Grüner Wasserstoff als Zukunftshoffnung – Teil 1

Seit dem Sommer 2020 beschäftigt mich das Thema grüner Wasserstoff intensiv. Ständig, wenn ich diesen Beitrag schreiben will, kommen neue Aspekte dazu. Jetzt ist es aber soweit, finden Sie hier im #RestartThinking Blog eine ausführliche Betrachtung der Technologie und Einsatzgebiete von Wasserstoff, die hochtrabenden Pläne sowie die Potentiale und Knackpunkte. Kostenaspekte sind explizit ausgeklammert, denn dann würden Sie den Umfang einer Diplomarbeit lesen müssen. 

Im ersten Teil geht es um die Grundlagen, im zweiten Teil werden die verschiedenen Anwendungen und Pläne erläutert. Das ganze Konvolut wird zum Abschluss als PDF hier im Blog für Sie zum Download bereitgestellt.

Wasserstoff – Stoff der Träume oder Zukunftshoffnung?

Es ist unbestritten, dass uns der Klimawandel vor große Herausforderungen stellt. Deshalb ist die Abkehr von fossilen Brennstoffen ein wichtiger Beitrag, um den wir nicht herumkommen. Wasserstoff wird derzeit von vielen als die Lösung des Problems angesehen. Doch kann das klappen? Kommen Sie mit auf eine spannende Reise in die Zukunft…

Was ist Wasserstoff?

Vielleicht erinnern Sie sich noch an den Chemie-Unterricht in der Schule. Im Periodensystem steht das chemische Element Wasserstoff (H) ganz oben links. In jedem Organismus kommt Wasserstoff (in gebundenen Form) vor und es ist das häufigste chemische Element im Universum. Auch bei uns auf der Erde ist es zu finden – einerseits in den Gewässern (Meere, Flüsse, Seen, Grundwasser, etc.), im Wasserdampf in der Luft (Luftfeuchtigkeit) und im Eis (Permafrost, Arktis, Antarktis, Gletscher). Aber auch Gase, wie etwa Methan, und Erdöl basieren auf Wasserstoff-Verbindungen (1).

Wenn es soviel Wasserstoff gibt, kann ja nichts mehr schief gehen?  

Nicht ganz. Wasserstoff in atomarer Form (H) mit einem positiv geladenem Kern mit einem Proton und null bis zwei Neutronen und einem negativ geladenen Elektron gibt es unter „normalen“ Bedingungen auf der Erde nicht (2). Häufig findet man den molekularen Wasserstoff (H2), als zweiatomiges Wasserstoffgas, welches farb- und geruchslos ist (3). Und wie kommt man an dieses Gas?

Technologien 

Es gibt verschiedenen Möglichkeiten um Wasserstoff (H2) herzustellen. Meistens wird in der derzeitigen Diskussion von Elektrolyse gesprochen, aber es gibt noch wesentlich mehr Möglichkeiten und momentan wird intensiv geforscht. 

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser mittels Stromzufuhr in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in einem Elektrolyseur zerlegt. Dazu wird elektrische Spannung an zwei Elektroden angelegt. Die entstehenden Gase sind rein und müssen nicht nachbehandelt werden. Mit 4,3 –4,9 kWh Energie kann 1 m3 Wasserstoff hergestellt werden (4). Außerdem benötigt man 9 Liter Wasser um 1 kg H2 und 8 kg Sauerstoff (O2) als Beiprodukt zu erzeugen (5). Wird Salzwasser verwendet, kann es notwendig sein, dieses vorher noch zu entsalzen(6). Es gibt verschiedene Arten von Elektrolyseuren:

Alkalischer Elektrolyseur

Die derzeit gängigste Elektrolyse-Methode funktioniert mit dem sogenannten alkalischen Elektrolyseur, welcher bereits seit den 1920iger Jahren in der chemischen Industrie im Einsatz ist und bei dem die Anlagekosten niedriger als bei anderen Varianten sind (7). Die Betriebstemperatur liegt zwischen 60 und 80 Grad Celsius, der Druck beträgt 1 bis 30 bar (8). Als Elektrolyt wird Kalilauge mit einer Konzentration von 20–40 % verwendet. In der Mitte dieses Elektrolyseurs befindet sich eine gasdichte Membran, damit sich der entstehende Wasserstoff und der entstehende Sauerstoff auf der jeweiligen Elektrodenseite nicht vermischen (9). 

