Wasserstoff als Energie der Zukunft: Vorteile und Grenzen einer grünen Herausforderung

In der Natur versorgt es die Sterne mit Energie, auf der Erde gilt es als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft. Wasserstoff wird heute als strategischer Verbündeter für die Dekarbonisierung angesehen – im Einklang mit den Zielen des Green Deal und dem Ziel von Net Zero bis 2050. Es handelt sich um ein farb- und geruchloses Gas, das auf der Erde in großen Mengen vorhanden ist und saubere Energie speichern und transportieren kann.

Wir sprechen von Wasserstoff, einem farb- und geruchlosen Gas, das zu den leichtesten Elementen gehört und einen Großteil der Materie ausmacht.

Wir haben hierüber schon oft in Battery Weekly gesprochen, der wöchentlichen LIVE-Kolumne von Flash Battery , in der jeden Montagabend um 18.00 Uhr drei Experten aus der Branche die neuesten Nachrichten über Batterien, Elektrifizierung und Energie mitteilen und näher erklären: Marco Righi, der CEO und CTO von Flash Battery, Alan Pastorelli und der Präsident von ev Now!, Daniele Invernizzi.

Erfahren Sie mehr über die Rolle von Wasserstoff als Energieträger, einer Schlüsselressource zur Bewältigung der Klimakrise. In diesem Artikel analysieren wir die Vorteile, die infrastrukturellen Herausforderungen und die Chancen, die mit der Verbreitung von Power-to-X-Technologien verbunden sind.

Wasserstoff ist eines der einfachsten und am häufigsten auf unserem Planeten und im gesamten Sonnensystem vorkommenden Elemente. Er bestreitet fast 90 % der sichtbaren Masse unseres Universums, und zwar hauptsächlich im gasförmigen Zustand.

Die Eigenschaft, die ihn als einen alternativen, sauberen Brennstoff qualifiziert, ist sie Tatsache, dass er bei der Verbrennung eine Verbindung mit Sauerstoff eingeht und so als Verbrennungsprodukt ausschließlich Wasserdampf erzeugt. Es handelt sich um den einzigen Brennstoff, der, wenn er in Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen eingesetzt wird, keine luftverschmutzenden bzw. umweltschädlichen Emissionen produziert, sondern lediglich Wasser. Und das ist der große Unterschied des Wasserstoffs im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen, die, da sie aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen, bei ihrer Verwendung zusammen mit Sauerstoff Kohlendioxid und andere Gase freisetzen, die sowohl für die menschliche Gesundheit als auch die Umwelt schädlich sind.

Auf unserer Erde ist dieses Element in der Natur jedoch nur selten allein, d. h. in seinem freien und molekularen Zustand (H₂) zu finden, da es praktisch ausschließlich in Verbindung mit anderen chemischen Elementen vorkommt, z. B. im Wasser (H₂0) oder in den Kohlenwasserstoffen, die aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen (z. B. Methan CH₄). Zudem sind Vorkommen von reinem Wasserstoff auf der Erdoberfläche nur sehr schwer zu finden, da das Gas extrem reaktiv ist, wen es in Kontakt mit der Luft kommt.

Um Wasserstoff zu gewinnen, muss er zunächst von den Elementen getrennt werden, an die er gebunden ist, was einen Energieeinsatz für den Trennungsprozess erfordert. Da Wasserstoff in der Natur nicht frei verfügbar ist, gilt er nicht als primäre Energiequelle, sondern als Energieträger (Energy Carrier), der Energie speichern und bei Bedarf wieder freisetzen kann.

Obwohl Wasserstoff zum Zeitpunkt seiner Verwendung eine saubere Energie darstellt, erfolgt seine Produktion nicht mit einer Nullbilanz für unseren Planeten. Wasserstoff kann auf verschiedene Weisen produziert werden, die jedoch nicht die gleichen Auswirkungen auf die Umwelt haben – einige verursachen mehr Emissionen, andere weniger.

Auch wenn es um ein farbloses Gas handelt, werden die verschiedenen Herstellungstechnologien durch einen Farbcode gekennzeichnet. Diese Konvention dient dazu, ihre Umweltauswirkungen und die jeweilige Carbon Intensity zu klassifizieren.

