Wasserstoff: Schlüsselrohstoff für die Energiewende

Deutschland will Weltmarktführer bei Wasserstoff werden, dem Schlüsselrohstoff der Energiewende.

Schon 1874 erkannte der französische Schriftsteller Jules Verne: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ Eine visionäre Prognose: Heute, fast 150 Jahre später, gilt Wasserstoff als zentraler Baustein auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft und könnte die Energiewende entscheidend voranbringen. Rund um den Globus tüfteln Forscher an Möglichkeiten zur Erzeugung, Speicherung und Verwendung des „grünen Goldes“.

Innovativ voraus

Auch hierzulande tut sich viel: Im Hamburger Hafen soll die bis dato größte Elektrolyse-Anlage entstehen. Der Paketdienst DHL entwickelt gemeinsam mit dem Start-up Streetscooter einen Lieferwagen mit Brennstoffzellenantrieb. Zwischen Niedersachsen und Bremen pendelt der erste Wasserstoffzug. Im Sommer 2020 stellte die Bundesregierung neun Milliarden Euro Fördermittel für die Produktion und Infrastruktur des Rohstoffs bereit: „Wir wollen bei Wasserstofftechnologien die Nummer 1 in der Welt werden“, sagt Wirtschaftsminister Peter Altmaier. Schon heute ist Deutschland bei Innovationen rund um Wasserstoff europaweit führend und liegt mit 17 238 Brennstoffzellen-Patenten weltweit auf dem dritten Platz hinter den USA und Japan.

Energieträger der Zukunft

Das Potenzial ist enorm: Mit dem gefragten Element werden zum Beispiel Stahl und chemische Produkte hergestellt, ohne dass die Atmosphäre hierbei nennenswert mit Treibhausgasen belastet wird. Laut der Deutschen Energieagentur ließen sich in der Stahlherstellung mit Wasserstoff rund 95 Prozent der CO2-Emissionen gegenüber der konventionellen Hochofenmethode einsparen. Doch Wasserstoff kann noch viel mehr: Über Brennstoffzellen treibt er Generatoren, Heizungen und Verkehrsmittel an. Langfristig könnte Wasserstoff Diesel ersetzen und die Verbrennung von Erdgas, Kohle und Öl überflüssig machen – in der Industrie, im Transport und Verkehr ebenso wie in der Strom- und Wärmeversorgung von Wohngebäuden. Klingt zu schön, um wahr zu sein? Einerseits ja, andererseits nein. Bis Ende des Jahres möchte die Bundesregierung die seit Langem geplante nationale Wasserstoffstrategie beschließen. Nach monatelangen Auseinandersetzungen, welche Ziele realistisch sind, einigten sich die Ministerien auf einen Kompromiss: Deutschland will Weltmarktführer bei In Deutschland soll nur die Herstellung von grünem Wasserstoff gefördert werden. Ein wichtiger Entschluss: Denn entscheidend für die Klimabilanz von Wasserstoff ist die Art seiner Erzeugung.

Facettenreich

Bei der Produktion von Wasserstoff gibt es vier Varianten: grünen, blauen, türkisen und grauen Wasserstoff (Die Infos finden Sie im Kapitel „Die Farblehre des Wasserstoffs“ am Ende dieses Artikels). Komplett klimaneutral und nachhaltig ist nur grüner Wasserstoff. Er wird CO2-frei mit Ökostrom erzeugt. Aus fossilen Brennstoffen produzierter grauer Wasserstoff ist zwar kostengünstig, schädigt aber aufgrund des hohen CO2-Ausstoßes das Klima. Was also spricht dagegen, ausschließlich grünen Wasserstoff herzustellen? Die Technik zumindest ist nicht das Problem. Mithilfe eines sogenannten Elektrolysers können Fachleute Wasser unter (Öko)Strom setzen, sodass sich Wasserstoff- und Sauerstoffatome voneinander lösen. Bei diesem Prozess entstehen keine CO2-Emissionen. Der benötigte Ökostrom kann zum Beispiel aus Windkraft erzeugt werden. Doch die Herstellung ist energieaufwendig: Von 100 Kilowattstunden erneuerbarem Strom bleiben nach der Elektrolyse nur zwei Drittel
in Form von Wasserstoff übrig. Bei der jeweiligen Anwendung geht weitere Energie verloren. Zudem konkurriert die Menge des für den grünen Wasserstoff benötigten Ökostroms mit einem anderen Ziel der Regierung: Bis 2030 sollen 65 Prozent des bundesweit erzeugten Stroms aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Für beide Klimaschutz-Projekte reichen die Solar- und Windkapazitäten in Deutschland nicht aus. Die Lösung: Importe. Wasserstoff soll in wind- oder sonnenreichen Ländern erzeugt und nach Deutschland geliefert werden. Anfang 2020 legte Berlin den Grundstein für eine erste „Wasserstoff-Partnerschaft“ mit Westafrika. Auch die Niederlande und Australien wollen als Wasserstoffexporteure den Weltmarkt erobern. Trotz aller Bemühungen wird der Aufbau der erforderlichen Kapazitäten an regenerativen Energien und Elektrolyse-Ressourcen noch Jahrzehnte dauern. Fakt ist auch: Damit sich CO2-frei erzeugter Wasserstoff gegen alternative Energieträger durchsetzen kann, müssen die Kosten für Ökostrom erheblich sinken und erneuerbare Energien konsequent und zügig ausgebaut werden. Fazit: Der Weg ins grüne Wasserstoffzeitalter ist noch weit, aber er könnte sich lohnen.

Die Farblehre des Wasserstoffs

Wasserstoff ist nur so sauber wie seine Herstellung. Gemessen am produktionsbedingten CO2-Ausstoß unterscheiden Experten vier Varianten

Grauer Wasserstoff: Wird auf Basis fossiler Brennstoffe wie Erdgas oder Rohöl erzeugt. Dabei entsteht CO2, das ungenutzt in die Atmosphäre gelangt und den Treibhauseffekt verstärkt. Preiswert und weit verbreitet, aber umweltschädlich.

Blauer Wasserstoff: Ist grauer Wasserstoff mit einem Unterschied: Das CO2 gelangt nicht in die Atmosphäre, sondern wird abgeschieden und unterirdisch gespeichert. Bilanziell klimaneutral, aber aufgrund der begrenzten Speicherkapazitäten und des technischen Aufwandes weder besonders nachhaltig noch dauerhaft umsetzbar.

Türkiser Wasserstoff: Entsteht, wenn ein Hochtemperaturreaktor Methan thermisch spaltet (Methanpyrolyse). Nebenprodukt ist kein gasförmiges CO2, sondern fester Kohlenstoff. Damit türkiser Wasserstoff klimaneutral ist, muss der Reaktor mit erneuerbarer Energie erhitzt und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden werden. Auch entweicht immer ein kleiner Teil Methan in die Atmosphäre.

Grüner Wasserstoff: Am klimafreundlichsten. Komplett CO2-frei und aus erneuerbaren Energien erzeugt. Nur grüner Wasserstoff erfüllt langfristig die Anforderungen des Pariser Klimaschutzabkommens.