Herstellung von Wasserstoff

Was­ser­stoff kommt in un­ge­bun­de­ner Form auf der Er­de na­he­zu nicht vor. Er ist zum Bei­spiel in Was­ser, Bio­mas­se oder Erd­gas zu fin­den. Ge­nau­so wie Strom ist Was­ser­stoff ei­ne Se­kun­där­ener­gie und kann mit­hil­fe von Roh­stof­fen und Ener­gie auf ver­schie­de­ne Wei­sen ge­won­nen wer­den. Die un­ter­schied­li­chen Pro­duk­ti­ons­pfa­de für den Ener­gie­trä­ger wer­den nach Far­ben ka­te­go­ri­siert.

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.

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.

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

Zehn Gigawatt an Elektrolyseleistung für grünen Wasserstoff bis 2030

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 2024 wa­ren es 0,11 Gi­ga­watt. Zahl­rei­che Pro­jek­te be­fin­den sich in der Plan­ungs­pha­se. Bei ent­spre­chen­der Um­set­zung steigt die ins­tal­lier­te Leis­tung auf etwa 11,3 Gi­ga­watt im Jahr 2030. Das be­deu­tet: Das Ziel der Bun­des­re­gie­rung (10 Gi­ga­watt) wür­de mit den bis­lang pro­jek­tier­ten An­la­gen erstmalig aus­rei­chen.

Trotz die­ser po­si­ti­ven Ent­wick­lung blei­ben wirt­schaft­li­che und po­li­ti­sche Un­si­cher­hei­ten eine gro­ße He­raus­for­de­rung, da vie­le Pro­jek­te wei­ter­hin nicht über die Pla­nungs­pha­se hi­naus­ge­hen. Ho­he Strom­prei­se und feh­lend­e Me­cha­nis­men zur Ab­sen­kung der Pro­duk­ti­ons­kos­ten er­schwe­ren den wirt­schaft­li­chen Be­trieb von Elek­tro­ly­seu­ren. Gleich­zei­tig sor­gen un­kla­re Re­gu­lie­run­gen bei Netz­ent­gel­ten, der Was­ser­stoff­in­fra­struk­tur und den För­der­be­din­gun­gen für Un­si­cher­heit bei In­ves­to­ren. Hin­zu kommt, dass vie­le Un­ter­neh­men zö­gern, lang­fris­ti­ge Ab­nah­me­ver­trä­ge für Was­ser­stoff ab­zu­schlie­ßen, da fos­si­le Ener­gie­trä­ger nach wie vor deut­lich güns­ti­ger sind. Da­durch feh­len ver­läss­li­che Ge­schäfts­mo­del­le, was die Fi­nan­zie­rung neuer Pro­jek­te er­schwert und den Aus­bau aus­bremst.

In ab­so­lu­ten Zah­len gab es im August 2024 etwa 45 Elektrolyseure in Deutsch­land, die Elek­tro­ly­se-Was­ser­stoff pro­du­zier­ten. Die meis­ten von ih­nen sind De­mons­tra­ti­ons- oder For­schungs­an­la­gen. An­de­re sind aus For­schungs­pro­jek­ten her­vor­ge­gan­gen. Vor al­lem grö­ße­re Pro­duk­ti­ons­stät­te sind der­zeit noch in der Pla­nung oder am An­fang der Bau­pha­se. Bis 2030 sind ins­ge­samt 143 Elek­tro­ly­seu­re (Stand: Au­gust 2024) ge­plant. Deutsch­land braucht da­her drin­gend ei­nen Tur­bo, um die Was­ser­stoff­wirt­schaft in Gang zu brin­gen.

Leistung von Elektrolyseuren

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

Vorteile von Power-to-Gas nutzen

Power-to-Gas wird durch sei­ne Spei­cher­funk­ti­on zum Jo­ker der Ener­gie­wen­de. Die An­la­gen sind sehr fle­xi­bel und kön­nen bei wet­ter­be­ding­ten Spit­zen in der Strom­er­zeu­gung schnell hoch­ge­fah­ren wer­den. Durch die Um­wand­lung von grü­nem Strom in grü­nen Was­ser­stoff kön­nen er­neu­er­ba­re Ener­gien über die be­ste­hen­de Gas-In­fra­struk­tur trans­por­tiert und an an­de­rer Stel­le wie­der ver­füg­bar ge­macht wer­den. Das mil­dert den Aus­bau­druck bei den Strom­tras­sen. Schwer zu elek­tri­fi­zie­ren­de in­dus­tri­el­le Pro­zes­se lie­ßen sich künf­tig kli­ma­freund­lich ge­stal­ten. So geht Ener­gie­wen­de – mit­ein­an­der, nicht ge­gen­ein­and­er.

Noch sind die Kosten 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.

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.

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.

Faktenblatt Methanpyrolyse

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).

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.

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.

Markthochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft – 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.

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

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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