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Gas

Wasserstoff: Schlüssel zur Energiewende?

20. September 2022

von Anne Härtling

Wasserstoff ist vielseitig und umweltfreundlich. In einer schnellen und effizienten Energiewende wird Wasserstoff daher eine bedeutende Rolle zugemessen. Er kann als Treibstoff und zur Wärme- sowie Stromerzeugung genutzt werden und erzeugt bei der Reaktion mit Sauerstoff als Abfallprodukt lediglich Wasser. Wie Wasserstoff die Energiewende vorantreiben kann, lesen Sie hier.

Was ist Wasserstoff und wo kommt er her?

Wasserstoff ist ein chemisches Element und als molekularer Wasserstoff (H2) ist er ein vergleichsweise reaktionsträger Stoff. Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde befindet sich in der Verbindung mit Sauerstoff: Im Wasser (H20). Wasser ist daher ein möglicher Rohstoff für die Gewinnung von Wasserstoff. Ein anderer Rohstoff ist beispielsweise Erdgas.

Grüner Wasserstoff

Wasser kann mithilfe eines speziellen Verfahrens (Elektrolyse) in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gespalten werden. Dazu wird elektrischer Strom aus 100 Prozent erneuerbaren Energien verwendet. Der entstandene Wasserstoff ist damit ein Energieträger, der komplett CO2-frei entstanden ist. Man spricht daher von grünem Wasserstoff.

Der Wirkungsgrad von grünem Wasserstoff ist jedoch begrenzt. Vor dem Hintergrund der Energieeffizienz kann es sinnvoller sein, den klimaneutralen Strom direkt einzusetzen, statt ihn für die Herstellung von grünem Wasserstoff zu nutzen. Ein Beispiel: Wärmepumpen können aus einer Kilowattstunde aufgewendeten Ökostroms drei bis vier Kilowattstunden Wärme erzeugen. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 300 bis 400 Prozent. Der Wirkungsgrad bei der Wasserstoffherstellung liegt währenddessen nur bei etwa 70 Prozent.

Grauer und blauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff ist im Gegensatz zur grünen Alternative nicht emissionsfrei in der Herstellung. Hier wird der Wasserstoff meist aus fossilem Erdgas im Wege der sogenannten Dampfreformierung hergestellt. Dabei wird das Erdgas in Wasserstoff und CO2 gespalten. Pro Tonne Wasserstoff entstehen zehn Tonnen CO2, das in die Atmosphäre ausgestoßen wird.

Die Alternative ist der blaue Wasserstoff, der ebenso gewonnen wird. Bei dessen Herstellung werden aber Teile der CO2-Emissionen gespeichert – zum Beispiel im Erdboden – oder industriell weiterverarbeitet

Wasserstoff in der Industrie

Die Industrie ist in Deutschland für einen besonders großen Teil des Primärenergieverbrauchs verantwortlich. Die wichtigsten Energieträger sind Erdgas und Kohle, die vor allem in der Chemie- und Metallindustrie zumindest teilweise durch Wasserstoff ersetzt werden könnten. Käme in diesen Bereichen grüner Wasserstoff zum Einsatz, könnten große Mengen CO2 eingespart werden.

Bisher ist die Industrie aber noch nicht auf den großflächigen Einsatz des Gases eingestellt und auch die vergleichsweise geringe Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff lässt einen Austausch von fossilen Brennstoffen bisher noch nicht zu.

Wasserstoff im Verkehr

Besonders im Verkehr, der sich in absehbarer Zeit nicht vollständig elektrifizieren lässt, spielt Wasserstoff eine große Rolle. Der private Verkehr mit PKW soll in Zukunft immer mehr auf Elektromotoren umgestellt werden. Im Flug- und Schiffsverkehr sowie im Bereich der Fern- und Schwerlasttransporte sind Elektromotoren bisher aber noch nicht leistungsfähig genug. Diese Bereiche sind potenzielle Anwendungsbereiche für mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen oder synthetische Kraftstoffe, für deren Herstellung Wasserstoff essenziell ist.

Brennstoffzellen kehren die Reaktion der Elektrolyse um: Wasserstoff reagiert dort mit Sauerstoff, wobei Energie frei wird, die genutzt werden kann. Es entsteht Wasser, das als Abfallprodukt unproblematisch und klimafreundlich ist.

Bereits jetzt fahren bereits in einigen Städten Wasserstoffbusse, die an speziellen Tankstellen betankt werden und für einen grüneren Personennahverkehr sorgen. Perspektivisch müssten natürlich noch unzählige weitere Transportmittel umgestellt werden – bis es so weit ist, wird es aber noch einige Jahre dauern.

Wasserstoff in der Wärmeversorgung und Stromerzeugung

Bereits heute kann Wasserstoff in gewissen Mengen in das Gasnetz eingespeist werden und für die Erzeugung von Wärme in privaten Haushalten oder der Industrie genutzt werden. Aktuell liegt der Grenzwert für die Einspeisung bei zehn Prozent.

Auch für die Stromerzeugung kann Wasserstoff in der Energiewende eine wichtige Rolle spielen. Auf dem Weg zu einer komplett klimaneutralen Stromversorgung können wasserstofffähige Gaskraftwerke den Kohleausstieg flankieren. Die Kraftwerke können Strom produzieren, wenn die wetterabhängigen erneuerbaren Energiequellen zu wenig Strom erzeugen. Da Wasserstoff ebenso wie fossiles Erdgas speicherbar ist, stellt er eine umweltfreundliche Alternative dar.

Auch Brennstoffzellenheizungen, die es auch jetzt schon gibt, sind eine Möglichkeit, Wasserstoff in privaten Haushalten zu nutzen. Sie stellen eine klimafreundliche Variante zur herkömmlichen Gasheizung dar. Mittels der sogenannten Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen die Brennstoffzellenheizungen sowohl Strom als auch Wärme.

Power-to-Gas

Die Power-to-Gas-Technologie ist eine Möglichkeit zur Herstellung von (grünem) Wasserstoff.  Dabei wird mittels Elektrolyse Wasserstoff hergestellt, wenn gerade Stromüberschüsse vorhanden sind. Wenn also mehr Strom im Netz ist, als verbraucht wird, kann mit der überschüssigen Energie die Elektrolyse betrieben werden.

Der entstandene Wasserstoff ist eine Möglichkeit, den überschüssigen Strom zu speichern, der sich ansonsten nicht speichern ließe. Er kann dann in Gaskraftwerken rückverstromt oder anderweitig genutzt werden.

Besonders sinnvoll ist die Power-to-Gas-Technologie, wenn die aufgewendete elektrische Energie aus 100 Prozent erneuerbaren Energien stammt. Produzieren beispielsweise Windenergieanlagen mehr Strom als abgenommen wird, müssten die Anlagen nicht zwischenzeitlich abgestellt werden, sondern könnten die Elektrolyse des grünen Wasserstoffs betreiben. Auf diese Weise geht keine grüne Energie verloren.