1. Herstellung von Wasserstoff
  2. Grüner Wasserstoff
  3. Elektrolyseleistung Deutschland
  4. Blauer Wasserstoff
  5. Türkiser Wasserstoff
  6. FAQ
  7. Wasserstoffbedarf Deutschlands
  8. Markthochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft
  9. Faktenblatt Wasserstoff

Herstellung von Wasserstoff

Was­ser­stoff ist ge­nau so ei­ne Se­kun­där­ener­gie und kann mit­hil­fe von Roh­stof­fen und Ener­gie auf ver­schie­de­ne Wei­sen ge­won­nen wer­den. Die un­ter­schied­li­chen Ver­fah­ren zur Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on stel­len wir Ih­nen nach­fol­gend vor.

Wie wird Wasserstoff hergestellt? Das Wichtigste in 30 Sekunden

Auf der Er­de kommt Was­ser­stoff na­he­zu nur in ge­bun­de­ner Form vor, et­wa in Was­ser, Bio­mas­se oder Erd­gas. Die in­dus­tri­el­le Her­stel­lung er­folgt meist über die Dampf­re­for­mie­rung mit CO2-Ab­schei­dung (blauer Was­ser­stoff), über die Elek­tro­ly­se mit er­neu­er­ba­rem Strom (grü­ner Was­ser­stoff) oder über die Me­than‑Py­ro­ly­se (tür­ki­ser Was­ser­stoff). Al­le Ver­fah­ren ma­chen den Ener­gie­trä­ger ver­füg­bar und un­ter­schei­den sich in ih­rer CO2-Bi­lanz so­wie den ein­ge­setz­ten Roh­stof­fen.

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff

Zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff im in­dus­tri­el­len Maß­stab gibt es ver­schie­de­ne Ver­fah­ren. Ei­ne in der In­dus­trie gän­gi­ge Me­tho­de ist die Dampf­re­for­mie­rung, bei der Erd­gas in Was­ser­stoff und Koh­len­stoff­di­o­xid auf­ge­spal­ten wird. Das bei der Her­stel­lung an­fal­len­de CO2 wird mit Hil­fe der Carbon Capture and Storage-Tech­no­lo­gie (CCS) ge­spei­chert und un­ter­ir­disch ge­la­gert. Der so her­ge­stell­te blaue Was­ser­stoff ist na­he­zu kli­ma­neu­tral.

Ein an­de­rer Weg zur Was­ser­stoff­her­stel­lung ist die Py­ro­ly­se. Aus Me­than wer­den CO2-ar­mer Was­ser­stoff und fes­ter Koh­len­stoff, ein in der In­dus­trie ge­nutz­ter Roh­stoff, er­zeugt.

Kli­ma­neu­tra­ler Was­ser­stoff kann auch durch Elek­tro­ly­se pro­du­ziert wer­den. Beim Power-to-Gas-Ver­fah­ren wird mit­hil­fe von er­neu­er­ba­rem Strom Was­ser in grü­nen Was­ser­stoff und Sau­er­stoff zer­legt.

Fabe Prozess CO2-Aspekt
Grün Elektrolyse mit erneuerbarem Strom CO2-frei
Blau Dampfreformierung + CCS CO2 wird abgeschieden und gespeichert
Türkis Methanpyrolyse Fester Kohlenstoff als Nebenprodukt

Es exis­tie­ren wei­te­re Her­stel­lungs­me­tho­den für zum Bei­spiel pin­ken, gel­ben oder brau­nen Was­ser­stoff, die aber auch auf­grund der ver­wen­de­ten Ener­gie­quel­len we­ni­ger ge­eig­net sind: 

  • Strom aus Kern­kraft (Pink bzw. Rosa) 
  • Strom aus ei­ner Mi­schung er­neu­er­ba­rer Ener­gien und fos­si­ler Brenn­stof­fe (Gelb) 
  • Strom aus Koh­le (Braun) 
  • wenn Was­ser­stoff als Ab­fall­pro­dukt an­de­rer che­mi­scher Ver­fah­ren ent­steht oder sel­te­ne na­tür­li­che Vor­kom­men mit­tels Fracking ge­won­nen wer­den (Weiß) 

Power-to-Gas

Aus grünem Strom wird grüner Wasserstoff

Ei­ne gro­ße He­raus­for­de­rung der Ener­gie­wen­de ist die vo­la­ti­le Ein­spei­sung von re­ge­ne­ra­tiv er­zeug­tem Strom. Schon heu­te ist re­gi­o­nal mehr Elek­tri­zi­tät vor­han­den, als das Strom­netz auf­neh­men kann. Die Fol­ge: Wind­parks müs­sen kurz­fris­tig ab­ge­re­gelt wer­den. Die­se Zei­ten eig­nen sich be­son­ders gut für die Pro­duk­ti­on von grü­nem Was­ser­stoff: Statt den Strom aus Wind und Son­ne ab­zu­re­geln, wird er zur Pro­duk­ti­on von grü­nem Was­ser­stoff ge­nutzt, der dann in das Gas-Netz ein­ge­speist wer­den kann.

In einem Elektrolyseur wird Wasser mittels Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespaltet

Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?

Die Her­stel­lung von grü­nem Was­ser­stoff er­folgt durch die Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie. Was­ser (H2O) wird in Elek­tro­ly­seu­ren durch eine elek­tri­sche Span­nung in Was­ser­stoff (H2) und Sau­er­stoff (O2) auf­ge­spal­ten. Wird für die Elek­tro­ly­se Strom aus er­neu­er­ba­ren Quel­len ver­wen­det, wer­den kei­ne Treib­haus­ga­se bei der Er­zeu­gung von Was­ser­stoff aus­ge­sto­ßen, er ist al­so CO2-frei und wird dann grü­ner Was­ser­stoff ge­nannt.

Wie wird grü­ner Was­ser­stoff ins Gas-Netz ein­ge­speist?

