Wasserstoff soll grüner werden

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Wasserstoff ist eigentlich ein attraktiver Brennstoff. Aus einem Kilogramm lässt sich etwa dreimal so viel Energie gewinnen wie aus einer vergleichbaren Menge Diesel oder Benzin. Sauber und kostengünstig hergestellt, könnte er entscheidend dazu beitragen, die Energieerzeugung für wichtige Lebensbereiche umweltverträglicher zu gestalten.

Das Problem: Heute wird Wasserstoff meist unter hohen Temperaturen mit Dampf aus Erdgas gewonnen. Das besteht größtenteils aus Methan, dessen Moleküle sich aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen bilden. Der energieintensive Prozess der Wasserstoffabspaltung setzt erhebliche Mengen an Kohlendioxid frei, jenes Treibhausgas, das den Klimawandel entscheidend vorantreibt.

Wasserstoff kann aber auch anders gewonnen werden: durch Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile unter Stromzufuhr – eine sogenannte Elektrolyse. Auch dieser Prozess, dessen Anteil an der Herstellung noch klein, aber wachsend ist, benötigt Energie. Wenn aber der Strom aus einer erneuerbaren Quelle wie Wind- oder Sonnenenergie stammt, entstehen nur sehr wenig schädliche Emissionen.

Grün ist teuer – noch

Die Herstellung dieses „grünen“ Wasserstoff ist heute etwa dreimal so teuer wie ihn aus Erdgas zu gewinnen. Trotzdem kostet sie heute nur halb so viel wie vor zehn Jahren. Sinken die Kosten für Wind- und Solarenergie weiter und würde er in größerem Maßstab und daher wirtschaftlicher produziert, könnte der grüne Wasserstoff noch viel billiger werden. Dann hätte er das Potenzial, auf dem Weg in eine kohlenstofffreie Zukunft zum entscheidenden Kraftstoff zu werden.

Eine zweite Methode wäre, mit Hilfe von verbesserten Techniken den Kohlenstoff der Methanmoleküle so von deren Wasserstoffatomen abzutrennen, dass bei der Gewinnung aus Erdgas nicht mehr so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt.

Der Wert des Wasserstoffs liegt unter anderem in seiner Vielseitigkeit. So dient er als Ersatz für fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas. Bei deren Verbrennung entsteht Kohlendioxid, bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff in einer Turbine nur Wasserdampf. Allerdings bilden sich dabei aufgrund der hohen Temperaturen auch schädliche Stickoxide. Brennstoffzellen hingegen, die Wasserstoff mit Sauerstoff kombinieren und so Wasser und Elektrizität erzeugen – die Umkehrung der Elektrolyse –, produzieren keine Stickoxide.

Fast ein Alleskönner

Wasserstoff treibt Fahrzeuge wie Autos, Busse, Züge und Flugzeuge an, entweder durch Brennstoffzellen oder durch direkte Verbrennung. Oder er liefert kohlenstofffreie Wärme für Stahlwerke, Zementwerke und andere Industrien. Ersetzt die Grüne Variante jenen Wasserstoff, der bereits als Rohstoff in Raffinerien und Düngemittelfabriken verwendet wird, reduziert sich deren Kohlendioxid-Emissionen ebenfalls. Den dabei als Nebenprodukt anfallenden Sauerstoff (siehe Grafik unten) können einige Industrien wie Stahlwerke und Chemiewerke nutzen.

Doch ein Problem bleibt: Wasserstoff ist, egal wie er hergestellt wird, bislang nur schwierig und teuer zu speichern und zu transportieren. Das gilt insbesondere für die Luftfahrt, für die er ansonsten eine vielversprechende Alternative wäre.

Wasserstoff ließe sich jedoch auch mit Kohlenstoff zu einem flüssigen synthetischen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff verbinden, der einfacher zu handeln ist. Der Kohlenstoff wird dabei aus der Atmosphäre in einem Prozess namens Air Capture oder aus Schornsteinen gewonnen. Diese flüssigen Brennstoffe könnten ein sauberer, gleichwertiger Ersatz für Benzin oder Diesel sein.

Potential für ein Zehntel des Weltenergiebedarfs

Mit Wasserstoff lässt sich auch Energie aus Solar- oder Windkraftwerken speichern. Flaut der Wind ab, ziehen Wolken auf oder steigt die Nachfrage, speist der Betreiber sie wieder ins Netz.

Angesichts der vielen Einsatzmöglichkeiten prognostiziert die Internationale Energieagentur (IEA), dass Wasserstoff bis zum Jahr 2050 mehr als 10 Prozent des weltweiten Energiebedarfs abdecken und mehr als 11 Millionen Gigawattstunden Energie pro Jahr erzeugen könnte. Mehr als 4 Billionen Dollar für Produktion, Speicherung und Transport von Wasserstoff müssten dafür bereitgestellt werden.

Allein Europa strebt bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 40 Gigawatt an. (Das wären etwa zwei Prozent der von der IEA für 2050 prognostizierten Menge.) „Seit Anfang 2020 tun sich jede Menge Möglichkeiten auf. Es ist unglaublich, wie viele große und realistische Projekte auf uns zukommen“, sagt Christoph Noeres, Leiter der Abteilung für Grünen Wasserstoff bei Uhde Chlorine Engineers, einer Tochter der deutschen ThyssenKrupp AG.

Grüne Wasserstoff-Täler

In ganz Europa entstehen „Hydrogen Valleys“ – quasi Silicon Valleys der Wasserstoffwirtschaft. Dabei errichten die Projekt-Betreiber die Elektrolyse-Anlagen dort, wo sie gleich mehreren Zwecken dienen. In der Nähe von Hamburg in Norddeutschland etwa ist ThyssenKrupp Teil eines 89 Millionen Euro teuren Konsortiums für grünen Wasserstoff. Das von der deutschen Regierung mit 30 Millionen Euro geförderte Projekt soll eine Raffinerie, ein Zementwerk, Stromgeneratoren und einen Offshore-Windpark umfassen.

Zunächst wird der grüne Wasserstoff einen Teil des „grauen“ Wasserstoffs – wie der aus Erdgas gewonnene Wasserstoff auch genannt wird – ersetzen, den die Raffinerie verwendet. Die deutsche Gruppe plant dann, den Wasserstoff mit Kohlendioxid aus dem Zementwerk reagieren zu lassen und auf diese Weise sowohl Methanol, einen chemischen Rohstoff, als auch einen synthetischen Flugzeugtreibstoff zu produzieren.

Etwa 240 Kilometer weiter südwestlich will ein anderes grünes Wasserstoffkonsortium stillgelegte Gaspipelines für den Transport von Wasserstoffgas umfunktionieren. Es plant den Bau eines 100-Megawatt-Elektrolyseurs. Von dort aus soll der Wasserstoff durch ein 130 Kilometer langes Netz im Ruhrgebiet geleitet werden. Wenn diese Umnutzung der Pipelines funktioniert, könnten die an die alten Leitungen angeschlossenen Elektrolyseure am Ende fast alle großen Industrien in Deutschland mit grünem Wasserstoff versorgen. Das würde den Druck von dem überlasteten deutschen Stromnetz nehmen und auch für dunkle, windstille Zeiten eine Notstromversorgung bereitstellen.

(bsc)