Derzeit wird Wasserstoff im Wesentlichen mit 4 Farben gekennzeichnet, die auf dem verwendeten Herstellungsverfahren beruhen:

Weißer Wasserstoff

Der sogenannte weiße Wasserstoff oder natürliche Wasserstoff kommt in Lagerstätten tief in der Erdkruste vor und wird auch als Geologic Hydrogen bezeichnet. Obwohl potenzielle Reserven existieren, reichen die wirtschaftlich erschließbaren Vorkommen nicht aus, um die globale Nachfrage zu decken. Zudem sind die Umweltauswirkungen nicht gleich null, da sie mit den oft invasiven und kostspieligen Fördermethoden (Drilling) verbunden sind.

Grauer Wasserstoff

Der „graue Wasserstoff“ wird mittels Dampfreformierung von Methan (SMR) oder anderen Kohlenwasserstoffen gewonnen. Bei diesem Verfahren reagieren Wasserdampf und Methan bei sehr hohen Temperaturen miteinander, wodurch dann Wasserstoff freigesetzt wird. Derzeit werden mit dieser Methode ca. 48 % des weltweit verwendeten Wasserstoffs produziert. Es handelt sich um eine chemische Reaktion, bei der Kohlendioxid (CO₂) als Abfallprodukt entsteht, und es werden mehr als 9 kg CO₂ pro kg produzierten Wasserstoffs freigesetzt.

Das Produktionsverfahren ist bei der Verwendung anderer fossiler Brennstoffe, wie Kohle zur Herstellung von „braunem Wasserstoff“, ähnlich. Es handelt sich dabei um ein bewährtes und weit verbreitetes Verfahren, das jedoch noch höhere CO₂-Emissionen verursacht: ca. 20 kg CO₂ pro kg produzierten Wasserstoffs.

Blauer Wasserstoff

Das Herstellungsverfahren für Blauen Wasserstoff (Blue Hydrogen) basiert auf dem von Grey Hydrogen, weist jedoch einen entscheidenden Unterschied auf. Ein erheblicher Teil des dabei entstehenden CO₂ wird durch CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) abgeschieden und dauerhaft im Untergrund gespeichert, sodass es nicht in die Atmosphäre gelangt.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff (Green Hydrogen) gilt als die nachhaltigste Form der Wasserstoffproduktion. Er wird durch Elektrolyse gewonnen, ein Verfahren, bei dem Wasser (H₂O) mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Herzstück dieses Prozesses ist der Elektrolyseur (Electrolyzer Technology). Wird er ausschließlich mit erneuerbaren Energiequellen betrieben, ermöglicht er eine vollständig emissionsfreie Wasserstoffproduktion.

Grüner Wasserstoff wird heute als eine konkrete Möglichkeit zur Dekarbonisierung betrachtet. Zudem wurde er von der EU insbesondere aufgrund seines hohen Potenzials und der geringeren Umweltauswirkungen bei seiner Verbrennung, als Schlüsselelement zur Reduktion der CO2-Emissionen, die im Europäischen Green Deal bis 2050 vorgesehen sind, festgelegt. In diesem Zusammenhang hat die UE, die sich sehr ausgiebig mit den Weg zur Klimaneutralität befasst (2022 hat sie den Batteriesektor bereits sorgfältig reguliert), eine ad-hoc-Strategie zur Förderung des Einsatzes von grünem Wasserstoff in allen Mitgliedstaaten vorgestellt, die das Ziel hat, die Produktion von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Ressourcen beschleunigen.

Nach dem jüngsten Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) werden heute in der Europäischen Union jährlich rund 75 Millionen Tonnen Wasserstoff verbraucht, was 2 % des gesamten Energiemixes entspricht. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass 95 % dieses Wasserstoffs unter Verwendung von fossilen Brennstoffen produziert wird.

Die Förderung des ausschließlichen Einsatzes von Grünem Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, könnte einen bedeutenden Beitrag zur Reduzierung der Emissionen leisten und den Weg zur Klimaneutralität bis 2050 positiv beeinflussen, insbesondere in Hard-to-Abate-Sektoren.

…es müssen jedoch noch viele Hürden überwunden werden: die Nachteile des grünen Wasserstoffs

Wasserstoff ist ein hochreaktives und leicht entzündliches Gas, das sind Eigenschaften, die besondere Aufmerksamkeit sowie spezielle Produktions-, Lager- und Transportvorschriften erforderlich machen.