Der grü­ne Was­ser­stoff kann ent­we­der di­rekt ins Gas-Netz ein­ge­speist wer­den – nach den ak­tu­el­len Vor­ga­ben darf die Bei­mi­schung bis zu 10 Pro­zent be­tra­gen – oder er wird zu syn­the­ti­schem Gas wei­ter­ver­ar­bei­tet, das un­be­grenzt bei­ge­mischt wer­den kann. Hier­zu wird der re­ge­ne­ra­tiv ge­won­ne­ne Was­ser­stoff mit Koh­len­di­o­xid (CO2), z. B. aus ei­ner be­nach­bar­ten Bio­gas-An­la­ge mit­tels Me­than­syn­the­se zu er­neu­er­ba­rem Gas (CH4) um­ge­wan­delt. Als Bei­pro­dukt ent­steht H2O – Was­ser.

Wie ef­fi­zient ist der Power-to-Gas-An­satz?

Die Ef­fi­zienz der Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie hat sich ste­tig ver­bes­sert. Auch, da die Gas-Wirt­schaft in den ver­gan­ge­nen Jah­ren er­heb­li­che In­ves­ti­ti­o­nen in die Er­for­schung und Wei­ter­ent­wick­lung zur ef­fi­zien­ten Er­zeu­gung von grü­nem Was­ser­stoff ge­tä­tigt hat. Mit Er­folg: In ak­tu­el­len For­schungs­pro­jek­ten wei­sen Was­ser­stoff-Elek­tro­ly­seu­re be­reits ei­nen Wir­kungs­grad von 95 Pro­zent auf. So kann die De­kar­bo­ni­sie­rung be­schleu­nigt und grü­ner Was­ser­stoff schnell markt­fä­hig ge­macht wer­den.

Hocheffizienz-Elektrolyseur

Ziel 2030: Wasserstoff als Schlüssel zur Energiewende

Bis 2030 soll die Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on in Deutsch­land 10 Gi­ga­watt ins­tal­lier­te Leis­tung er­rei­chen. Die Pro­duk­ti­ons­ka­pa­zi­tä­ten ent­wi­ckeln sich kon­ti­nu­ier­lich. Al­ler­dings ist ein deut­lich stär­ke­rer Aus­bau not­wen­dig, um das Ziel zu er­rei­chen.

Im Jahr 2022 be­trug die deut­sche ins­tal­lier­te Pro­duk­ti­ons­leis­tung für Was­ser­stoff 0,07 Gi­ga­watt. In 2025 wa­ren es 0,18 Gi­ga­watt. Zahl­rei­che Pro­jek­te be­fin­den sich in der Plan­ungs­pha­se. Bei ent­spre­chen­der Um­set­zung steigt die ins­tal­lier­te Leis­tung auf etwa 7,2 Gi­ga­watt im Jahr 2030. Das be­deu­tet: Das Ziel der Bun­des­re­gie­rung (10 Gi­ga­watt) wür­de mit den bis­lang pro­jek­tier­ten An­la­gen nicht mehr aus­rei­chen.

Leistung von Elektrolyseuren in Deutschland

Ho­he Kos­ten und un­kla­re Re­gu­lie­rung brem­sen den Was­ser­stoff-Aus­bau

Der Was­ser­stoff­hoch­lauf in Deutsch­land ist im Jahr 2025 spür­bar ins Sto­cken ge­ra­ten. Wäh­rend im Vor­jahr noch Elek­tro­ly­se­pro­jek­te mit einer ge­plan­ten Leis­tung von rund 11,3 Gi­ga­watt bis 2030 an­ge­kün­digt wa­ren, ist die­se Zahl deut­lich ge­sun­ken. Ak­tu­ell be­lau­fen sich die kon­kret ge­plan­ten Elek­tro­ly­se­ka­pa­zi­tä­ten auf rund 7,2 Gi­ga­watt. Zahl­rei­che Vor­ha­ben wur­den ver­scho­ben oder auf­ge­ge­ben. Da­mit rückt das Aus­bau­ziel wei­ter in die Fer­ne.

Die Grün­de sind klar: Zen­tra­le Hemm­nis­se blei­ben ho­he Strom­prei­se so­wie feh­len­de Me­cha­nis­men zur Sen­kung der Pro­duk­tions­kos­ten für grü­nen Was­ser­stoff. Trotz För­der­pro­gram­men fehlt häu­fig ein trag­fä­hi­ges Ge­schäfts­mo­dell. Ho­he In­ves­ti­tions­kos­ten tref­fen auf eine ge­rin­ge Zah­lungs­be­reit­schaft, da fos­si­le Al­ter­na­ti­ven viel­fach güns­ti­ger sind. Hin­zu kom­men re­gu­la­to­ri­sche Un­si­cher­hei­ten, et­wa bei Netz­ent­gel­ten, För­der­be­din­gun­gen und der lang­fris­ti­gen Aus­ge­stal­tung des Markt­rah­mens.

Oh­ne ver­läss­li­che Rah­men­be­din­gun­gen wird der Hoch­lauf nicht ge­lin­gen. Der Markt steht wei­ter­hin vor ei­nem Hen­ne-Ei-Pro­blem: An­ge­bot, Nach­fra­ge und In­fra­struk­tur müs­sen pa­ral­lel ent­ste­hen. Da­für braucht es po­li­ti­sche Un­ter­stüt­zung – et­wa über lang­fris­ti­ge Ab­nah­me­ins­tru­men­te, wett­be­werbs­fä­hi­ge Strom­prei­se und bes­se­re Koor­di­nie­rung.

Der Mo­ni­to­ring­be­richt der Bun­des­netz­agen­tur zeigt zu­dem: Eng­pass­ma­nage­ment und Ver­lust­ener­gie im Strom­sys­tem neh­men zu. Da­mit wächst der Be­darf an fle­xib­len, netz­dien­li­chen Ver­brau­chern, die Über­schüs­se auf­neh­men und Eng­päs­se ent­las­ten. Elek­tro­ly­seure kön­nen hier einen Bei­trag leis­ten – vo­raus­ge­setzt, sie wer­den markt­lich und re­gu­la­to­risch so ein­ge­bun­den, dass ihr fle­xib­ler Be­trieb wirt­schaft­lich mög­lich ist.

