Herstellung Wasserstoff
Bei Wasserstoff handelt es sich um ein natürlich vorkommendes chemisches Element, das sich als Energieträger und -umwandler nutzen lässt. Da Wasserstoff auf der Erde aber stets nur in gebundener Form vorkommt, muss man ihn unter Einsatz von Energie aus seinen verschiedenen Ausgangsstoffen abspalten. Wie die Herstellung von Wasserstoff funktioniert und für welche Zwecke Wasserstoff genutzt werden kann, erklärt der folgende Artikel.
Wie funktioniert die Herstellung von Wasserstoff?
Als Ausgangsstoffe, die reich an Wasserstoffverbindungen sind, kommen unter anderem Kohlenwasserstoffe wie Erdöl und Erdgas, Biomasse und Wasser in Frage. Um reinen, ungebundenen Wasserstoff zu gewinnen, werden diese Stoffe durch die Verwendung chemischer, thermischer, elektrischer oder solare Energie aufgetrennt.
Aktuell werden vermehrt auch "grüne" Konzepte für die Herstellung von Wasserstoff erprobt und bereits angewandt (siehe unten). Durch den Einsatz ausschließlich erneuerbarer Energien ist also auch eine klimaneutrale Herstellung von Wasserstoff möglich.
In industriellen Kontexten kommt für die Herstellung von Wasserstoff aber hauptsächlich noch das sogenannte Reformierungsverfahren – also die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas – zur Anwendung.
Die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas ist mit Hilfe verschiedener Verfahren möglich. Je nach Methode spricht man bei dem Endprodukt häufig von "grauem" oder "blauem Wasserstoff". Grauer Wasserstoff entsteht durch die Dampfreformierung, also die Zugabe von Wasserdampf. Durch die daraufhin stattfindende chemische Reaktion werden Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) erzeugt.
Von blauem Wasserstoff ist dann die Rede, wenn das entstandene Kohlenstoffdioxid nach der Herstellung von Wasserstoff aufgefangen und in geologischen Lagerstätten gespeichert oder weiterverwendet wird. Gelangt das Abfallprodukt CO2 dabei nicht in die Atmosphäre, ist blauer Wasserstoff ebenfalls klimaneutral.[1]
Darüber hinaus existiert ein Verfahren, durch das "türkiser Wasserstoff" entsteht.
Bei der sogenannten Methanpyrolyse wird Erdgas – dessen Hauptbestandteil Methan (CH4) ist – unter Zugabe von Hitze aufgetrennt. Die entstehenden Produkte sind reiner Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Um die Herstellung von Wasserstoff klimaneutral zu gestalten, muss die dem Hochtemperaturreaktor zugeführte Energie aus erneuerbaren Quellen stammen.[1]
Was sind die Herausforderungen bei der Herstellung von Wasserstoff und wie hoch ist der Wirkungsgrad bei der Wasserstoff-Herstellung?
Ein großes Problem der derzeitigen Herstellung von Wasserstoff ist, dass die vorhandenen Elektrolyseure einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad erreichen. In der Folge ist grüner Wasserstoff noch zu teuer, um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Es gibt aber bereits funktionierende hocheffiziente Elektrolyseure, die grünen Wasserstoff früher als allgemein angenommen wettbewerbsfähig machen könnten und damit die globale Dekarbonisierung beschleunigen würden.[2]
Trotzdem wird es noch viel Zeit brauchen, um in der Herstellung von Wasserstoff die weltweit benötigten Mengen zu erreichen. Der nächste Schritt wäre demnach die Ökologisierung einer Industrie, die eine ausreichende Anzahl effizienter Elektrolyseure für die Herstellung von Wasserstoff herstellen kann.
Außerdem steckt die Zertifizierung von Wasserstoff noch in den Kinderschuhen, wird in Zukunft aber eine wichtige Rolle spielen. Da grüner und blauer Wasserstoff teurer sein werden als grauer (aus Erdgas erzeugter) Wasserstoff, braucht es ein entsprechendes Zertifizierungssystem. Die Schaffung und Umsetzung eines international anerkannten Systems stellt eine echte – vor allem zeitintensive – Herausforderung dar.[3]
Warum sollte weiterhin in der Herstellung von Wasserstoff geforscht werden?
