Verwendung von Wasserstoff

Energie der Zukunft und seine Anwendung

Wasserstoff wird bereits in vielen Bereichen verwendet und kann andere Bereiche revolutionieren. Lesen Sie in diesem Ratgeber, wo Wasserstoff zum Einsatz kommt und warum grüner Wasserstoff großes Potential für die Energiewende hat. 

Einsatz des Allround-Talents

Wasserstoff wird als Allround-Talent für die Energiewende in Deutschland gehandelt. Er kann eine Schlüsselrolle einnehmen, um in vielen Bereiche CO2-Emissionen einzusparen: Industrie, Verkehr und Wärmeerzeugung sind die größten Bereiche, die Wasserstoff verändern kann.

Werfen wir einen Blick auf die Verwendung von Wasserstoff und wie grüner Wasserstoff ganze Branchen bereit für die Energiewende machen kann.

Verwendung von Wasserstoff in verschiedenen Branchen

Grüner Wasserstoff erweist sich als Schlüsselelement zur CO2-Reduzierung in verschiedenen Industriezweigen. Insbesondere bei Anwendungen in der Eisen- und Stahlindustrie sowie der Chemie- und Pharmaindustrie ersetzt er grauen Wasserstoff, wodurch erhebliche Einsparungen an Energie und umweltschädlichen Treibhausgasen realisiert werden.

Industrie

Der größte Anwendungsbereich für Wasserstoff ist klar die Industrie. Einerseits ist Wasserstoff selbst Rohstoff für die Industrie, aber auch Erzeuger von Prozesswärme für viele industrielle Fertigungsstufen. Jetzt könnte man sagen: Macht doch alles mit Strom!

So leicht geht das in der Industrie aber nicht. Viele industrielle Prozesse lassen sich gar nicht oder nur sehr schwer elektrifizieren. Wenn Strom keine Option ist, kommt Wasserstoff ins Spiel. Er kann die aktuell vorherrschenden Energieträger Erdgas, Erdöl und Kohle in der Industrie ersetzen. 

Eisen- und Stahlindustrie

Die Stahl- und Metallindustrie ist besonders energieintensiv und durch die hohen Treibhausgasemissionen besonders umweltbelastend. Für die Erzeugung von Roheisen, das aus Eisenherz zu Rohstahl verarbeitet wird, braucht es viel Koks für die Reduzierung im Hochofen bei bis zu 2.200 Grad Celsius.

Mittels Direktreduktionsverfahren lässt sich Koks durch klimaneutralen, also grünen Wasserstoff ersetzen. Dieses Verfahren kann bis zu 95 Prozent der CO2-Emission einsparen im Vergleich zum Hochofenprozess.  

Chemie- und Pharmaindustrie

Auch die Prozesse in der Chemie- und Pharmaindustrie sind energieintensiv, die aktuell auf Erdgas beruhen. Der größte Teil des Erdgases wird für die Strom- und Dampferzeugung und zu einem kleineren Teil als Rohstoff in diesem Sektor genutzt.

Wasserstoff ist ein bedeutender Grundstoff die chemische Industrie. Er ist Rohstoff in vielen Chemikalien wie Ammoniak und Methanol, die zu Kunststoffen oder Düngemittel werden. Der benötigte Wasserstoff ist aktuell grauer Wasserstoff, also aus Erdgasgas mittels Dampfreformierung gewonnener Wasserstoff.

Das setzt große Mengen an Kohlenstoffdioxid frei. Grauer Wasserstoff lässt sich hier durch grünen, klimaneutral hergestellten Wasserstoff ersetzen und hat so Unmengen an Einsparpotential für umweltschädliche Treibhausgase

Bauindustrie

Ein weiterer Industriezweig, bei dem Wasserstoff zur Reduktion der CO2-Emissionen beitragen kann, ist die Bauindustrie – genauer bei der Herstellung von Zement. Bei der Herstellung von Zement entsteht der größte Teil des freigesetzten CO2 rohstoff- und prozessbedingt durch die Kalzinierung – nicht durch den Einsatz fossiler Brennstoffe.

Bei der Kalzinierung wird das Ausgangsmaterial Kalkstein entsäuert und das enthaltene Kohlendioxid entzogen, bevor es im Drehrohrofen zu Zementklinker weiterverarbeitet und dann zu Zement gemahlen wird. Für die Bauindustrie werden daher Verfahren wie Carbon Capture and Storage (CCS) und Carbon Capture and Utilisation (CCU) wichtig.

Mittels dieser Verfahren wird der Kohlenstoffdioxid nicht mehr freigesetzt, sondern entweder langfristig gespeichert (CCS) oder als Rohstoff direkt genutzt (CCU)

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Wasserstoff-Anwendung: Wärmeerzeugung

Ein weiterer Bereich, den Wasserstoff stark beeinflussen kann, ist die Wärmeerzeugung für private und gewerbliche Gebäude. Für die Wärmewende ist die Brennstoffzellen-Technologie besonders energieeffizient. Die Gas-Brennstoffzellen-Heizungen laufen mit Wasserstoff und erzeugen Strom und Wärme. Als Nebenprodukt fällt nur Wasser an.