Nord-Süd-Gefälle bei inländischer Produktion

Im Ver­gleich der 16 Bun­des­län­der er­gibt sich mit Blick auf den Aus­bau der Pro­duk­ti­ons­ka­pa­zi­tä­ten für grü­nen Was­ser­stoff ein deut­li­ches Nord-Süd-Ge­fäl­le. In den fünf wind­rei­chen nord­deut­schen Bun­des­län­dern Schles­wig-Hol­stein, Nie­der­sach­sen, Meck­len­burg­-Vor­pom­mern, Nord­rhein-West­fa­len und Bran­den­burg sind 85 Pro­zent der deut­schen Elek­tro­ly­se­ka­pa­zi­tä­ten bis 2030 ge­plant – vor al­lem auf­grund der Nä­he zu den gro­ßen Er­zeu­gungs­re­gi­o­nen er­neu­er­ba­rer Ener­gien.

Eine ent­schei­den­de Wei­chen­stel­lung für die bun­des­wei­te Was­ser­stoff­ver­tei­lung wur­de 2024 mit dem Be­schluss des Was­ser­stoff-Kern­net­zes ge­trof­fen. Es soll die Er­zeu­gung im Nor­den mit den gro­ßen Ver­brauchs­zen­tren im Sü­den und Wes­ten ver­bin­den. Bis 2032 soll das Kern­netz eine Ge­samt­län­ge von 9.040 Ki­lo­me­tern er­rei­chen – größ­ten­teils durch die Um­rüs­tung be­ste­hen­der Erd­gas­lei­tun­gen, er­gänzt um ge­ziel­te Neu­bau­ten.

Als Rück­grat für eine nach­hal­ti­ge Was­ser­stoff­wirt­schaft si­chert das Kern­netz die Ver­sor­gung gro­ßer In­dus­trie­zen­tren, Spei­cher und Kraft­wer­ke, er­leich­tert den Im­port über nord­deut­sche Hä­fen und stellt eine wich­ti­ge Vo­raus­set­zung für den be­schleu­nig­ten Hoch­lauf des Was­ser­stoff­mark­tes dar. Die Um­set­zung des Net­zes wird da­her maß­geb­lich da­rü­ber ent­schei­den, wie schnell Was­ser­stoff flä­chen­de­ckend als kli­ma­freund­li­cher Ener­gie­trä­ger ge­nutzt wer­den kann.

Der ins­ge­samt ge­plan­te Aus­bau­pfad un­ter­streicht nicht zu­letzt, dass Deutsch­land auch in Zu­kunft auf den Im­port von Ener­gie an­ge­wie­sen sein wird. Um sei­nen Ener­gie­be­darf zu de­cken, wird Deutsch­land vor al­lem Was­ser­stoff, aber auch Bio­methan, im­por­tie­ren müs­sen.

Geplante Leistung von Elektrolyseuren in Deutschland

Power‑to‑Gas: Vorteile von grünem Wasserstoff

  • Spei­cher­funk­ti­on und fle­xib­le An­la­gen er­mög­li­chen es, bei wet­ter­be­ding­ten Spit­zen in der Strom­er­zeu­gung schnell hoch­zu­fah­ren und über­schüs­si­gen Wind‑ und So­lar­strom in Form von Was­ser­stoff zu spei­chern.
  • Die Um­wand­lung von grü­nem Strom zu grü­nem Was­ser­stoff er­mög­licht den Trans­port über die be­ste­hen­de Gas‑In­fra­struk­tur und ent­las­tet so die Strom­tras­sen.
  • Schwer zu elek­tri­fi­zie­ren­de in­dus­tri­el­le Pro­zes­se kön­nen mit­hil­fe von Was­ser­stoff kli­ma­freund­lich ge­stal­tet wer­den.

Noch sind die Kosten für grünen Wasserstoff hoch

In ei­ner Ton­ne grü­nen Was­ser­stoff sind 33.330 Ki­lo­watt­stun­den Ener­gie ent­hal­ten. Die Her­stel­lung ist al­ler­dings noch sehr kos­ten­in­ten­siv. Klar ist: Die Mas­sen­pro­duk­ti­on leis­tungs­star­ker Elek­tro­ly­seu­re in Ver­bin­dung mit güns­ti­gem er­neu­er­ba­rem Strom wird mit­tel- bis lang­fris­tig die Ent­ste­hungs­kos­ten für grü­nen Was­ser­stoff sen­ken. Au­ßer­dem wird der Be­darf wei­ter stei­gen.

EU-wei­te Part­ner­schaf­ten als Schlüs­sel zur De­ckung des Was­ser­stoff­be­darfs

Um die­sen zu­künf­tig ho­hen Be­darf an Was­ser­stoff de­cken zu kön­nen, braucht es vor al­lem in der EU ver­läss­li­che Part­ner für die Ge­win­nung und den Trans­port von Was­ser­stoff so­wie Ko­ope­ra­ti­o­nen und Im­port­struk­tu­ren. Das bie­tet auch die Chan­ce zum Aus­bau des EU-wei­ten Ener­gie-Bin­nen­mark­tes und zur Ko­ope­ra­ti­on mit son­nen- und wind­rei­chen Ent­wick­lungs­län­dern, die ein gro­ßes Po­ten­zi­al im Be­reich er­neu­er­ba­rer Ener­gien ha­ben, heißt es in der na­ti­o­na­len Was­ser­stoff­stra­te­gie. Von ih­nen könn­te Deutsch­land den wert­vol­len grü­nen Was­ser­stoff im­por­tie­ren, um die ei­ge­ne Pro­duk­ti­on auf­zu­sto­cken.

