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

Die Natur verfügt über ein sehr leichtes Element, das die Sterne leuchten lässt und dafür sorgt, dass die Sonne immer weiter scheint. Und genau dieses Element wird heute in der EU für die Erreichung der Ziele bzgl. der Klimaneutralität innerhalb des Jahres 2050 als einer der Hauptverbündeten zur Dekarbonisierung betrachtet.

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 den Energieträger Wasserstoff, auf den derzeit zur Bewältigung der Klimakrise gesetzt wird, und analysieren Sie gemeinsam mit uns die Vorteile und die wichtigsten kritischen Punkte im Zusammenhang mit seinem Einsatz.

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 produzieren, muss er folglich von den Elementen, an die er gebunden ist, getrennt werden, wofür Energie aufgewendet werden muss. Da dieses Element nicht allein in der Natur vorkommt und eine andere Art der Energie aufgewendet werden muss, um es herzustellen, wird es als Energieträger betrachtet, der Energie speichern und dann übertragen 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, wird die Art der Herstellung von Wasserstoff üblicherweise mit verschiedenen Farben assoziiert, die für den Grad der Umweltbelastung stehen.

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

Weißer Wasserstoff

Der „weiße Wasserstoff“ stammt aus natürlichen Vorkommen tief unter der Erdkruste. Die Mengen sind jedoch nicht ausreichend, um den weltweiten Bedarf an dieser Technologie zu decken. In diesem Fall werden die Umweltauswirkungen dieses Elements durch die  invasiven und kostspieligen Förderungsmethoden verursacht.

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 Verfahren zur Herstellung des „blauen Wasserstoffs“ ist das gleich wie auch für den grauen Wasserstoff, mit einem entscheidenden Unterschied: ein Teil der CO₂-Emissionen, die während des Prozesses entstehen, werden aufgefangen, gelagert und nicht direkt in die Atmosphäre geleitet.

Grüner Wasserstoff

„Grüner Wasserstoff“ wird mit der Methode hergestellt, die sich am wenigsten auf die Umwelt auswirkt. Mit diesem Produktionsverfahren wird der Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser ,Das Wasser (H₂O) wird mit Hilfe von elektrischem Strom in seine beiden Elemente gespalten: Wasserstoff und Sauerstoff. Dies geschieht mit Hilfe eines Elektrolyseurs, der, wenn er mit erneuerbaren Energiequellen betrieben wird, eine 100 % emissionsfreie Wasserstoffproduktion ermöglicht.

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 relevanten Beitrag zur Reduzierung der Emissionen leisten und den Weg zur Klimaneutralität bis 2050 positiv beeinflussen.

…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 verfügen wir über kein angemessenes Infrastrukturnetz, um einen sicheren Transport zu gewährleisten, was den großflächigen Einsatz dieser Technologie deutlich erschwert. In einem ersten Schritt könnte das Problem dadurch gelöst werden, dass die bereits bestehenden Verbindungen genutzt werden und der Wasserstoff direkt dort eingesetzt wird, wo er erzeugt wird. Auf lange Sicht müssen jedoch, um den Bedarf zufriedenstellend decken zu können, neue effiziente Transport- und Versorgungsnetze entwickelt werden.

Nicht zu vernachlässigen ist auch der Preisfaktor: um Wasserstoff nutzen zu können, sind in der Tat komplexe und kostenintensive Systeme erforderlich. Die Anlagen zur Produktion von grünem Wasserstoff sind aus wirtschaftlicher Sicht im Vergleich zu den herkömmlichen Anlagen noch nicht wettbewerbsfähig, was die Einführung einer grüneren Produktion behindert.

Was die technischen Aspekte betrifft, besteht das große Limit des Wasserstoffs derzeit noch in der geringen Effizienz. Ein Limit, dessen Ursache die Tatsache ist, dass die Energiegewinnung aus Wasserstoff mit einem großen Energieverlust verbunden ist, insbesondere bei der Herstellung, der Lagerung, dem Transport und der Umwandlung in Bewegungsenergie in Fahrzeugen.

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 ist im Mobilitätssektor von besonderer Bedeutung, da er sich direkt auf eine Einführung in großen Maßstab auswirkt. In der Praxis ist die Gesamtenergieeffizienz eines Wasserstoffsystems oft geringer als die etablierteren Alternativen, beispielsweise batteriebetriebener Elektrofahrzeuge.

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.

Die Technologie, mit der gasförmiger Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, mit der dann ein Elektromotor versorgt wird, wird als Brennstoffzelle bezeichnet. In diesem Verfahren wird die Energie zweimal umgewandelt: zuerst, um Wasserstoff zu produzieren, und dann, um Strom zu erzeugen. Bei jedem Schritt wird etwas von dem Wirkungsgrad verloren: bei der Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse und später bei der Lagerung und dem Transport. Schließlich wird auch bei der Umwandlung von Wasserstoff in Strom zum Antreiben des Motors noch ein Teil verloren.

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.

*[Abb.1]

Wasserstoff könnte eine Schlüsselrolle im Schwertransport spielen, beispielsweise in der Schifffahrt oder in der Luftfahrt, wo große Strecken zurückgelegt werden müssen. Für diese Art von Anwendung ist eine Elektrifizierung mittels Batterien derzeit undenkbar, da extrem große und schwere Pakete erforderlich wären, die eine Umsetzung verhindern.

Wasserstoff bietet die Vorteile eines kompakteren Systems sowie schnelles Tanken und eine entsprechende Reichweite für große Entfernungen. Dies liegt daran, dass Wasserstoff das Element mit der höchsten Energiedichte pro Gewichtseinheit ist und deshalb besonders für den Fernverkehr und schwere Güter geeignet ist.

Wenn eines Tages die Produktion von erneuerbarer Energie im Überfluss erfolgen wird, könnte Wasserstoff aufgrund seiner Rolle als Energieträger in einem weiteren Anwendungsbereich, der saisonalen Speicherung von Energie, wichtige Vorteile bieten.

Aufgrund der zunehmenden Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie wird die Notwendigkeit, die in Zeiten hoher Stromerzeugung produzierte Energie zu speichern, um sie dann während der verbleibenden Zeit nutzen zu können, immer offensichtlicher. Während die täglichen Schwankungen der Solar- und Windenergieerzeugung durch den Einsatz von Batterien überbrückt werden können, können die deutlichen Unterschiede aufgrund der jahreszeitlichen Schwankungen durch die unterirdische Speicherung von Wasserstoff während der Sommermonate ausgeglichen werden. Dieser kann dann im Winter, wenn die Solarstromerzeugung geringer ist, genutzt werden.

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.

Wir müssen auch bedenken, dass nur grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt wird, eine echte Lösung zur Reduzierung der Emissionen darstellt. Denn wenn Wasserstoff nicht aus sauberen Energiequellen gewonnen wird, ist seine Herstellung zwar mit geringeren Kosten verbunden, aber umweltschädlich und hat deutliche Auswirkungen auf die Umwelt.

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.

*[Abb.2]

Grüner Wasserstoff stellt sich somit als vielversprechende Energieressource für den Übergang zu einer nachhaltigen Zukunft dar, und sein Einsatz könnte eine Schlüsselrolle bei der Versorgung energieintensiver Branchen und Bereiche spielen.

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.

Anmerkungen*

^{Quelle Abb.1: Hydrogen and electric drive. Das Bild stammt von der Website des Volskwagen vom 03/12/20. https://bit.ly/3RyTAro 
Quelle Abb.2: IEA Net Zero Scenario 2050. Das Bild stammt von der Website des European Space Agency vom 20/12/23. https://bit.ly/41LOCfT}