PEM-Elektrolyseur

Der PEM-Elektrolyseur kommt durch die „Proton Exchange Membran“, eine Polymermebran, zu seinem Namen. In diesem Elektrolyseur wird destilliertes Wasser über zwei speziell beschichtete Elektroden (Platin überzogener Kohlenstoff auf der Kathodenseite und Iridium und Ruthenium beschichtete Anode) unter Spannung gesetzt. Durch die Polymermembran können nur die Wasserstoff-Ionen entweichen, so kann Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden (10). Die Betriebstemperatur beträgt 50 bis 80 Grad Celsius bei 30 bis 80 bar Druck (11). Laut der IEA sind PEM-Elektrolyseure noch nicht so weit entwickelt wie die alkalischen Elektrolyseure, aber sie können flexibler arbeiten und damit besser in variablen Bedingungen, etwa mit Schwankungen bei der Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen, betrieben werden (12).

Weitere Elektrolyseure

Weitere Varianten sind beispielsweise Hochtemperatur-Elektrolyseure oder Nickel-Eisen-Elektrolyseure (13). Die Festoxid-Elektrolyseurzelle (englisch solid oxide electrolyzer cell – kurz SOEC) ist eine neue Entwicklung und Hoffnungsträger vieler. Brennstoffzellen und das Thema „Power to X“ werden später genauer erklärt. Grundsätzlich verwandeln Brennstoffzellen chemische Energie, enthalten in kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen, in elektrische Energie. Die SOEC kann zudem als „reversible Brennstoffzelle“ Dampf mittels Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Diese Vielseitigkeit ist bei erneuerbaren Energiequellen interessant, um Lastschwankungen bei Produktionsüberschüssen oder Bedarfsspitzen entsprechend ausgleichen zu können (14). 

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Dampfreformierung

Dabei werden kohlenstoffhaltige Energieträger, die gasförmig (z.B. Erdgas, Biogas) oder mit verdampfbarer Flüssigkeit (z.B. Leichtbenzin) sind, gemeinsam mit heißem Wasserdampf in einem Katalysator bei etwa 500 Grad in Gas (Synthesegas) umgewandelt. Dieses Synthesegas besteht aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) (15). 

Um den Wasserstoffanteil im Gas zu steigern, wird ein weiterer Prozessschritt (Shiftreaktion) durchgeführt. Dort wird in einem Katalysator bei 250-450 Grad Wasserdampf zugeführt. Damit reagiert das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid (CO2) (16).

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Partielle Oxidation

Dabei wird ein Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Reformer (Katalysator) bei hohen Temperaturen teilweise verbrannt. Je nach Verfahren liegen die Temperaturen bei 800-900 Grad oder bei 1200 Grad und darüber. Dadurch entsteht ein wasserstoffreiches Synthesegas, welches in gewissen Arten auch von Brennstoffzellen verwendet werden kann. (17)

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Exkurs Synthesegasreinigung

Bei Dampfreformierung, Pyrolyse und partieller Oxidation sind je nach Verfahren, unterschiedliche und unterschiedlich komplexe Reinigungs- und Weiterverarbeitungsschritte nötig. Die Shiftreaktion wurde schon bei der Dampfreformation erklärt. Weitere Maßnahmen können Rußabtrennung, Wasserentfernung und Trocknung oder die Abtrennung von CO2- oder Schwefelverbindungen sein (18).

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Pyrolylse

Bei diesem Prozess werden feste Brennstoffe, wie zum Beispiel Biomasse oder Kohle, unter Ausschluss von Sauerstoff hohen Temperaturen ausgesetzt. Dabei entsteht ein wasserstoffhaltiges Synthesegas und Wasserdampf. Die Reste bestehen aus reinem Kohlenstoff, der weiterverwendet werden kann und auch muss. Dazu kommen wir später nochmals.