Mehr Viel­falt in der Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on und In­fra­struk­tur

Auch die Gas-In­fra­struk­tur wird sich da­für wan­deln müs­sen und ist The­ma der na­ti­o­na­len Was­ser­stoff­stra­te­gie der Bun­des­re­gie­rung. Aber auch ei­ne größt­mög­li­che Viel­falt in der Was­ser­stoff­er­zeu­gung ist not­wen­dig, um z. B. den CO2-Aus­stoß der In­dus­trie so schnell wie mög­lich zu re­du­zie­ren. Um den Hoch­lauf der Was­ser­stoff­wirt­schaft zu be­schleu­ni­gen, müs­sen auch an­de­re CO2-ar­me Her­stel­lungs­pro­zes­se von Was­ser­stoff ge­nutzt wer­den. Zum Bei­spiel die Me­than­py­ro­ly­se, tür­ki­ser Was­ser­stoff, oder die Dampf­re­for­mie­rung in Ver­bin­dung mit CCS, so­ge­nann­ter blau­er Was­ser­stoff.

Blauer Wasserstoff:

Elementar für den H2-Markthochlauf

Der heu­te ge­nutz­te Was­ser­stoff wird vor­ran­gig aus Erd­gas ge­won­nen. Mit­hil­fe von Was­ser­dampf wird der in koh­len­stoff­hal­ti­gen Res­sour­cen wie Erd­gas oder Bio­mas­se ent­hal­te­ne Was­ser­stoff vom Koh­len­di­o­xid (CO2) ge­trennt. Bei die­ser so­ge­nann­ten Dampf­re­for­mie­rung han­delt es sich um das ak­tu­ell wirt­schaft­lichs­te und am wei­tes­ten ver­brei­te­te Ver­fah­ren zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff, wel­ches ins­be­son­de­re in der In­dus­trie An­wen­dung fin­det. Mit­hil­fe der Tech­no­lo­gie Carbon Capture and Storage (CCS) wird das bei der Dampf­re­for­mie­rung ab­ge­schie­de­ne CO2 ge­spei­chert, so dass es nicht in die At­mo­sphä­re ge­langt. Statt­des­sen wird es per Schiff oder per Pipe­line zu ei­ner Ein­la­ge­rungs­stät­te z. B. in Nor­we­gen trans­por­tiert und dort un­ter­ir­disch ge­spei­chert. Als geo­lo­gi­scher Spei­cher die­nen aus­ge­för­der­te Gas- und Öl­la­ger­stät­ten so­wie salz­was­ser­füh­ren­de Ge­steins­schich­ten. Dort wird das CO2 in tief lie­gen­des po­rö­ses Spei­cher­ge­stein ver­presst. Lang­fris­tig ver­mischt sich das CO2 dort mit dem Sand­stein und ver­stei­nert (mi­ne­ra­li­siert) all­mäh­lich. Un­durch­läs­si­ges und oft ki­lo­me­ter­di­ckes Deck­ge­stein sorgt da­für, dass das Koh­len­di­o­xid aus den tief­lie­gen­den Spei­cher­stät­ten nicht mehr ent­wei­chen kann. Der so­ge­nann­te blaue Was­ser­stoff wird na­he­zu kli­ma­neu­tral her­ge­stellt.

Blauer Wasserstoff für den Markthochlauf

Vorteile von blauem Wasserstoff

  • Blauer Was­ser­stoff ent­spricht in sei­nem Pro­duk­ti­ons­pro­zess erst­mal grauem Was­ser­stoff. Al­ler­dings ent­weicht na­he­zu kein CO2 in die At­mo­sphä­re, son­dern wird si­cher ge­spei­chert oder in­dus­tri­ell ge­nutzt. So­mit trägt sei­ne Pro­duk­ti­on nicht zum Treib­haus­gas­ef­fekt bei. Was­ser­stoff gilt als Schlüs­sel­ele­ment für die De­kar­bo­ni­sie­rung al­ler Sek­to­ren.
  • Grü­ner Was­ser­stoff ist noch um­welt­freund­li­cher als blau­er Was­ser­stoff. Aber er steht heu­te und ver­mut­lich auch nicht in na­her Zu­kunft in gro­ßen Men­gen zur Ver­fü­gung. Blau­er Was­ser­stoff ist kurz­fris­tig in aus­rei­chen­den Men­gen ver­füg­bar, um die be­nö­tig­te In­fra­struk­tur wei­ter auf­zu­bau­en und wich­ti­ge In­dus­trie­be­rei­che zu de­kar­bo­ni­sie­ren.
  • Daher ist blau­er Was­ser­stoff für den H2-Markt­hoch­lauf un­ab­ding­bar, da nur so aus­rei­chen­de Men­gen Was­ser­stoff CO2-arm und ver­läss­lich be­reit­ge­stellt wer­den kön­nen.

Carbon Capture and Storage (CCS): Kohlenstoffdioxid speichern

Bei CCS han­delt es sich um ei­ne lang er­prob­te Tech­no­lo­gie: In der Sleipner-An­la­ge in der Nord­see wur­den seit 1996 mehr als 16 Mil­li­o­nen Ton­nen CO2 in 800 Me­tern Tie­fe si­cher un­ter dem Mee­res­grund ge­spei­chert. Seit 2008 wird auch im Nord­see-Gas­feld Snøhvit CO2 ge­spei­chert. 2017 er­reich­ten bei­de An­la­gen zu­sam­men die Re­kord­mar­ke von 20 Mil­li­o­nen Ton­nen ge­spei­cher­tem Koh­len­stoff­di­o­xid – oh­ne jeg­li­che Zwi­schen­fäl­le. In Deutsch­land wur­de in dem Spei­cher­pro­jekt Ket­zin von 2004–2017 die er­folg­rei­che Spei­che­rung von CO2 wis­sen­schaft­lich do­ku­men­tiert be­wie­sen.