Wasserstoff kann für die Strom- und Wärmeversorgung von Privathaushalten und Gewerbe- und Industriebetriebe dienen. Ein Vorteil ist, dass das Erdgasnetz dafür die Infrastruktur bieten kann.

Und was ist eigentlich mit Strom aus erneuerbaren Energien, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint? Genau, auch dann kann Wasserstoff durch seine langfristigen Speicherkapazitäten die Stromversorgung sichern

Mobilität unter Wasserstoff-Verwendung

H2-Busse, H2-Lkws und auch H2-Züge und H2-Flugzeuge können mit dem Allround-Talent betankt und bewegt werden. Der Verkehrssektor ist ein weiterer, großer Bereich, in dem Wasserstoff ein hohes Einsparpotential für klimaschädliches Kohlenstoffdioxid bietet. Um Mobilität klimaneutral zu machen, kann Wasserstoff im Vergleich zur Batterie einiges wettmachen. 

Fahrzeuge, bei denen Batterien nicht effizient eingesetzt werden können, werden mit Wasserstoff-Tanks ausgerüstet. Die Brennstoffzelle kann weite Strecken bedienen, hat kurze Tankzeiten und ein niedriges Gewicht. Besonders im Schwerlastverkehr, der durch sein Gewicht einen hohen Energieverbrauch hat, sind wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen die Lösung. Brennstoffzellen-Fahrzeuge kommen weit – haben also eine wesentlich höhere Reichweite als batteriebetriebene Elektroautos – und bieten mit der Brennstoffzellen-Technologie ein hohes CO2-Einsparpotential.

Nicht nur der Straßenverkehr lässt sich durch Wasserstoff klimaneutral gestaltet. Die ersten Passagier-Wasserstoff-Züge fahren seit 2022 durch Niedersachen – betrieben durch eine Brennstoffzelle und mit den einzigen Reststoffen Wasserdampf und Kondenswasser. Bei der innerbetrieblichen Logistik sind Wasserstoff-Flurfahrzeuge wie Wasserstoff-Stapler schon

Über die Elektrolyse gewonnener Wasserstoff kann auch zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen dienen. Wasserstoff wird mit Kohlendioxid, der aus der Industrie oder Biogas-Anlagen als Nebenprodukt anfällt, verbunden und kann so zu synthetischem Diesel, Benzin und Gas werden. Diese eFuels werden aktuell in Forschungsprojekten getestet. 

Wissenswertes zur Brennstoffzellen-Technologie

Um Wasserstoff für die Strom- und Wärmeerzeugung, aber auch für den Verkehr zu verstehen, schauen wir uns kurz noch mal die Brennstoffzellen-Technologie an. Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Wandler.

Wird der Brennstoffzelle Wasserstoff kontinuierlich zugeführt, reagiert er mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Luft und es kommt zur sogenannten "kalten Verbrennung", wodurch Wasser, Strom und Wärme erzeugt wird. 

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, der Kathode (Minuspol) und der Anode (Pluspol). Getrennt sind die beiden Elektroden durch einen ionendurchlässigen Elektrolyt. Bei der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEM) besteht der Elektrolyt aus einer dünnen Kunststoffhaut (Polymer-Membran), die im Niedrigtemperaturbereich von 60 bis 180 Grad Celsius arbeitet; bei der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) besteht der Elektrolyt aus einer Keramik-Membran, die bei Hochtemperaturen von 650 bis 1.000 Grad Celsius arbeitet.   

Die Funktionsweise lässt sich mit der einer Batterie vergleichen: Wasserstoff wird zur Anode geleitet, wo er sich in Elektronen und Protonen teilt. Die freien Elektronen werden als elektrischer Strom genutzt, die Protonen wandern durch das Elektrolyt zur Kathode und verbinden sich mit Sauerstoff, was Wasser und Wärme ergibt. Erfolgt der Betrieb der Brennstoffzelle mit grünem Wasserstoff wird die Technologie zu einem klimaneutralen System.  

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Häufig gestellte Fragen

Seine Nutzung ist vielfältig: Wasserstoff wird als Rohstoff und als Erzeuger von Prozesswärme besonders in der Industrie, wie der Stahl- und Metallindustrie sowie der Chemieindustrie verwendet. Er ist Bestandteil vieler industrieller Prozesse. Dabei handelt es sich aber um grauen Wasserstoff.

Wenn von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gesprochen wird, handelt es sich um grünen Wasserstoff. Grüner Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft zur Dekarbonisierung im Verkehr, bei der Wärme- und Stromerzeugung und verschiedener Industriezweige verwendet. Rheingas hat 2023 bereits verschiedenen Festivals in Deutschland eine nachhaltige Versorgung ermöglicht.