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Methanpyrolyse

An dieser Stelle müssen wir nochmals zurück in den Chemie-Unterricht gehen. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Methan häufig mit Erdgas gleichgesetzt. Zwar besteht Erdgas zu einem großen Anteil (über 85 %) aus Methan, doch je nach Vorkommen variiert die chemische Zusammensetzung, etwa durch Ethan, Propan, Butan, Schwefelwasserstoff oder CO2 (19). 

Bei der Methanpyrolyse wird – wie der Name schon sagt – reines Methan unter Ausschluss von Sauerstoff im Hochtemperaturbereich verarbeitet um Wasserstoff zu erzeugen. Dazu muss das Erdgas vorher entsprechend gereinigt werden um die Nicht-Methan-Bestandteile zu entfernen. Bei dem Pyrolyseprozess bleibt der im Gas enthaltene Kohlenstoff nach der Behandlung als Feststoff übrig. Das entstehenden Gas muss ebenfalls wieder gereinigt werden (20).

Damit der Prozess einen nachhaltigen Beitrag zum Klimaschutz liefert, muss der Kohlenstoff gebunden bleiben und darf nicht wieder thermisch verwertet, also verbrannt, werden. Je nach Qualität des abgeschiedenen Kohlenstoffs, können unterschiedliche Nutzungen resultieren. Etwa kann der Kohlenstoff bei entsprechender Qualität in industriellen Prozessen als „Thermal- oder Industrieruß“ (englisch carbon black) genutzt werden (21). Die Einlagerung in alten Kohleabbaugebieten wäre ebenfalls denkbar (22). Auch die Nutzung zum Humusaufbau in Böden (Stichwort Terra Preta) kann angedacht werden, wenn die Schadstoffwerte entsprechend eingehalten werden (23).

Drei Arten der Methanpyrolyse

Die Methanpyroylse kann auf drei verschiedene Arten erfolgen: Mittels Plasma, thermischer (24) oder katalytischer (25) Spaltung. Die beiden letztgenannten sind derzeit noch im Versuchsstadium. 

Die Wasserstoffgewinnung durch Methanpyrolyse mittels Plasma wird auch Kværner-Verfahren genannt. Dieses Verfahren wurde von dem norwegischen Unternehmen Kværner in den 1980iger Jahren entwickelt. Dabei wird Methan mit einem Plasmabrenner bei etwa 1600 Grad in reinen Kohlenstoff (Aktivkohle) und Wasserstoff getrennt (26).

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Weitere Wasserstoff-Herstellarten

Aufgrund des derzeitigen Wasserstoff-Booms werden verschiedene Erzeugungsmöglichkeiten erforscht. Beispielswiese wird die H2 Herstellung mittels Grünalgen probiert, wobei der Aufwand der Algenzüchtung groß ist. Die Reaktion verdünnter Säuren mit unedlen Metallen oder die Zersetzung des Wassers durch Alkalimetallen erzeugen ebenfalls H2, sind aber aufgrund des Aufwandes nicht für den industriellen Einsatz geeignet (27). 

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Bisherige Umsetzung

Bisher wird Wasserstoff hauptsächlich (über 99 %) aus fossilen Energieträgern – vor allem mittels Dampfreformation – gewonnen. Daher kann von „grünem Wasserstoff“ kann nicht die Rede sein, mehr dazu finden Sie im nächsten Blogbeitrag. Die Internationale Energie Agentur (IEA) listet alle seit dem Jahr 2000 weltweit betriebenen und geplanten Wasserstoff-Projekte auf. Bei den Neuprojekten sind der größte Teil bisher Elektrolyse-Anlagen (28).

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Notwendiger Aufwand

Ich hoffe, Sie haben nach dem ganzen „Tech Talk“ noch Lust weiterzulesen. Wenn man sich die ganzen o.a. Methoden ansieht, merkt man, dass viel Aufwand dahinter steckt um Wasserstoff zu produzieren. In der folgenden Tabelle habe ich nochmals für Sie eine deskriptive Übersicht der Problemfelder und eventueller positiver Effekte zusammengestellt.