CCS H2

Fester Kohlenstoff:

Türkiser Wasserstoff durch Methan-Pyrolyse

Die kli­ma­neu­tra­le Was­ser­stoff-Be­reit­stel­lung stellt ei­nen Schlüs­sel zur Er­rei­chung der glo­ba­len Kli­ma­zie­le dar. Ei­ne viel­ver­spre­chen­de Tech­no­lo­gie kann da­bei in der Me­than-Py­ro­ly­se ge­se­hen wer­den.

Da­bei wird der Haupt­be­stand­teil von Erd­gas, Me­than, ther­misch in die Pro­duk­te Was­ser­stoff und fes­ten Koh­len­stoff ge­spal­ten. Der fes­te Koh­len­stoff (Gra­phit/­Koh­len­stoff­na­no­röh­ren) ist ein ver­mark­tungs­fä­hi­ges Ne­ben­pro­dukt, wel­ches an­de­ren Sek­to­ren (Stahl- und Koh­le­fa­ser­pro­duk­ti­on; Ze­ment­in­dus­trie oder als Ano­de in Li­thi­um-Ionen-Bat­te­rien/­Bat­te­rie­fer­ti­gung) hilft Emis­si­o­nen zu re­du­zie­ren. Der Ein­satz von Koh­len­stoff als Ver­bund­werk­stoff, Füll­stoff oder Bau­ma­te­ri­al für emis­si­ons­in­ten­si­ve In­dus­trien oder als Bo­den­ver­bes­se­rungs­mit­tel stel­len wei­te­re Märk­te des Koh­len­stoffs dar.

Syn­the­ti­scher Gra­phit kann auch den na­tür­lich vor­kom­men­den Gra­phit er­set­zen, der zum Groß­teil in Chi­na ab­ge­baut wird. Nach zu­sätz­li­chen in­dus­tri­el­len Schrit­ten kann aus Koh­len­stoff-Na­no­röh­ren (CNTs) auch Gra­phen her­ge­stellt wer­den. Gra­phen als re­la­tiv neu­ar­ti­ges Ma­te­ri­al ist für sei­ne ho­he Fes­tig­keit und Leit­fä­hig­keit be­kannt und wird zu­neh­mend für An­wen­dun­gen in der Luft- und Raum­fahrt, im Au­to­mo­ti­ve-Be­reich, bei Wind­kraft­an­la­gen und im Bau­we­sen ge­nutzt.

Methan wird ther­misch in die Pro­duk­te Was­ser­stoff und fes­ten Koh­len­stoff ge­spal­ten

CO2: ein wert­vol­ler Roh­stoff

Die Ab­schei­dung und wei­te­re Nut­zung von Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen wird auch als Carbon Capture Utilization (CCU) be­zeich­net. Al­ter­na­tiv wird auch der Be­griff Carbon Capture and Recycling (CCR) ver­wen­det. CCU spielt in der Kreis­lauf­wirt­schaft ei­ne wich­ti­ge Rol­le: Durch das Re­cy­cling des ab­ge­schie­de­nen Koh­len­stoffs kön­nen Pro­zess­emis­si­o­nen in an­de­ren Sek­to­ren (Stahl- und Koh­le­fa­ser­pro­duk­ti­on, Ze­ment­in­dus­trie oder als Ano­de in Li­thi­um-Ionen-Bat­te­rien/­Bat­te­rie­fer­ti­gung) ge­senkt wer­den. Der Ein­satz von Koh­len­stoff als Ver­bund­werk­stoff, Füll­stoff oder Bau­ma­te­ri­al für emis­si­ons­in­ten­si­ve In­dus­trien oder als Bo­den­ver­bes­se­rungs­mit­tel stel­len wei­te­re Märk­te des Koh­len­stoffs dar.

Mehr zu CCU

Elektronenstrahl-Plasmapyrolyse sorgt für bessere Wirkungsgrade

Im Mai 2021 stell­ten Wis­sen­schaft­lerinnen und Wissenschaftler der TUM die­ses neue Ver­fah­ren für die Her­stel­lung von CO2-ar­men Was­ser­stoff vor. Die For­schenden ver­öf­fent­lich­ten ih­re Er­kenntnis­se im Inter­na­tional Jour­nal of Hy­dro­gen Energy. Mit­tels der so­ge­nan­nten Elek­tro­nen­strahl-Plas­ma­pyro­ly­se (Electron beam plasma methane pyrolysis) lässt sich Was­ser­stoff deut­lich ef­fi­zien­ter und um­welt­freund­li­cher her­stel­len, als dies mit bis­he­ri­gen Me­tho­den der Me­than­pyro­ly­se mög­lich war. Neu ist: Bei die­sem Kon­zept zur Plas­ma­py­ro­ly­se wer­den die Me­than­mo­le­kü­le mit­tels der ki­ne­ti­schen Ener­gie be­schleu­nig­ter Elek­tro­nen dis­so­zi­iert. Dies führt zu nen­nens­wer­ten Wir­kungs­grad­ver­bes­se­run­gen ge­gen­über an­de­ren Py­ro­ly­se­ver­fah­ren.

Die am In­sti­tut für Ener­gie­sys­te­me der TU Mün­chen durch­ge­führ­ten Ana­ly­sen zei­gen: Aus ei­ner kWh Strom kön­nen über das vor­ge­stell­te Ver­fah­ren rund 3,3 kWh Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den. Die Re­ak­ti­ons­enthalpie pro Was­ser­stoff­mo­le­kül ist bei der Plas­ma­py­ro­ly­se um 87 Pro­zent ge­rin­ger als bei der Elek­tro­ly­se. Daher lässt sich mit Erd­gas als Aus­gangs­stoff Was­ser­stoff mit ei­nem deut­lich ge­rin­ge­ren Ener­gie­auf­wand ge­win­nen als mit Was­ser. Denn mit Was­ser und dem Elek­tro­ly­se-Ver­fah­ren kann aus ei­ner kWh nur 0,6 kWh Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den. Be­son­ders bei der Nut­zung von Strom aus er­neu­er­ba­ren Ener­gie­quel­len kommt die­ser Vor­teil zum Tra­gen, da die Öko­strom­men­gen be­grenzt sind und da­her mög­lichst ef­fi­zient ge­nutzt wer­den müs­sen.

