Herstellung von Wasserstoff

Was­ser­stoff ist 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 aus Erd­gas und Was­ser­dampf Was­ser­stoff ge­won­nen wird. Da­bei ent­steht CO2. Mit­hil­fe der Carbon-Capture-and-Storage-Tech­no­lo­gie (CCS) kann ein Teil des CO2 ab­ge­schie­den und dau­er­haft in ge­eig­ne­ten geo­lo­gi­schen For­ma­ti­o­nen ge­spei­chert wer­den. Der so her­ge­stell­te Was­ser­stoff wird als blau­er Was­ser­stoff be­zeich­net. Fort­schritt­li­che Ver­fah­ren kön­nen nach An­ga­ben der In­ter­na­ti­o­na­len Ener­gie­agen­tur tech­nisch Ab­schei­de­ra­ten von über 90 Pro­zent er­rei­chen. Das be­zieht sich auf die Ab­schei­dung an der Pro­duk­ti­ons­an­la­ge. So kön­nen die Treib­haus­gas­emis­si­o­nen durch den Ein­satz von blau­em Was­ser­stoff ver­rin­gert wer­den.

Ein an­de­rer Weg zur Was­ser­stoff­her­stel­lung ist die Py­ro­ly­se. Aus Me­than wer­den kohlenstoffar­mer Was­ser­stoff und fes­ter Koh­len­stoff er­zeugt. Der Koh­len­stoff kann in der In­dus­trie als Roh­stoff ge­nutzt wer­den.

Grü­ner Was­ser­stoff kann durch Elek­tro­ly­se mit Strom aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien 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 keine direkten CO2-Emissionen bei der Elektrolyse
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 Strom aus erneuerbaren Energien wird 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, der per Elek­tro­ly­se aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien ge­won­nen wird: 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.

Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?

Die Her­stel­lung von Was­ser­stoff, der aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien ge­won­nen wird, 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, ent­ste­hen bei der Er­zeu­gung des Was­ser­stoffs keine di­rek­ten CO2-Emis­si­o­nen. Die­ser Was­ser­stoff wird dann grü­ner Was­ser­stoff ge­nannt.

Wie wird grü­ner Was­ser­stoff ins Gas-Netz ein­ge­speist?

Der 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) aus einer er­neu­er­ba­ren Quel­le – bei­spiels­wei­se 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- und Was­ser­stoff-Wirt­schaft in den ver­gan­ge­nen Jah­ren er­heb­li­che In­ves­ti­ti­o­nen in die Er­for­schung und Wei­ter­ent­wick­lung zur ef­fi­zien­ten Er­zeu­gung von Was­ser­stoff ge­tä­tigt hat, der mit Hil­fe von er­neu­er­ba­ren Ener­gien er­zeugt wird. 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.

Ziel 2030: Wasserstoff als Schlüssel zur Energiewende

Die Na­ti­o­na­le Was­ser­stoff­stra­te­gie sieht vor, bis 2030 eine in­stal­lier­te Elek­tro­ly­se­leis­tung von 10 Gi­ga­watt in Deutsch­land zu er­rei­chen. Die Pro­duk­ti­ons­ka­pa­zi­tä­ten ent­wi­ckeln sich zwar kon­ti­nu­ier­lich, nach ak­tu­el­len Ana­ly­sen wird das 10-Gi­ga­watt-Ziel je­doch vo­raus­sicht­lich ver­fehlt.

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 Um­set­zung al­ler an­ge­kün­dig­ten Pro­jek­te könn­te die ins­tal­lier­te Leis­tung nach Ein­schät­zung des Ener­gie­wirt­schaft­li­chen Ins­ti­tuts an der Uni­ver­si­tät zu Köln (EWI) bis 2030 auf rund 8,7 Gi­ga­watt stei­gen. Das be­deu­tet: Das 10-Gi­ga­watt-Ziel wür­de da­mit auch mit den bis­lang pro­jek­tier­ten An­la­gen ver­fehlt.

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, der durch Elek­tro­ly­se mit er­neu­er­ba­rem Strom pro­du­ziert wur­de. Trotz För­der­pro­gram­men fehlt häu­fig ein trag­fä­hi­ges Ge­schäfts­mo­dell. Ho­he In­ves­ti­tions­kos­ten tref­fen auf eine ge­rin­ge und un­ver­bind­li­che 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 Elektrolysekapazitäten 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 Ka­pa­zi­tä­ten 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 2037 soll das Kern­netz eine Ge­samt­län­ge von 9.040 Ki­lo­me­tern er­rei­chen – größ­ten­teils durch die Um­rüs­tung be­ste­hen­der Erd­gas­lei­tun­gen, er­gänzt um ge­ziel­te Neu­bau­ten.

Als Rück­grat für den Auf­bau der 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 Kernet­zes wird da­her maß­geb­lich da­rü­ber ent­schei­den, wie schnell Was­ser­stoff flä­chen­de­ckend als Ener­gie­trä­ger mit deut­lich re­du­zier­ten Treib­haus­gas­emis­si­o­nen ge­gen­über kon­ven­ti­o­nel­len Ener­gie­trä­gern, wie bei­spiels­wei­se Koh­le oder Erd­gas, ge­nutzt wer­den kann. Dem ste­hen, be­zo­gen auf den un­te­ren Heiz­wert, rund 337 g CO2/kWh bei Stein­koh­le und rund 202 g CO2/kWh bei Erd­gas ge­gen­über.

