Wasserstoff: Herstellung, Verwendung und Zukunft

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit einer hohen Energiedichte: Ein Kilogramm (komprimierter) Wasserstoff (Energiegehalt von 33 kWh) ist circa so energiereich wie drei Kilogramm Diesel (Energiegehalt von 10 kWh).

In der Natur kommt Wasserstoff in der Regel nicht als atomarer Wasserstoff (H) vor, sondern als molekularer Wasserstoff (H2), ein farb- und geruchloses Gas. Aber selbst letztere Form tritt nur sehr selten auf, der Großteil von Wasserstoff liegt auf der Erde in Verbindungen vor. Wichtige wasserstoffhaltige Verbindungen sind beispielsweise Wasser (H2O: Kombination aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen) oder Kohlenwasserstoffe wie Methan (siehe Grafik unten)oder Erdöl.

Wasserstoff ist kein Treibhausgas und auch sein Reaktionsprodukt (Wasserdampf) trägt nicht zum menschengemachten Treibhauseffekt bei. Wasserstoff kann als Energieträger gespeichert bzw. transportiert werden und gilt als Alternative zu fossilen Brennstoffen. Bisher wurde Wasserstoff in der Industrie unter anderem zur Erzeugung von Stickstoffdünger oder zur Raffinierung von Mineralöl eingesetzt. Im Zuge der Klimakrise und der wirtschaftlichen und politischen Bemühungen, den Klimawandel zu stoppen, setzen einige Regierungen und Unternehmen auch auf Wasserstoff. Laut Umweltministerium sieht die "Wasserstoffstrategie für Österreich" vor, dass "klimaneutraler Wasserstoff in Zukunft für Österreich eine wichtige, nachhaltige Option zur sicheren Versorgung" ist und dazu beitragen kann, "die Abkehr von fossilem Gas sicherzustellen".

Dabei kommt die Klimafreundlichkeit von Wasserstoff auf die unterschiedlichen Methoden der Herstellung an.

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Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten hergestellt werden:

Grüner Wasserstoff wird durch erneuerbare Energiequellen (beispielsweise Stromproduktion auf Basis von Windkraft) in sogenannten Elektrolyse-Anlagen gewonnen. In diesen Anlagen wird durch Strom das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt (Elektrolyse). Die Herausforderung bei der klimafreundlichen Produktion von Wasserstoff ist, dass eine Elektrolyse-Anlage enorme Mengen an Strom verbraucht. Das erfordert wiederum einen hohen Anteil an Ökostrom in Österreich.

Mangelt es an Ökostrom, wird Wasserstoff zumeist aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Dabei wird unter Hitze beispielsweise Erdgas in Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff umgewandelt (Dampfreformierung). Dieser Wasserstoff wird als grauer Wasserstoff bezeichnet, da bei dem Prozess 10 Tonnen CO2 entstehen, um 1 Tonne Wasserstoff zu erhalten. Die Folgen sind eine Verstärkung des Treibhauseffektes.

Blauer Wasserstoff bedeutet, dass bei der Herstellung mittels Dampfreformierung gleichzeitig eine Speicherung (Carbon Capture and Storage (CCS)) des entstandenen Kohlenstoffdioxids erfolgt. Da in diesem Fall keine CO2-Emissionen in die Atmosphäre gelangen gilt diese Art der Herstellung als CO2-neutral.

Türkiser Wasserstoff entsteht durch thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse). Bei der Spaltung von Methan (im Erdgas) entsteht so Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Diese Methode gilt dann als CO2-neutral, wenn die Wärmequelle für den Hochtemperaturreaktor aus erneuerbaren Energien stammt und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden werden kann. Fester Kohlenstoff kann zum Beispiel als Granulat gelagert und später wiederverwendet werden. So gelangt das CO2 nicht in die Atmosphäre.

Von einem pinken Wasserstoff spricht man dann, wenn der Wasserstoff aus Nuklearenergie (z.B.: Elektrolyse durch Atomstrom) gewonnen wurde. Dieses Verfahren zählt wie der graue Wasserstoff zur nicht nachhaltigen Herstellung.