Auch ist das Ver­fah­ren auf­grund sei­ner schnel­len An­lauf­zei­ten sehr gut in der La­ge, mit schwan­ken­den Men­gen an er­neu­er­ba­rem Strom um­zu­ge­hen und so Last­spit­zen, die bei viel Wind oder Son­ne ent­ste­hen, in Form von Was­ser­stoff zu spei­chern.

Die Er­zeu­gungs­kos­ten lie­gen mit dem neu­ar­ti­gen Py­ro­ly­se­ver­fah­ren un­ter ak­tu­el­len wirt­schaft­li­chen Be­din­gun­gen zwi­schen 2,50 €/kg Was­ser­stoff und 5 €/kg Was­ser­stoff. Das er­mög­licht ei­ne wett­be­werbs­fäh­ige Pro­duk­ti­on von Was­ser­stoff schnel­ler als et­wa mit der Dampf­re­for­mierung oder der Elek­tro­ly­se. "Mit un­se­rer Me­tho­de kön­nen wir Was­ser­stoff sehr güns­tig und ef­fi­zient pro­du­zie­ren und lie­gen da­mit bis zu 5 Euro pro Ki­lo­gramm un­ter den ak­tu­el­len Her­stel­lungs­kos­ten für Elek­tro­ly­se­was­ser­stoff. Auch sind die Le­bens­zyk­lus-Emis­si­o­nen weit­aus nie­dri­ger, als bei kon­ven­tio­nel­len Her­stel­lungs­ver­fah­ren", so Florian Kerscher von der TU Mün­chen, un­ter des­sen Lei­tung das Pro­jekt ent­wi­ckelt wur­de. Ak­tu­ell plant die TU Mün­chen den Auf­bau ei­ner ent­sprech­enden For­schungs­an­la­ge.

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Methan-Pyrolyse: Auch wirtschaftlich attraktiv

Die Spal­tungs­re­ak­ti­on ist ein en­do­ther­mer Pro­zess, d. h. es muss Ener­gie auf­ge­wen­det wer­den, da­mit der Pro­zess ab­läuft. Ver­gli­chen mit an­de­ren Was­ser­stoff­pro­duk­ti­ons­rou­ten zeigt die ther­mo­dy­na­mi­sche Ana­ly­se ei­nes ide­a­len Py­ro­ly­se­pro­zes­ses da­bei ener­ge­ti­sche Vor­tei­le. Der Ener­gie­be­darf zur Was­ser­stoff-Be­reit­stel­lung bei der Py­ro­ly­se (37,8 kJ/mol H2) liegt sig­ni­fi­kant un­ter dem Ener­gie­be­darf der Er­zeu­gung von Was­ser­stoff aus Erd­gas mit­tels Dampf­re­for­mie­rung (63,3 kJ/mol H2) so­wie der Be­reit­stel­lung von er­neu­er­ba­rem Was­ser­stoff mit­tels Elek­tro­ly­se (285,9 kJ/mol H2).

Auch aus wirt­schaft­li­cher Sicht ist die Me­than­py­ro­ly­se at­trak­tiv. Mit den in der Li­te­ra­tur ak­tu­ell prog­nos­ti­zier­ten Was­ser­stoff­ge­ste­hungs­kos­ten er­ge­ben sich bei der Me­than­py­ro­ly­se er­heb­li­che Kos­ten­vor­tei­le ge­gen­über der Elek­tro­ly­se. Ei­ne Kon­kur­renz­fä­hig­keit im Ver­gleich zur Dampf­re­for­mie­rung ist eben­falls ge­ge­ben.

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Expertenthema

Fragen rund um die Herstellung von grünem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff, grüne Moleküle

In ih­nen wird kli­ma­neu­tra­les Gas er­zeugt. Herz­stück der Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie ist der Elek­tro­ly­seur, der Was­ser mit­hil­fe von er­neu­er­ba­rem Über­schuss-Strom in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­spal­tet. Die Tech­no­lo­gie ist das ver­bin­den­de Ele­ment zwi­schen Strom- und Gas-In­fra­struk­tur.

Bei der Elek­tro­ly­se wird die che­mi­sche Ver­bin­dung H2O (Was­ser) mit­hil­fe elek­tri­schen Stroms in die Be­standteile Wasserstoff (H2) und Sau­er­stoff (O2) zer­legt. Die wich­tigs­te An­wen­dung von Elek­tro­ly­se ist zur Ge­win­nung von Was­ser­stoff.

Was­sers­toff (H2) und Koh­len­di­o­xid (CO2) rea­gie­ren zu Me­than (CH4) und Was­ser (H2O). Für die Me­tha­ni­sie­rung kann schwer­ver­meid­ba­res CO2 aus z. B. in­dus­tri­el­len Pro­zes­sen ver­wen­det wer­den. Es gibt be­reits auch Pro­zes­se zur bio­lo­gi­schen Me­tha­ni­sie­rung durch Mi­kro­or­ga­nis­men. Das so ent­ste­hen­de syn­the­ti­sche Gas kann in un­be­grenz­ten Men­gen in die be­ste­hen­de Gas-In­fra­struk­tur ein­ge­speist wer­den.

Biologische Methanisierung

Ver­schie­de­ne Power-to-Gas-An­la­gen ha­ben die tech­ni­sche Mach­bar­keit be­reits un­ter Be­weis ge­stellt. In zahl­rei­chen For­schungs- und Pi­lot­an­la­gen wird das Strom-zu-Gas-Ver­fah­ren wei­ter­ent­wi­ckelt.

