Wasserstoff

In Deutschland werden derzeit rund 20 Mrd. m³ Wasserstoff gewonnen, weltweit sind es ca. 500 Mrd. m³. Das entspricht etwa 2% des Weltprimärenergiebedarfs.
Die konventionelle Herstellung erfolgt seit vielen Jahren mit rund 48% überwiegend aus der Reformierung von Erdgas, da sie mit Herstellungskosten von einem Euro je Kilogramm konkurrenzlos günstig ist. Diese großtechnische Wasserstofferzeugung wird in Dampfreformierungsanlagen mit üblichen Kapazitäten von bis zu 100.000 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde durchgeführt.
Darüber hinaus wird Wasserstoff auch durch partielle Oxidation von Erdgas, flüssigen Kohlenwasserstoffen – oder in kohlereichen Ländern – auch aus Kohle hergestellt. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei thermisch mit Sauerstoff zu Synthesegas, einem Gemisch aus H₂ und CO, umgesetzt.

Wasserstoff als Beitrag zur Energiewende

Zu Neige gehende Ressourcen an fossilen Brennstoffen und die Bekämpfung des Klimawandels haben dazu geführt, dass Politik und Wissenschaft in der Energiewirtschaft seit längerem auch nach neuen Wegen für die Erzeugung von Wasserstoff suchen.
Immer mehr in den Fokus kommen daher Verfahren zur Gewinnung von grünem Wasserstoff, der ausschließlich durch regenerative Energieträger erzeugt wird.

Ein wesentliches Verfahren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff ist die Wasserelektrolyse. Dieses als Power-to-Gas bezeichnete elektrochemische Verfahren nutzt Wind- und Sonnenenergie, um Wasserstoff aus Strom und Wasser herzustellen.
Es gibt heute im Wesentlichen drei Elektrolyse-Verfahren, die je nach Anwendung zum Einsatz kommen:
Alkalische Elektrolyse (AEC): Sie arbeitet mit Kalilauge als Elektrolyt bei Drücken von bis zu 60 bar bei einer moderaten Temperatur von 90°C. Der Anoden- und Kathodenraum sind durch ein mikroporöses Diaphragma getrennt, um die Vermischung der Produktgase zu verhindern. Diese Technologie ist bereits etabliert und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus. Mit Kapazitäten von 0,25 Nm³/h bis 1400 Nm³/h bietet sie ein vielseitiges Anlagen- und Einsatzspektrum, ist jedoch träge im Betriebsverhalten.
Polymerelektrolyt-Membran Elektrolyse (PEMEC): Sie arbeitet mit einer Ionenaustauschmembran auf Basis von Copolymeren bei Drücken von bis zu 350 bar bei einer ebenfalls moderaten Temperatur von 90°C. Es sind bereits mittelgroße Anlagen mit Kapazitäten von 500 Nm³/h vorhanden. Im Gegensatz zur AEC zeichnet sich PEMEC durch ein dynamisches Ansprechverhalten bei kompaktem Aufbau aus, ist jedoch bei den Systemkomponenten noch sehr kostenintensiv.
Festoxid Elektrolyse (SOEC): Sie arbeitet mit Festoxiden wie ZrO2 als Elektrolyt bei Temperaturen von 700°C bis 1000°C. Die Anlagen zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, wenn der als Edukt benötigte Dampf zur Verfügung steht. Entsprechende Anlagen wurden bislang nur bis 40 Nm³/h realisiert, aufgrund der hohen Temperatur ist ihre Lebensdauer noch stark begrenzt. Die Überlegungen zielen dahin, die in einem Solarkonzentrator produzierte Wärme zu nutzen. Denkbar wären etwa solarthermische Kraftwerke zur Stromerzeugung (Parabolrinnenkraftwerk) in Kombination mit einem solaren Turmkraftwerk, in welchem Temperaturen von über 1000°C erzeugt werden können. Der elektrische Wirkungsgrad der Elektrolyse ließe sich so auf bis zu 90% steigern. Dies ist jedoch nur möglich in Ländern mit viel direkter Sonnenstrahlung.

Neben der Elektrolyse von Wasser kann auch durch Pyrolyse und Vergasung von Biomasse Wasserstoff erzeugt werden. Dabei fallen im ersten Schritt, der Pyrolyse, Koks und Methanol an. Durch anschließende Reaktionen mit Wasserdampf und Sauerstoff entsteht ein Gasgemisch aus Wasserstoff, CO, CO₂ und Methan.
Da das entstehende CO₂ durch die Biomasse aus der Luft vorher gebunden wurde, wird diese Erzeugungsart ebenfalls als CO₂ neutral betrachtet.

Einen weiteren Ansatz zur CO₂ freien Erzeugung von Wasserstoff bildet das Kvaerner Verfahren. Hier werden Kohlenwasserstoffe wie Erdgas oder Erdöl mittels Plasmabrenner bei ca. 1600°C in Aktivkohle und Wasserstoff gespalten. Das Verfahren wurde bislang im Pilotmaßstab getestet, geplant ist jetzt eine Anlage im industriellen Maßstab, die 100.000 Nm³ Wasserstoff pro Stunde produzieren soll.

Der erneuerbar produzierte Wasserstoff bietet erhebliches Potenzial für den Klimaschutz in einem zunehmend auf Erneuerbaren Energien beruhenden Energiesystem. Bislang entfallen nur rund 4 % der Wasserstofferzeugung auf diese Verfahren, was sich bislang durch die noch höheren Herstellkosten von ca. 6- 10 EUR je Kilogramm erklärt. Im Zuge der Energiewende gibt es jedoch bereits eine Vielzahl von Power-to-Gas- (bzw. Power-to-X-) Projekten und es sieht so aus, dass auf Basis dieser Erzeugungsart Wasserstoff einen stark erhöhten Anteil am zukünftigen Energiemix in Deutschland, aber auch weltweit, einnehmen wird.

Quellen: Sterner /Stadler Hrsg. : Energiespeicher, Bedarf, Technologien, Integration (2. Auflage 2017) DBI 2019, TÜV SÜD 2020