Grüner Wasserstoff wird deshalb als "grün" bezeichnet, weil die Elektrolyse von Wasser durch Strom aus erneuerbaren Energien als die einzig nachhaltige und klimaneutrale Form der Wasserstoffgewinnung gilt.

Durch die Gewinnung von grünem Wasserstoff als Energieträger soll der Einsatz von fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas, oder Kohle weiter minimiert werden. Wasserstoff hat im Gegensatz zu Strom den Vorteil, dass er besser speicherbar ist (beispielsweise gasförmig in Drucktanks oder flüssig in Kryotanks).

Aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit wird grüner Wasserstoff in Europa als wichtiger Beitrag zur Erreichung der Pariser Klimaschutz-Ziele (die globale Erderwärmung soll auf maximal 2 Grad Celsius gegenüber vorindustriellen Werten begrenzt werden) angesehen.

Literaturtipps:

Nur grüner Wasserstoff ist wirklich klimafreundlich, weil er ohne fossile Brennstoffe erzeugt wird.

Für grauen, blauen oder türkisen Wasserstoff muss zuerst ein fossiler Energieträger - meistens Erdgas - gefördert werden. Die Förderung von Erdgas wiederum verursacht Treibhausgas-Emissionen in Form von Methan (CH4), das rund 25-mal so klimaschädlich ist wie CO2.

Bei grauem Wasserstoff kommt hinzu, dass während der Erzeugung von Wasserstoff auch CO2-Emissionen anfallen. Das fällt bei blauem Wasserstoff zwar weg, allerdings ist die Speicherung von CO2 nicht ganz unproblematisch: Das oft unterirdisch gespeicherte CO2 könnte bei einem Unfall entweichen und so die Umwelt schädigen. Abscheidung, Transport und die Speicherung sind zudem energie- und kostenintensiv.

Pinker Wasserstoff ist aufgrund des Stroms aus Atomkraftwerken ebenfalls nicht nachhaltig.

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger hat - wie alle Energiequellen - Vorteile und Nachteile. Ein Problem bei grünem Wasserstoff ist, dass die Erzeugung zwar klimaneutral, aber immer noch vergleichsweise teuer ist - und der gesamte Prozess meist unwirtschaftlich. Experten und Expertinnen gehen jedoch davon aus, dass die Produktion in Zukunft günstiger wird, wenn: erneuerbarer Strom günstiger produziert werden kann, die Wasser-Elektrolyse weiterentwickelt und verbessert wird. Auch der Transport von Wasserstoff kann sich problematisch gestalten, da Wasserstoff-Leitungen als beste Transportlösung in vielen Ländern noch Mangelware sind.

Das Fazit daraus ist: Grüner Wasserstoff ist durchaus eine wichtige und klimafreundliche Alternative, um zur CO2-Reduktion bzw. Verringerung des Einsatzes von fossilen Brennstoffen beizutragen. Allerdings macht sich die fehlende Forschung und Auseinandersetzung mit diesem Energieträger in der Vergangenheit bemerkbar. Daher mangelt es oft an entsprechender Infrastruktur, Effizienz und technologischer Entwicklung. Resultierend daraus sind die Gesamtkosten für Anschaffung und Prozesse im Bereich Wasserstoff relativ hoch. Das kann sich mit fortschreitender Entwicklung und dem Ausbau von erneuerbaren Energien aber in Zukunft ändern.

Die wichtigsten Anwendungsbereiche für grünen Wasserstoff sind:

• die Industrie: bereits seit geraumer Zeit wird Wasserstoff in der Chemieindustrie eingesetzt etwa zur Herstellung von Stickstoffdüngern (Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2) reagieren zu Ammoniak (NH3)) oder im Zuge der Erdölraffinierung zur Veredelung (Wasserstoffanlagerungen verbessern Raffinate). Künftig könnten gewisse Prozesse in der Chemieindustrie durch den Einsatz von grünem Wasserstoff klimafreundlicher gestaltet werden, indem Wasserstoff zum Beispiel Erdöl als Rohstoff ersetzt. Zudem könnte grüner Wasserstoff als alternativer Brennstoff für Öfen die Kohle in der Stahlindustrie ersetzen.