Der Ener­gie­kon­zern Uniper hat be­reits vor Jah­ren be­wie­sen, dass Was­ser­stoff aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien funk­ti­o­niert. Im bran­den­bur­gi­schen Fal­ken­ha­gen wur­de 2013 die in­ter­na­ti­o­nal ers­te De­mons­tra­ti­ons­an­la­ge zur Spei­che­rung von Wind­strom im Erd­gas­netz er­rich­tet. Der Strom aus der Wind­kraft­an­la­ge wird in ei­nem Elek­tro­ly­se­pro­zess in rund 360 Nm³/h Was­ser­stoff um­ge­wan­delt, der in das Fern­gas­netz ein­ge­speist wer­den kann.

Das Pro­jekt AquaVentus bie­tet von Hel­go­land aus hi­naus in die Deut­sche Bucht ein op­ti­ma­les und ska­lier­ba­res Pro­jekt, um die deut­schen und eu­ro­pä­i­schen Kli­ma­zie­le zu er­rei­chen. 10 Gi­ga­watt Er­zeu­gungs­leis­tung für grü­nen Was­ser­stoff aus Off­shore-Wind­ener­gie bis zum Jahr 2035. Füh­ren­de Un­ter­neh­men, For­schungs­in­sti­tu­te und Ver­bän­de ent­lang der ge­sam­ten Wert­schöp­fungs­ket­te eb­nen mit AquaVentus den Weg, die Wirt­schaft schnell und um­welt­freund­lich jähr­lich mit ei­ner Mil­li­on Ton­nen grü­nem Was­ser­stoff aus der Nord­see zu ver­sor­gen.

Bei der Pho­to­ka­ta­ly­se wird Was­ser mit Ka­ta­ly­sa­to­ren ge­mischt. Die­se Ka­ta­ly­sa­to­ren spal­ten das Was­ser mit Hil­fe des Son­nen­lichts in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf. Die­ses Prin­zip wird be­reits bei ers­ten Ver­suchs­an­la­gen in Ja­pan an­ge­wen­det. Ak­tu­ell (Stand 2024) lie­gen die Be­stre­bun­gen da­rin, die Ef­fi­zienz des Ver­fah­rens zu op­ti­mie­ren und deut­lich (der­zei­ti­ger Ef­fi­zienz­grad i. H. v. 2 Pro­zent) zu er­hö­hen. Da­für wer­den nach­hal­ti­ge und res­sour­cen­scho­nen­de Ka­ta­ly­sa­to­ren ge­sucht und er­forscht – wie bspw. in dem vom BMBF ge­för­der­ten Pro­jekt zur Er­zeu­gung von grün­em Was­ser­stoff per Pho­to­ka­ta­ly­se der Frie­drich-Schil­ler-Uni­ver­si­tät Je­na.

Fragen rund um die Herstellung von blauem Wasserstoff

Bei der CO2-Ab­schei­dung han­delt es sich um ein eta­blier­tes Ver­fah­ren. Es ist da­von aus­zu­ge­hen, dass bis zu 95 Pro­zent des CO2 ein­ge­fan­gen wer­den kön­nen.

Für die Pro­duk­ti­on von blau­em Was­ser­stoff muss Ener­gie auf­ge­wen­det wer­den – wie auch bei je­der an­de­ren Ener­gie­her­stel­lung. Durch den Ein­satz er­neu­er­ba­rer Ener­gien kann bei­spiels­wei­se der Trans­port des ab­ge­schie­de­nen CO2 kli­ma­neu­tral er­fol­gen.

Das Preis­in­dex-Tool "Hydex" bie­tet ei­ne Orien­tie­rung für Was­ser­stoff-Ein­kaufs­prei­se. Wäh­rend die Kos­ten für die Her­stel­lung von blau­em Was­ser­stoff all­ge­mei­nen Markt­schwan­kun­gen un­ter­lie­gen, schwankt der Ein­kaufs­preis für grü­nen Was­ser­stoff wet­ter­be­dingt. Im Jah­res­schnitt sind die Pro­duk­ti­ons­kos­ten für blau­en Was­ser­stoff deut­lich güns­ti­ger als für grü­nen Was­ser­stoff.

Hydex

Wie viel Wasserstoff braucht Deutschland?

Die Nach­fra­ge an Was­ser­stoff in den Sek­to­ren In­dus­trie, Mo­bi­li­tät, Strom und Wär­me ist un­ter­schied­lich. Für zum Bei­spiel ther­mi­sche In­dus­trie­pro­zes­se ist die Um­stel­lung auf Was­ser­stoff teil­wei­se die ein­zi­ge Mög­lich­keit zur De­kar­bo­ni­sie­rung. Nach Prog­no­sen der Deut­schen Ener­gie-Agen­tur (dena) wer­den im Jahr 2030 90 bis 110 Te­ra­watt­stun­den (TWh) Was­ser­stoff be­nö­tigt. Das ent­sprä­che ei­ner Elek­tro­ly­se­ka­pa­zi­tät von 40 Gi­ga­watt (GW).

Ein­fluss von sich ver­än­dern­de Rah­men­be­din­gun­gen auf den H2-Be­darf

Durch sich ver­än­dern­de Rah­men­be­din­gun­gen seit 2022 zeich­net sich ein deut­lich hö­he­rer Be­darf an Was­ser­stoff ab. Be­reits heu­te wer­den je­des Jahr rund 70 TWh Was­ser­stoff in der deut­schen In­dus­trie be­nö­tigt. Für das Zeit­fens­ter 2040–2050 geht der Na­ti­o­na­le Was­ser­stoff­rat von ei­nem Ge­samt­be­darf von 964 bis 1.364 TWh Was­ser­stoff aus. Die­ser wird sich nicht aus­schließ­lich über ei­ne in­län­di­sche Pro­duk­ti­on de­cken las­sen.

Kann in Deutsch­land aus­rei­chend Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den?

