassenden Referenzen, u.a. im Bereich Projektmanagement.

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Quelle: 01. Juli 2022, www.greenvalue.de