Anmerkung Biogas: 

Die Idee Biogas zu verwenden wird im Klimadiskurs gerne angeführt. Meiner Ansicht handelt es sich aber anhand der derzeit vorhandenen Zahlen um Wunschdenken, denn die entsprechenden Kapazitäten reichen bei weitem nicht aus. Einerseits ist die Verwendung des Biogases zu berücksichtigen. Laut der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) wurden im Jahr 2015 in Deutschland 89,6 % des erzeugten Biomethans mittels Kraft-Wärme-Kopplung, also Anlagen zur Stromerzeugung, deren Abwärme zum Heizen genutzt wird, verbraucht. Nur 4,3 % des Biogases wurde als Kraftstoff verwendet (29). Andererseits muss auch die Gesamtmenge an Biomethan gesehen werden, die derzeit überhaupt zur Umwandlung in Wasserstoff zur Verfügung stünde. Laut FNR betrug der Biomethan-Anteil am gesamten deutschen Kraftstoffverbrauch im Jahr 2017 28.000 Tonnen. Im gleichen Zeitraum wurden aber 36.486.650 Tonnen Diesel (63,8 % am Gesamtverbrauch) benötigt, damit liegt der Biomethan-Anteil unter 0,05 % der gesamten Kraftstoffmenge (30).  

Wie man an der Tabelle 1 sieht, sind alle Arten der Wasserstoffherstellung energieintensiv. Der Umstieg auf regenerative Energien ist daher zwingend nötig, um damit die Treibhausgasemissionen nicht noch weiter zu steigern. Da die Wasserstoffherstellung aus regenerativen Quellen derzeit noch marginal ist (lt. VCÖ 0,7 % des derzeit weltweiten Verbrauchs (31)), gibt es verschiedene Kennzeichnungen um die Arten von Wasserstoff und deren Herstellungsmethoden zu unterscheiden. Diese finden Sie im nächsten Abschnitt. 

Farbenlehre – verschiedene Arten von Wasserstoff (32)

Grauer Wasserstoff:

Dieser Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen (hauptsächlich Erdgas) durch Wärmezufuhr (vor allem mittels Dampfreformation) gewonnen. Das dabei entstehende CO2 wird in die Atmosphäre emittiert. Damit ist die Klimabilanz sogar schlechter, als wenn man Erdgas direkt verbrennen würde. Bei der Herstellung einer Tonne H2 entstehen rund 10 Tonnen CO2 (33). 

Blauer Wasserstoff:

Wie „grauer“ wird auch „blauer“ Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen (hauptsächlich Erdgas) hergestellt, aber als CO2-neutral bilanziert, wenn das dabei entstehende CO2 nicht in die Erdatmosphäre emittiert wird. Unter Einsatz der CCS-Technologie (englisch Carbon Capture and Storage) wird das CO2 abgetrennt und endgelagert. Allerdings steckt die Forschung dazu noch in den Kinderschuhen und es gibt derzeit keine CO2-Endlager. 

Türkiser Wasserstoff: 

Dabei handelt es sich um den Wasserstoff aus der Methanpyrolyse. Vielleicht erinnern Sie sich noch, bei diesem Verfahren bleibt der im Prozess enthaltene Kohlenstoff als Feststoff übrig. Damit der Prozess als CO2-neutral gilt, muss die Prozesswärme aus erneuerbarer Energie erzeugt und der Kohlenstoff darf nicht thermisch verwertet werden.

Grüner Wasserstoff: 

Durch Elektrolyse aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Photovoltaik oder Windenergie) wird grüner Wasserstoff hergestellt. Für die Produktionsanlagen fallen gewisse CO2-Emissionen an, aber dennoch ist das die sauberste Technologie um Wasserstoff zu erzeugen, auch wenn sie energieintensiv ist. 

Weitere Wasserstoff-Arten:

Im Zuge der Recherchen zu diesem Artikel bin ich auf die Seite von Solarify über eine weitere Einteilung gestoßen, die ich Ihnen nicht vorenthalten möchte (34):

Brauner Wasserstoff: 

Dieser entsteht, wenn Kohle vergast wird (vgl. Pyrolyse).