Zu­min­dest ein Teil der Pro­duk­ti­on kann über deut­sche Stand­or­te ab­ge­deckt wer­den: 10 Gi­ga­watt Elek­tro­ly­se­leis­tung sol­len bis 2030 ins­tal­liert wer­den. Der Aus­bau geht zö­ger­lich vo­ran. Doch auch wenn die Aus­bau­zie­le er­reicht wer­den, feh­len min­des­tens 30 GW ins­tal­lier­ter Elek­tro­ly­se­leis­tung. Deutsch­land wird auf Im­por­te an­ge­wie­sen sein. Um Was­ser­stoff-Im­por­te aus son­nen- und wind­rei­chen Re­gi­o­nen si­cher­zu­stel­len, ar­bei­tet Deutsch­land be­reits am Auf­bau von glo­ba­len Part­ner­schaf­ten.

Einheitliche Vorgaben für die Herstellung von grünem Wasserstoff

Mit der No­vel­le der 37. Ver­ord­nung zur Durch­füh­rung des Bun­des-Im­mis­si­ons­schutz­ge­set­zes (37. BImSchV) vom 13.12.2023 wird erst­mals de­fi­niert, un­ter wel­chen Be­din­gun­gen der Strom zur Her­stel­lung von E-Fuels und an­de­ren syn­the­ti­schen Kraft­stof­fen als voll­stän­dig er­neu­er­bar und der mit die­sem Strom er­zeug­te Was­ser­stoff als grün gilt. Zu­dem wird die För­de­rung von grü­nem Was­ser­stoff zum Ein­satz im Ver­kehrs­sek­tor im Rah­men der THG-Quo­te durch hö­he­re An­rech­nung ver­bes­sert. Auf die­se Wei­se schafft die Bun­des­re­gie­rung die Vo­raus­set­zung für ei­nen be­schleu­nig­ten Markt­hoch­lauf der grü­nen Was­ser­stoff­wirt­schaft.

Wann gilt Was­ser­stoff als grün?

Was­ser­stoff gilt nur dann als grün, wenn der bei sei­ner Her­stel­lung ein­ge­setz­te Strom zu 100 Pro­zent aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien nicht-bio­ge­nen Ur­sprungs stammt. Au­ßer­dem muss der CO2-Aus­stoß der ge­sam­ten Pro­duk­ti­on durch die Nut­zung von grü­nem Was­ser­stoff um min­des­tens 70 Pro­zent ge­senkt wer­den. Da­bei wer­den die Emis­si­o­nen über die ge­sam­te Lie­fer­ket­te be­rück­sich­tigt, un­ter an­de­rem auch für den Trans­port des grü­nen Was­ser­stoffs. Die­se An­for­de­run­gen gel­ten ge­nau­so für die Pro­duk­ti­on von mit grü­nem Was­ser­stoff er­zeug­ten E-Fuels für Stra­ßen­fahr­zeu­ge und wei­te­re er­neu­er­ba­re Kraft­stof­fe nicht-bio­ge­nen Ur­sprungs (Renewable fuels of non-biological origin, RFNBOs).

Da­mit wer­den eu­ro­pa­recht­li­che Vor­ga­ben aus zwei de­le­gier­ten Ver­ord­nun­gen zur Er­neu­er­ba­re-Ener­gien-Richt­li­nie (RED II) für die Her­stel­lung von RFNBOs – ins­be­son­de­re für den Be­zug von er­neu­er­ba­rem Strom – und für die Er­mitt­lung der Treib­haus­gas­ein­spa­run­gen von RFNBOs zum Ein­satz im Ver­kehrs­sek­tor um­ge­setzt. Die no­vel­lier­te 37. BImSchV be­darf der Zu­stim­mung des Bun­des­tags, be­vor sie in Kraft tre­ten kann.

Wasserstoff kann ideal über das Gas-Netz transportiert werden

Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung

Bis zu sei­ner Nut­zung für ver­schie­de­ne An­wen­dun­gen muss der er­zeug­te Was­ser­stoff ge­spei­chert wer­den. Da Was­ser­stoff in sei­ner Rein­form gas­för­mig ist, kann er lang­fris­tig und in gro­ßen Men­gen z. B. in Un­ter­grund-Ka­ver­nen­spei­chern ge­la­gert und über das Gas-Netz trans­por­tiert wer­den. Die Spei­che­rung von Was­ser­stoff bie­tet ein gro­ßes Kli­ma­schutz­po­ten­zi­al: An wind- und son­nen­rei­chen Ta­gen pro­du­zier­ter er­neu­er­ba­rer Über­schuss-Strom steht, um­ge­wan­delt in grü­nen Was­ser­stoff dann auch nachts oder bei Dun­kel­flau­te zur Ver­fü­gung.

Wasserstoff im Gas-Netz

Wasserstoff made in Germany und Projekte

Die Bun­des­re­gie­rung hat mit der Na­ti­o­na­len Was­ser­stoff­stra­te­gie ei­nen Grund­stein für Was­ser­stoff-Tech­no­lo­gien ge­legt und för­dert de­ren Markt­hoch­lauf. Die ge­sam­te Wert­schöp­fungs­ket­te von Was­ser­stoff wird in 62 deut­schen Groß­pro­jek­ten un­ter­sucht, die im Rah­men des Important Projects of Common European Interest (IPCEI) ge­för­dert wer­den. Da­für ha­ben das Bun­des­wirt­schafts- und das Bun­des­ver­kehrs­mi­nis­te­ri­um 19 Pro­jek­te für die Was­ser­stoff-Er­zeu­gung, 15 Was­ser­stoff-In­fra­struk­tur­pro­jek­te, 16 Pro­jek­te zur Was­ser­stoff-Nut­zung in der In­dus­trie so­wie 12 Pro­jek­te zur Was­ser­stoff-Nut­zung im Ver­kehrs­sek­tor aus­ge­wählt. 

IPCEI-Projekte Wasserstoff
Steckbrief Wasserstoff

Faktenblatt Wasserstoff

In un­se­rem Faktenblatt Was­ser­stoff fin­den Sie In­for­ma­ti­o­nen und Fak­ten rund um das Schlüs­sel­ele­ment der Ener­gie­wen­de.

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