• Verkehr und Transport: grüner Wasserstoff kann als alternativer Kraftstoff für Fahrzeuge zum Einsatz kommen - vor allem dort, wo E-Mobilität nicht möglich ist. Dabei soll Wasserstoff nicht für Privatfahrzeuge genutzt werden, sondern eine Lösung für spezielle Transportmittel wie Schiffe, LKWs oder Flugzeuge sein.

• Strom- und Wärmeerzeugung: Brennstoffzellen, wie sie in Wasserstoffautos zum Einsatz kommen, können Wasserstoff zudem in Strom und Wärme umwandeln. Durch Brennstoffzellen könnten außerdem Häuser beheizt oder mit Strom versorgt werden.

Ein Wasserstoffauto funktioniert mittels Brennstoffzelle und wird daher auch Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle) genannt. Es ist im Prinzip ein E-Auto, nur dass hier eine Brennstoffzelle inklusive Wasserstofftank verbaut ist, die den Strom für den Betrieb des Elektromotors liefert.

Ausführlichere Informationen über Wasserstoffautos finden Sie hier:
Welche Wasserstoff-Autos es gibt - und wie klimafreundlich und zukunftsträchtig sie sind

Bei einem Wasserstoffauto kommt eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle zum Einsatz: Bei dieser Form wird Wasserstoff als Brennstoff kontinuierlich zugeführt und reagiert mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff zu Wasser. Dabei entstehen Wärme und elektrische Energie. Mit der elektrischen Energie wird der Motor angetrieben.

Vorteile und Nachteile einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle:

Österreich will bis 2040 klimaneutral sein. Grüner Wasserstoff soll vor allem in der Industrie, bei speziellen Transportlösungen und als Energiespeicher zum Einsatz kommen. Mit einer emissionsfreien Produktion von grünem Wasserstoff könnten laut Berechnungen des Umweltbundesamtes in Österreich bis zum Jahr 2030 rund 1 Million Tonnen CO2 pro 1 Gigawatt (GW) installierter Elektrolysekapazität eingespart werden, wie es in der "Wasserstoffstrategie für Österreich" (2022) des Umweltministeriums heißt.

Der Fokus für die zukünftige Verwendung von Wasserstoff liegt dabei besonders darauf, dort fossile Energieträger zu ersetzen, wo das andere saubere Energien nicht leisten können. Dem Bericht zur "Wasserstoffstrategie für Österreich" zufolge soll klimaneutraler Wasserstoff in Zukunft vorrangig in der Industrie zur Prozessdekarbonisierung (chemische Industrie und Stahlindustrie) sowie in speziellen Mobilitätsanwendungen (zum Beispiel im Fernverkehr-LKW & Reisebusse oder im Flug- und Schiffsverkehr) zum Einsatz kommen. Dazu sollen die nötigen Produktionsmechanismen und Infrastrukturen ausgebaut werden. Um die Kosten bei der Herstellung von grünem Wasserstoff zu senken, sieht es das Umweltministerium als unerlässlich an, den Ausbau von erneuerbaren Energien voranzutreiben. Beispielsweise soll die Gasinfrastruktur schrittweise in eine Wasserstoffinfrastruktur umgestaltet werden.

Ähnliche Strategien und Vorhaben in puncto Wasserstoff sind in naher Zukunft auch in Österreichs Nachbarland Deutschland geplant. Auch hier wird grüner Wasserstoff als wichtige Ergänzung angesehen, um die europäischen Klimaziele zu erreichen.

Geht es also nach den offiziellen Plänen von Regierenden und Verantwortlichen spielt Wasserstoff als Energieträger - in seiner klimaneutralen Variante - durchaus in Zukunft eine wichtige Rolle.

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