Grauer Wasserstoff
Bei Wasserstoff handelt es sich um ein natürlich vorkommendes chemisches Element, das als Energieträger dient oder zur Energieumwandlung genutzt werden kann. Gerade grauer Wasserstoff spielt deshalb eine zunehmend bedeutende Rolle in den Bereichen Industrie und Mobilität, beispielsweise in der Brennstoffzelle, genauer gesagt in Form der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Doch was ist grauer Wasserstoff überhaupt?
Grauer Wasserstoff – Eine einfache Definition
Grauer, blauer, grüner Wasserstoff – Wasserstoff wird auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt. Er ist ein an sich farbloses Gas, doch man teilt ihn in verschiedene Farben ein, um zwischen den verschiedenen Herstellungsarten unterscheiden zu können. Auf diese Weise kann man zudem zwischen den Graden an Klimaneutralität des erzeugten Wasserstoffs differenzieren.
Als grauer Wasserstoff wird also ein Gas bezeichnet, das durch eine spezielle Herstellungsmethode gewonnen wird. Grauer Wasserstoff entsteht durch die sogenannte Dampfreformierung. Dafür nutzt man fossile Brennstoffe wie Erdgas, Kohle oder Öl. Als Abfallprodukt entweicht CO₂ in die Atmosphäre, weshalb grauer Wasserstoff nicht klimaneutral ist.[1]
Wie wird grauer Wasserstoff gewonnen?
Wasserstoff kommt auf der Erde ausschließlich in Form von Verbindungen vor und muss deshalb mithilfe von Energie abgespalten werden. Wasserstoffreiche Ausgangsstoffe sind unter anderem Erdgas (mit Hauptbestandteil Methan), Erdöl, Biomasse und Wasser.
So funktioniert die Herstellung von grauem Wasserstoff: Durch den Einsatz von elektrischer, chemischer, thermischer oder solarer Energie trennt man den Wasserstoff von seinem Ausgangsstoff und erhält reinen, ungebundenen Wasserstoff. Zurzeit wird vor allem die klimaneutrale Wasserstoffgewinnung mithilfe erneuerbarer Energien ("Grüner Wasserstoff") vorangetrieben.
Grauer Wasserstoff dagegen wird vor allem aus Erdgas erzeugt. Dabei macht man sich die sogenannte Dampfreformierung (Zugabe von Wasserdampf) zunutze. Durch diese chemische Reaktion entsteht neben Wasserstoff Kohlenstoffdioxid.
Übrigens: Von blauem, klimaneutralem Wasserstoff spricht man dann, wenn das bei der Wasserstoffherstellung entstandene CO2 nicht in die Atmosphäre gelangt, sondern aufgefangen und in geologischen Lagerstätten (Carbon Capture and Storage) gespeichert oder weiterverarbeitet wird (Carbon Capture and Utilization).[2]
Grauer Wasserstoff – Nutzen und Funktion?
Wasserstoff wirtschaftlich zu nutzen, ist keine neue Erfindung. Gerade grauer Wasserstoff wird vor allem industriell genutzt.[3] Als Sekundärenergieträger spielt grauer Wasserstoff unter anderem eine wichtige Rolle im fossilen Energiesystem, beispielsweise für Raffinerieprozesse und die chemische Industrie. Grundsätzlich kann grauer Wasserstoff als Energieträger in zahlreichen Anwendungsbereichen - zum Beispiel Verkehr/Mobilität, Industrie, Gebäude – Anwendung finden.[4]
Grauer Wasserstoff Anwendung: Wie wird grauer Wasserstoff gespeichert und gelagert?
Die Speicherung des grauen Wasserstoffs ist gasförmig oder flüssig möglich, grauer Wasserstoff kann aber auch in chemisch gebundenem Zustand gespeichert werden. Welche Speichertechnologie am sinnvollsten ist, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab. So spielen beispielsweise die Fragen eine Rolle, ob die Lagerung mobil oder stationär erfolgt und wie viel grauer Wasserstoff gespeichert werden soll.
Grauer Wasserstoff kann mittels
folgender Technologien gespeichert werden:
- gasförmige Wasserstoffspeicherung: Nach dem Verdichten kann grauer Wasserstoff in gasförmigem Zustand unter hohem Druck in Tanks gespeichert werden. Gerade für kleine Mengen grauen Wasserstoffs ist der Hochdruckspeicher - etwa in mobilen Anwendungen, zum Beispiel im PKW – eine gute Lösung.