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.

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 Strom aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien zu Was­ser­stoff er­mög­licht den Trans­port über die be­ste­hen­de Gas‑In­fra­struk­tur und ent­las­tet so die Strom­tras­sen.
  • Schwer zu elek­tri­fi­zie­ren­de in­dus­tri­el­le Pro­zes­se kön­nen mit­hil­fe von Was­ser­stoff mit deut­lich re­du­zier­ten Treib­haus­gas­emis­si­o­nen ge­stal­tet wer­den. In der Stahl­in­dus­trie las­sen sich durch den Ein­satz von Was­ser­stoff in der Di­rekt­re­duk­ti­on bei­spiels­wei­se bis zu 95 Pro­zent der CO2-Emis­si­o­nen ge­gen­über der klas­si­schen Hoch­ofen­rou­te ein­spa­ren.

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 koh­len­stoff­ar­me 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. Es wird nach der Ab­schei­dung 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 durch CO2-Ab­schei­dung mit deut­lich re­du­zier­ten Treib­haus­gas­emis­si­o­nen her­ge­stellt. Als koh­len­stoff­arm gilt er nach den EU-Vor­ga­ben, wenn über den Le­bens­zyk­lus min­des­tens 70 Pro­zent Treib­haus­gas­emis­si­o­nen ge­gen­über dem fos­si­len Ver­gleichs­wert ein­ge­spart wer­den.

Blauer Wasserstoff für den Markthochlauf

Vorteile von blauem Wasserstoff

  • Blauer Was­ser­stoff ent­spricht in sei­nem Pro­duk­ti­ons­pro­zess erst­mal grau­em Was­ser­stoff. Al­ler­dings wird das bei der Her­stel­lung an­fal­len­de CO2 über­wie­gend ab­ge­schie­den und dau­er­haft ge­spei­chert oder in­dus­tri­ell ge­nutzt. Die Treib­haus­gas­bi­lanz von blauem Was­ser­stoff hängt da­mit vom Ab­schei­de­grad und von den Methan­emis­si­o­nen der Erd­gas-Vor­ket­te ab. Was­ser­stoff gilt als Schlüs­sel­ele­ment für die De­kar­bo­ni­sie­rung al­ler Sek­to­ren.
  • Grü­ner Was­ser­stoff, der per Elek­tro­ly­se aus er­neu­er­ba­rem Strom er­zeugt wur­de, ver­ur­sacht bei der Her­stel­lung ge­rin­ge­re CO2-Emis­si­o­nen 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 koh­len­stoff­arm 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 bis 2017 die er­folg­rei­che Spei­che­rung von CO2 wis­sen­schaft­lich do­ku­men­tiert be­wie­sen.

Fester Kohlenstoff:

Türkiser Wasserstoff durch Methan-Pyrolyse

Eine wei­te­re Mög­lich­keit zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff ist die Methan­py­ro­ly­se. Da­bei wird Methan in Was­ser­stoff und fes­ten Koh­len­stoff auf­ge­spal­ten. Der so her­ge­stell­te Was­ser­stoff wird als tür­ki­ser Was­ser­stoff be­zeich­net.

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 in der In­dus­trie als Roh­stoff ge­nutzt wird, z. B. Stahl- und Koh­le­fa­ser­pro­duk­ti­on, Ze­ment­in­dus­trie oder als Ano­de in Li­thi­um-Ionen-Bat­te­rien/­Bat­te­rie­fer­ti­gung. 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.

CO2 als Roh­stoff

Bei Carbon Capture and Utilization (CCU) wird CO2 ab­ge­schie­den und an­schlie­ßend als Roh­stoff ge­nutzt. Al­ter­na­tiv wird auch der Be­griff Carbon Capture and Recycling (CCR) ver­wen­det. Das ab­ge­schie­de­ne CO2 kann bei­spiels­wei­se in der Che­mie­in­dus­trie, zur Her­stel­lung syn­the­ti­scher Kraft­stof­fe oder in Bau­stof­fen ein­ge­setzt wer­den.

Elektronenstrahl-Plasmapyrolyse: Konzept für einen geringeren Stromeinsatz

Im Mai 2021 stell­ten Wis­sen­schaft­lerinnen und Wis­sen­schaft­ler ein Kon­zept zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff mit­tels Elek­tro­nen­strahl-Plas­ma­py­ro­ly­se vor. Die For­schenden ver­öf­fent­lich­ten ih­re Er­kenntnis­se im Inter­na­tional Jour­nal of Hy­dro­gen Energy. Bei dem Ver­fah­ren wer­den Methan­mo­le­kü­le mit­hil­fe der ki­ne­ti­schen Ener­gie be­schleu­nig­ter Elek­tro­nen in Was­ser­stoff und fes­ten Koh­len­stoff auf­ge­spal­ten.