Gegenwärtig stellt das Fehlen einer flächendeckenden Verteilinfrastruktur ein wesentliches Hindernis für die großflächige Verbreitung dieser Technologie dar. In einer Übergangsphase kann dieses Problem durch die Nutzung bestehender Verbindungen und den bevorzugten Einsatz von Wasserstoff in der Nähe der Produktionsstandorte teilweise überwunden werden. Langfristig wird jedoch zur Deckung der Marktnachfrage der Aufbau eines dedizierten und grenzüberschreitenden Transportnetzes unverzichtbar sein, wie es in der Vision des European Hydrogen Backbone vorgesehen ist.

Nicht zu vernachlässigen ist auch der Preisfaktor: Um Wasserstoff nutzen zu können, sind komplexe und kostenintensive Systeme erforderlich. Die Anlagen zur Produktion von Grünem Wasserstoff sind im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen wirtschaftlich noch nicht wettbewerbsfähig und erfordern hohe CAPEX-Investitionen, was die Einführung einer nachhaltigeren Produktion erschwert.

Was die technischen Aspekte betrifft, liegt die größte Herausforderung des Wasserstoffs derzeit in seiner geringen Effizienz. Dieses Defizit wird besonders durch die sogenannte Round-Trip Efficiency verdeutlicht, die zeigt, dass entlang der gesamten Energiekette erhebliche Verluste auftreten – von der Produktion über die Speicherung und den Transport bis hin zur finalen Rückumwandlung in nutzbare Energie.

Wenn wir uns eine Linie vorstellen, die sich aus den Parameter Umweltauswirkungen und Energieeffizienz ergibt, so finden wir am einen Ende fossile Brennstoffe (mehr Auswirkungen, geringere Effizienz) und am anderen Ende Elektrizität, die aus erneuerbaren Energiequellen stammt und direkt genutzt oder in Batterien/Akkus gespeichert wird (weniger Auswirkungen, höhere Effizienz). Der Wasserstoff befindet sich in der Mitte dieser Linie und stellt einen Kompromiss zwischen weniger Auswirkungen auf die Umwelt und geringerer Effizienz dar. Grüner Wasserstoff, der aus nachhaltigen Energiequellen gewonnen wird, nähert sich auf der Linie aufgrund seiner geringen Umweltauswirkungen der Elektrizität am stärksten an.

Grafische Darstellung der Effizienz und der Auswirkungen der verschiedenen Energiequellen

Der geringe Wirkungsgrad von Wasserstoff als Energieträger stellt eine zentrale Herausforderung für den Mobilitätssektor dar und beeinflusst maßgeblich seine großflächige Einführung. Betrachtet man die Well-to-Wheel-Effizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette, so ist die Gesamtenergieeffizienz von Wasserstofflösungen deutlich geringer als die etablierter Alternativen wie batterieelektrischer Fahrzeuge (BEV).

Bei batteriebetriebenen Fahrzeugen wird der aus der Batterie stammende Strom direkt genutzt. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger hingegen wird dieser nicht direkt genutzt, da er erst in Strom umgewandelt werden muss, um den Motor anzutreiben.

Diese Technologie, bei der gasförmiger Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie für den Antrieb eines Elektromotors genutzt wird, basiert auf Fuel Cells und kommt in FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) zum Einsatz. In diesem Verfahren wird die Energie zweimal umgewandelt: zunächst zur Herstellung von Wasserstoff und anschließend erneut zur Erzeugung von Strom. Bei jedem dieser Schritte treten Effizienzverluste auf – während der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse, bei der Speicherung und dem Transport sowie schließlich bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs.

Ein mit Wasserstoff betriebenes Auto erreicht im Mittel einen Wirkungsgrad von nur 25 % bis 35 %. Bei einem rein batteriebetriebenen Fahrzeug sind die Verhältnisse dagegen genau umgekehrt: Nur ein Bruchteil der Energie geht während des Transports verloren, bevor sie gespeichert wird, was zu einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 90 % führt.