Rosa bzw. violetter Wasserstoff: 

Diese Bezeichnung trifft für Wasserstoff aus der Elektrolyse zu, die mittels Atomstrom betrieben wird.

Gelber Wasserstoff: 

Wenn die Elektrolyse mit Strom aus dem Netz (allgemeiner Strommix) stattfindet.

Weißer Wasserstoff: 

Dazu gibt es zwei unterschiedliche Interpretationen: Entweder natürlicher Wasserstoff, der in sehr geringen im bestimmten Erdschichten vorkommt. Manche Quellen bezeichnen weißen Wasserstoff auch als Nebenprodukt, welches in Chemieprozessen entsteht.

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Sie sehen, das Thema Wasserstoff ist umfangreich. Ein Punkt ist auf jeden Fall fix, bis zum grünen Wasserstoff ist es noch ein sehr, sehr weiter Weg. Im nächsten Teil des Blogs erfahren Sie mehr über die Verwendung von Wasserstoff und die Pläne für die Zukunft. Dann gehen wir der Frage nach, ob Wasserstoff der Stoff der Träume ist.

Haben Sie in der Zwischenzeit bereits Fragen, dann freue ich mich auf Ihre Nachricht!

Beste Grüße,
Ihre Marlene Buchinger

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Quellen:

1. Chemie.de – Lexikon – Wasserstoff, abgerufen am 12.01.2021
2. Chemie.de – Lexikon – Wasserstoffatom, abgerufen am 12.01.2021
3. Chemie.de – Lexikon – Wasserstoff, abgerufen am 12.01.2021
4. Chemie.de – Lexikon – Elektrolyse, abgerufen am 12.01.2021
5. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 43
6. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 43
7. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 43
8. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 47
9. Chemie.de – Lexikon – Elektrolyseur, abgerufen am 12.01.2021
10. Chemie.de – Lexikon – Elektrolyseur, abgerufen am 12.01.2021
11. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 47
12. IEA – Fuels & technologies – Hydrogen, abgerufen am 16.01.2021
13. IEA – Fuels & technologies – Hydrogen, abgerufen am 16.01.2021
14. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 44
15. Chemie.de – Lexikon – Dampfreformierung, abgerufen am 12.01.2021
16. Chemie.de – Lexikon – Wassergas-Shift-Reaktion, abgerufen am 12.01.2021
17. Chemie.de – Lexikon – Partielle Oxidation, abgerufen am 12.01.2021
18. Chemie.de – Lexikon – Synthesegas, abgerufen am 12.01.2021
19. Chemie.de – Lexikon – Erdgas, abgerufen am 14.01.2021
20. Energie Lexikon – Methanpyrolyse, abgerufen am 13.01.2021
21. IEA, Report „The Future of Hydrogen”, 2019, S. 41
22. BDEW- Energie – Wasserstoff, abgerufen am 15.01.2021
23. NABU- Umwelt & Ressourcen, abgerufen am 15.01.2021
24. Dechema, Technology Study „Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry“, abgerufen am 15.01.2021
25. Dechema, Potentialabschätzung „Herstellung von Wasserstoff – Photokatalyse“, abgerufen am 15.01.2021
26. Chemie.de – Lexikon – Kvaerner-Verfahren, abgerufen am 15.01.2021
27. Chemie.de – Lexikon – Wasserstoff, abgerufen am 12.01.2021
28. IEA – Fuels & technologies – Hydrogen, abgerufen am 16.01.2021
29. FNR, Basisdaten Bioenergie Deutschland 2018, S. 29, abgerufen am 15.01.2021
30. FNR, Basisdaten Bioenergie Deutschland 2018, S. 43, abgerufen am 15.01.2021
31. VCÖ, Factsheet „Grünen Wasserstoff sinnvoll im Verkehr einsetzen“, 2020-02, S. 3
32. BMWi Deutschland, Die Nationale Wasserstoffstrategie, IV. Glossar, Juli 2020, S. 29 
33. Solarify.eu, abgerufen am 16.01.2021
34. Solarify.eu, abgerufen am 16.01.2021