Immer mehr Fachleute sind der Meinung, dass die Zukunft der Elektromobilität in der Wasserstoff-Brennstoffzelle statt in Elektro-Akkus liegt. Schließlich sorgen die Batterien von Elektroautos mit ihrem hohen Gewicht, geringer Reichweite und ihrer je nach Strom-Mischung fragwürdigen Klimabilanz zunehmend für Kontroversen.
Angesichts der Notwendigkeit der Wende weg vom Verbrennungsmotor, stellt also allein die Herstellung von Wasserstoff für Autos ein entscheidendes Argument dar, weiter in die Herstellung von Wasserstoff zu investieren und entsprechende Forschung zu betreiben.
Größter Nachteil der Brennstoffzellentechnologie sind die zurzeit noch hohen Kosten in der Produktion. Grund sind die technisch relativ hohen Anforderungen. Ein weiterer aktuell noch bestehender Nachteil ist die schlechte Versorgung und Infrastruktur mit Wasserstofftankstellen.[4]
Darüber hinaus spielt die Brennstoffzelle eine immer größere Rolle in den Bereichen Elektrizität und Wärme. Auch bei der Energiespeicherung bietet Wasserstoff Vorteile. So lässt sich Strom aus erneuerbaren Energien mittels Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln und langfristig speichern.
Das Potenzial der Herstellung von Wasserstoff hinsichtlich der Dekarbonisierung der Industrie, des Verkehrs und der Stromerzeugung ist riesig. Experten gehen davon aus, dass die klimaneutrale Herstellung von Wasserstoff bis zum Jahr 2050 etwa ein Viertel des Energiebedarfs weltweit abdecken könnte. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert aber noch viele Bemühungen in allen Bereichen – und beispielsweise im Automobilbereich auch Investitionen in die Erforschung von Brennstoffzellen – und Energielösungen.[5]
Kann man Wasserstoff selbst herstellen?
Wasserstoff herstellen zu Hause – geht das? Tatsächlich ist die Herstellung von Wasserstoff und seine Speicherung inzwischen auch für Laien möglich. Eine Alternative zu Lithium-Akkus bieten Wasserstoff-Systeme, die ganz einfach an der Fassade angebracht und in ein bestehendes Solarstrom-System integriert werden können. So wird überschüssige Solarenergie als Wasserstoff gespeichert und später von einer Brennstoffzelle in Strom umgesetzt.
Vorteile der noch jungen Methode zur Herstellung von Wasserstoff ist die lange Lebensdauer der Wasserstoff-Energiespeicher und der Verzicht auf giftige Chemikalien und das Element Lithium. Kritik erfährt die erste Generation der Wasserstoffanlagen für den Heimbetrieb aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Stromausbeute.[6]
Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?
Die Herstellung von grünem Wasserstoff geschieht emissionsfrei durch das Elektrolyseverfahren. Dabei wird Wasser mit Hilfe von (aus erneuerbaren Energien stammendem) Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt. Bei dieser Reaktion wandert der Sauerstoff zum positiv geladenen, der Wasserstoff zum negativ geladenen Pol. Die elektrische Energie wandelt sich in chemische Energie um und wird im Wasserstoff gespeichert.
In Deutschland produzieren bereits über 30 Elektrolyseure grünen Wasserstoff. Dabei handelt es sich aber vor allem um Demonstrations- und Forschungsprojekte. Daneben bieten die Reformierung von Biogas sowie die Vergasung und Vergärung von Biomasse weitere Möglichkeiten, grünen und damit CO2-neutralen Wasserstoff herzustellen.[1]
Fazit und Ausblick
Die Herstellung von Wasserstoff birgt zahlreiche Chancen auf dem Weg zu einer dekarbonisierten Industrie und Gesellschaft. Das Wasserstoff-Ökosystem hat jedoch noch einige Herausforderungen zu meistern. Staatliche Institutionen, aber auch Teile der Industrie sind daher aufgefordert, ihre Kräfte zu bündeln und in die Herstellung von Wasserstoff, seine Speicherung und Verteilung sowie in die effiziente Nutzung zu investieren. Langfristiges Ziel ist eine CO2-neutrale, kostengünstige Herstellung von Wasserstoff und eine Infrastruktur, mit der sich grüner Wasserstoff effizient transportieren lässt. Außerdem ist zum Zweck einer weitverbreiteten Nutzung von Wasserstoff auch die Weiterentwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie notwendig.