- flüssige Wasserstoffspeicherung: Alternativ kann grauer Wasserstoff auch verflüssigt und dann gespeichert werden. Da die Temperatur im Tank dafür bei -253 Grad Celsius liegen muss, eignet sich diese Speichermethode vor allem, wenn viel grauer Wasserstoff gespeichert werden soll. Als Nachteil hat sich erwiesen, dass ein Teil des Wasserstoffs beim Erwärmen abdampft.
- Wasserstoffspeicherung mit Metallhydrid: Kommt grauer Wasserstoff (gasförmig) mit der Oberfläche von Metallhydriden in Kontakt, zerfallen die einzelnen Moleküle in atomaren Wasserstoff und werden vom Material absorbiert. Der Nachteil dieses Speichersystems ist, dass sie im Verhältnis zur aufgenommenen Wasserstoffmenge relativ schwer sind. Sie eignen sich daher eher für Spezialanwendungen und sehr kleine Speicher.
- Wasserstoffspeicherung mit Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC): LOHC speichern Wasserstoff chemisch in einem flüssigen Trägermedium. Dieses lässt sich ähnlich wie Dieseltreibstoff verwenden, weshalb sich die Technologie gut für die Speicherung größerer Wasserstoffmengen eignet.[5]
Was kostet
Wasserstoff in der Herstellung?
Die Kosten hängen also entscheidend von der Herkunft des Stroms ab. Während mit Solarstrom hergestellter grüner Wasserstoff rund sechs Euro pro Kilo kostet, reduzieren sich die Herstellungskosten bei der Nutzung von Windenergie auf durchschnittlich vier Euro.
Auf herkömmliche Art hergestellter Wasserstoff ist weitaus günstiger. So kostet blauer Wasserstoff, der mit Erdgas hergestellt wird, rund 2,20 Euro pro Kilo. Verwendet man Kohle, sinkt der Preis auf etwa 1,62 Euro. Noch günstiger lässt sich grauer Wasserstoff herstellen, da man durch die CO2-Abscheidung Geld einspart.[6]
Ist grauer Wasserstoff
umweltfreundlich oder nicht umweltfreundlich?
Grauer Wasserstoff ist nicht klimaneutral. Bei seiner Herstellung werden fossile Brennstoffe verbraucht, außerdem entsteht CO2, das direkt in die Atmosphäre abgegeben wird. Dass sich die Gewinnung von grauem Wasserstoff klar klimaschädlich auswirkt, zeigen diese Zahlen: Für eine Tonne gewonnenen Wasserstoffs entstehen zehn Tonnen Kohlenstoffdioxid.
Es gibt inzwischen zahlreiche Bemühungen, die Klimabilanz von grauem Wasserstoff zu verbessern. Indem man beispielsweise Biomasse statt fossiler Brennstoffe verwendet, wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie die Pflanzen davor aus der Atmosphäre aufgenommen haben.
Wie bereits erwähnt, lässt sich die Klimabilanz von grauem Wasserstoff auch durch das sogenannte CCS-Verfahren (Carbon Capture and Storage) verbessern. Das bei der Dampfreformierung freigesetzte CO2 wird eingefangen und unterirdisch gespeichert, damit es nicht in die Atmosphäre gelangt.
Schon heute nutzt man ehemalige Gas- und Erdöllagerstätten sowie bestimmte Gesteinsschichten für die CO2-Lagerung. Das Kohlendioxid wird in tiefe Erdschichten und poröses Speichergestein gepresst, wo es sich mit Sandstein vermischt und langfristig mineralisiert. Das darüber liegende, oftmals kilometerdicke Gestein ist undurchlässig, sodass das CO2 nicht entweichen kann.[3]
Fazit
Noch immer macht mittels Erdgases gewonnener grauer Wasserstoff den größten Teil der weltweiten Wasserstoffproduktion aus. Um grauen Wasserstoff zu gewinnen, spaltet man durch das Verfahren der Dampfreformierung den wasserstoffhaltigen Ausgangsstoff Erdgas in H2 und CO2 auf. Vergleicht man dies mit dem direkten Einsatz fossiler Brennstoffe, ergibt sich daraus ein Vorteil, was die Klimabilanz von grauem Wasserstoff betrifft. Mit grünem Wasserstoff, der mit erneuerbarem Strom gewonnen wird, sinken die CO2-Emissionen nahezu auf null, der Anteil dieser liegt aber noch bei weniger als einem Prozent. Grauer Wasserstoff ist also nach wie vor ein wichtiger Faktor für Industrie und Mobilität, allen voran im Bereich Brennstoffzellen- und Energielösungen.