Die Mo­dell­rech­nun­gen der Stu­die zei­gen: Un­ter Ein­be­zie­hung von Methan als Aus­gangs­stoff kann mit einer Ki­lo­watt­stun­de Strom Was­ser­stoff mit ei­nem Ener­gie­ge­halt von rund 3,3 Ki­lo­watt­stun­den er­zeugt wer­den. Der wei­te­re Ener­gie­ge­halt stammt aus dem ein­ge­setz­ten Methan.

Für die un­ter­such­ten Sze­na­rien er­mit­tel­te die Stu­die Le­bens­zyk­lus­emis­si­o­nen von 1,9 bis 6,4 Ki­lo­gramm CO₂-Äqui­va­len­ten je Ki­lo­gramm Was­ser­stoff. Für die be­trach­te­te kon­ven­ti­o­nel­le Was­ser­stoff­her­stel­lung aus Erd­gas wur­den 10,8 Ki­lo­gramm be­rech­net. Die Bi­lanz hängt ins­be­son­de­re von der ein­ge­setz­ten Strom­quel­le ab.

Auf­grund sei­ner kur­zen An­lauf­zei­ten könn­te das Ver­fah­ren fle­xi­bel auf eine wech­seln­de Strom­ver­füg­bar­keit rea­gie­ren. Un­ter den An­nah­men der Stu­die von 2021 wur­den Er­zeu­gungs­kos­ten zwi­schen 2,55 und 5 Euro je Ki­lo­gramm Was­ser­stoff be­rech­net.

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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 Kos­ten­vor­tei­le ge­gen­über der Elek­tro­ly­se. Ei­ne Kon­kur­renz­fä­hig­keit im Ver­gleich zur Dampf­re­for­mie­rung ist eben­falls ge­ge­ben.

Expertenthema

Fragen rund um die Herstellung von grünem Wasserstoff, der per Elektrolyse aus erneuerbaren Energien gewonnen wird

Grüner Wasserstoff, grüne Moleküle

In ih­nen wird Gas mit deut­lich re­du­zier­ten Treib­haus­gas­emis­si­o­nen 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.

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 über zehn 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. AquaVentus ver­folgt das Ziel, zehn Gi­ga­watt Off­shore-Leis­tung auf­zu­bauen und da­mit jähr­lich rund eine Mil­li­on Ton­nen grü­nen Was­ser­stoff zu er­zeu­gen. Der Strom für die Elek­tro­ly­se soll aus Off­shore-Wind­ener­gie stam­men.

Bei der Pho­to­ka­ta­ly­se wird Was­ser mit Ka­ta­ly­sa­to­ren ge­mischt. Das Son­nen­licht ak­ti­viert die Ka­ta­ly­sa­to­ren, so­dass Was­ser in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­ge­spal­ten wird. Das Ver­fah­ren be­fin­det sich noch in der For­schung und Er­pro­bung. In ei­ner Pro­jekt­be­schrei­bung der Uni­ver­si­tät Jena aus dem Jahr 2024 wird ein Wir­kungs­grad von rund zwei Pro­zent ge­nannt.

Das 2024 ge­star­te­te und vom BMBF ge­för­der­te Pro­jekt SINATRA: SolSTEP er­forscht Ka­ta­ly­sa­tor­ma­te­ri­a­lien aus Koh­len­stoff und Stick­stoff. Ziel sind eine hö­he­re Ef­fi­zienz und eine län­ge­re Nut­zungs­dau­er der Ka­ta­ly­sa­to­ren.

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 mit deut­lich re­du­zier­ten Treib­haus­gas­emis­si­o­nen er­fol­gen.

Das Preis­in­dex-Tool HYDEX bie­tet eine Orien­tie­rung zu den Er­zeu­gungs­kos­ten ver­schie­de­ner Was­ser­stoff­ar­ten. Im Jah­res­mit­tel 2024 lag der HYDEX Blue mit 87 Euro je Me­ga­watt­stun­de un­ter den grü­nen HYDEX-Va­ri­an­ten mit 112 bis 138 Euro je Me­ga­watt­stun­de. Ein Grund da­für ist, dass blauer Was­ser­stoff kon­ti­nu­ier­lich und un­ab­hän­gig von Son­ne und Wind her­ge­stellt wer­den kann. Die Kos­ten­un­ter­schie­de ver­än­dern sich je­doch mit den Gas-, Strom- und CO2-Prei­sen.

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 von 2040 bis 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?

Ein Teil des künf­ti­gen Be­darfs lässt sich über den Aus­bau hei­mi­scher Elek­tro­ly­se­ka­pa­zi­tä­ten de­cken. Der Aus­bau geht je­doch deut­lich lang­sa­mer vo­ran als ur­sprüng­lich an­ge­strebt. Selbst bei zü­gi­ger Um­set­zung der ak­tu­ell ge­plan­ten Pro­jek­te wird die hei­mi­sche Pro­duk­tion ab­seh­bar nicht aus­rei­chen 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 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 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 Was­ser­stoff, dann auch nachts oder bei Dun­kel­flau­te zur Ver­fü­gung.

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. 

Steckbrief Wasserstoff

Faktenblatt Wasserstoff

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

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