Obwohl die Umweltvorteile in etwa die gleichen sind, ist die Verwendung von grünem Wasserstoff für Leichtkraftfahrzeuge derzeit weniger vorteilhaft als die Verwendung von elektrischem Strom. Aufgrund der Verfügbarkeit eines flächendeckenden Netzes von Ladestationen und der niedrigeren Kosten für das Tanken ist das Aufladen von Elektrofahrzeugen günstiger als das Tanken von Wasserstoff. Das Elektroauto kann zudem die bereits etablierte Transport- und Versorgungsinfrastruktur nutzen, die für Wasserstoff noch umgesetzt werden müsste.

Eine weitere Schwierigkeit stellt die Kritikalität beim Transport von Wasserstoff zu den Tankstellen für die Fahrzeuge dar. Aufgrund seiner geringen Energiedichte ist es ein schwer zu handhabendes Gas, das bei hohem Druck (350 bis 700 bar) verdichtet werden muss, um in ausreichender Menge zum Tanken eines Autos gelagert werden zu können.

Hydrogen and electric drive [1]

Wasserstoff könnte eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung von Hard-to-Abate-Sektoren spielen, beispielsweise in der Schifffahrt, der Luftfahrt oder beim Transport schwerer Güter über lange Distanzen. Für diese Anwendungen ist die Elektrifizierung durch Batterien derzeit nur schwer realisierbar, da sie Batteriesysteme mit erheblichen Abmessungen und hohem Gewicht erfordern würde, was die Nutzlast deutlich reduzieren würde.

Wasserstoff stellt eine konkrete Option für saubere Energie dar und gilt als vielversprechender Energieträger für nachhaltige Mobilität, der die Möglichkeit emissionsneutraler Fahrzeuge und eine Lösung zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen eröffnet. Trotz seines Potenzials sind jedoch noch viele Herausforderungen zu bewältigen, darunter die Senkung der Produktionskosten, die Entwicklung einer geeigneten Infrastruktur und die Lösung der Probleme im Zusammenhang mit der Versorgung und Lagerung des Wasserstoffs.

Dabei ist zu beachten, dass nur Grüner Wasserstoff, der mithilfe sauberer Energie aus erneuerbaren Energiequellen (RES – Renewable Energy Sources) erzeugt wird, eine tatsächliche Dekarbonisierung ermöglicht. Die aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Wasserstoffvarianten weisen zwar niedrigere Produktionskosten auf, verursachen jedoch weiterhin einen hohen Carbon Footprint und schmälern damit einen Großteil der potenziellen Umweltvorteile.

Aus technologischer Sicht ist die geringe Energieeffizienz im Vergleich zu Batterien für einige Bereiche ein Nachteil, so dass es von entscheidender Bedeutung ist, die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Wirkungsgrad von Wasserstoff anzugehen, damit diese Technologie in der Zukunft Effektivität und Nachhaltigkeit gewährleisten kann.

Darüber hinaus muss unbedingt eingesehen werden, dass die Technologie der Brennstoffzellen verbessert werden muss, wenn Wasserstoff beim Übergang zu einer nachhaltigeren Energieversorgung eine entscheidendere Rolle spielen soll. Derzeit sind Brennstoffzellen noch mit erheblichen Hindernissen verbunden, wie hohe Kosten, geringer Wirkungsgrad und die begrenzte Haltbarkeit: alle diese Faktoren wirken sich negativ auf die generelle Anwendbarkeit des Wasserstoffsystems aus.

IEA Net Zero Scenario 2050 [2]

Grüner Wasserstoff erweist sich somit als ein zentraler Energieträger für den Übergang zu mehr Nachhaltigkeit. Seine Verbreitung spielt eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung von Hard-to-Abate-Sektoren, also jener energieintensiven Industriebereiche, die sich nur schwer elektrifizieren lassen.

Er wird jedoch nur einen kleinen Teil des Energiemixes ausmachen, den wir im Jahr 2050 nutzen können werden. Dies geht auch aus dem Bericht der Europäischen Weltraumorganisation ESA hervor, der auf der Grundlage von Daten der Internationalen Energieagentur zeigt, dass Wasserstoff nur einen sehr geringen Prozentsatz der anderen Energiequellen ausmacht, die im Hinblick auf die Erreichung des Ziels Klimaneutralität bis 2050 eingesetzt werden sollen.

Bibliografie

^{[1] Hydrogen and electric drive. Das Bild stammt von der Website des Volskwagen vom 03/12/20. 
[2] IEA Net Zero Scenario 2050. Das Bild stammt von der Website des European Space Agency vom 20/12/23.}