Wasserstoff herstellen: Technologien für eine nachhaltige Produktion
Wasserstoffproduktion erklärt
Wasserstoff ist ein Energieträger, der in der Natur nicht als reines Element vorkommt, sondern nur in gebundener Form. Um Wasserstoff nutzen zu können, muss er von diesen Verbindungen gelöst werden. Lesen Sie in diesem Ratgeber, welche Verfahren zur Wasserstoffherstellung es gibt.
Als Geschäftskunde stehen Sie vor der Herausforderung, nachhaltige Energiequellen zu erschließen und dabei die Umweltbelastung zu reduzieren. Die Herstellung von Wasserstoff ist ein zentraler Aspekt der Energiewende und spielt eine entscheidende Rolle in der Entwicklung nachhaltiger Energiequellen. Doch wie funktioniert das Herstellen von Wasserstoff?
Inhaltsverzeichnis
Lesedauer insgesamt ca. 6 Min
Wasserstoffherstellung
Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und kommt in der Natur nur in chemisch gebundener Form u.a. in Wasser (H2O), Methan (CH4) oder Biomasse vor. Um seine Energie nutzen zu können, muss Wasserstoff aus den Verbindungen gelöst werden. Um reinen, ungebundenen Wasserstoff herzustellen, gibt es verschiedene Verfahren.
Elektrolyse für grünen Wasserstoff
Elektrolyse ist ein chemischer Prozess. Bei diesem Prozess wird durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion erzwungen und die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Elektrolyse kommt bei der Herstellung von Wasserstoff zum Einsatz.
Bei der Frage, ob dieses Verfahren umweltfreundlich ist, kommt es auf den eingesetzten Strom an. Das Verfahren spaltet bei der Elektrolyse von Wasser im Elektrolyseur Wasser (H2O) mittels Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff.
Wird der Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind oder Photovoltaik gewonnen, entsteht grüner Wasserstoff, was das Verfahren nachhaltig und umweltfreundlich macht. In Deutschland gibt es bereits viele Elektrolyseure, die grünen Wasserstoff herstellen. Monatlich kommen neue hinzu.
Aber Achtung: Die Elektrolyse liefert nicht nur grünen Wasserstoff. Es kommt dabei auf die Herkunft des eingesetzten Stroms an. Die Elektrolyse kann auch grauen Wasserstoff herstellen, wenn der eingesetzte Strom aus fossilen Energieträgern stammt.
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Reformierungsverfahren bei grauem und blauem Wasserstoff
Bei diesem Verfahren wird Wasserstoff mit Hilfe von fossilen Brennstoffen hergestellt. In der Dampfreformierung wird den fossilen Brennstoffen wie Kohle, Biomasse oder Erdgas Wasserstoff entzogen.
Die Dampfreformierung ist ein mehrstufiges Verfahren, aus dem nach der Zugabe von Wasserdampf dem Gemisch der Wasserstoff entzogen wird. Bei dieser chemischen Reaktion trennen sich Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid (CO2).
Wird das Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben spricht man von grauem Wasserstoff – also nicht klimaneutral hergestelltem Wasserstoff. Wird das Kohlenstoffdioxid bzw. der Kohlenstoff in tiefliegenden geologischen Strukturen eingelagert (Carbon Capture and Storage, CCS) – und die Abgabe in die Atmosphäre vermieden, spricht man von blauem Wasserstoff. Wenn das Kohlenstoffdioxid direkt weiterverwendet werden kann, fasst man dies unter dem Stichwort Carbon Capture and Utilization, CCU, zusammen.
Methanpyrolyse für türkisen Wasserstoff
Methanpyrolyse ist ein vielversprechendes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, das aktuell aber hauptsächlich im Labor angewendet wird. Bei diesem Verfahren kann Erdgas im Hochtemperaturreaktor unter Hitze in Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H2) gespalten werden. Das Verfahren ist CO2-neutral wenn erstens die Hitze aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen wird und wenn zusätzlich das Kohlenstoffdioxid beispielsweise im Straßenbau oder anderen Bauindustrien langfristig gebunden wird.
Wie viel Energie hat Wasserstoff?
Die Energie, die in Wasserstoff gespeichert ist, wird oft in der Einheit Megajoule pro Kilogramm (MJ/kg) gemessen. Wasserstoff hat einen hohen Energiegehalt von etwa 142 MJ/kg. Diese hohe Energiedichte macht Wasserstoff zu einem effizienten Energiespeicher und Treibstoff für verschiedene Anwendungen.
Die folgende Tabelle vergleicht verschiedene energetische und umweltrelevante Eigenschaften von Erdgas, Wasserstoff und Benzin:
| Einheiten | Erdgas | Wasserstoff | Benzin |
| Heizwert (kWh/kg) | 13,12 | 33,33 | 11,60 |
| Heizwert (kWh/m3) | 10,42 | 3,00 | 8.677,00 |
| Brennwert (kWh/m3) | 11,42 | 3,54 | 10.173,00 |
| Dichte (kg/m3) | 0,79 | 0,09 | 748,00 |
| CO2-Emission (kg/kWh) | 0,2 | 0,00 * | 0,26 |
| Verbrennungsgeschwindigkeit (cm/s) in Luft | 43,00 | 265,00 | 40,00 |
*bei grünem Wasserstoff
Wie viel Strom braucht man für 1 kg Wasserstoff?
Die Menge an Strom, die für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff benötigt wird, hängt von der Effizienz des Elektrolyseprozesses ab. Grundsätzlich lässt sich die benötigte Energiemenge über die Formel berechnen:
Energie = Wirkungsgrad × Heizwert von Wasserstoff
Der Heizwert von Wasserstoff beträgt etwa 33,33 kWh/kg. In Abhängigkeit des Wirkungsgrades der Elektrolyse wird, um 1 kg Wasserstoff herzustellen, ca. 40-80 kWh Strom und 9 Liter Wasser benötigt.
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Anwendungsbereiche von H2
Bei der Anwendung von Wasserstoff kommen uns seine Eigenschaften zugute: Wasserstoff bietet sich als Energiespeicher an. In dem Energieträger lässt sich elektrische, überschüssige Energie aus Windkraft- und Solaranalgen für später speichern.
Der andere Vorteil, der auch Privataushalten zugutekommt, ist die saubere Verbrennung, bei der als Reststoff nur destilliertes Wasser anfällt. Heute kommt Wasserstoff nicht wie Erdgas aus dem Erdgasnetz einfach aus der Leitung. Daher braucht es andere Lösungen, um die Wasserstoff-Wirtschaft zugänglich zu machen.
Die Nationale Wasserstoffstrategie wurde 2023 fortgeschrieben und definiert klimafreundliche Anwendungen von Wasserstoff – insbesondere für die Industrie (Stahl und Chemieindustrie) und den Verkehr. Ziel einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft ist die Herstellung von grünem Wasserstoff.
Dafür braucht es aber auch sehr viel grünen Strom. Allein wird Deutschland die Versorgung nicht schaffen. Die Wasserstoff-Wirtschaft ist von innovativen Lösungen u.a. der Wasserstoff-Leitprojekte abhängig.
Die Bundesregierung fördert den Ausbau und Infrastruktur eines Wasserstoffmarktes. Mehr zum Thema Wasserstoff-Strategie der Bundesregierung finden Sie auf der Seite des "Bundesministerium für Bildung und Forschung".
Wasserstoffspeicher: Welche Möglichkeiten gibt es?
Der Speicherung von Wasserstoff kommt eine besondere Bedeutung zu, da die umgekehrte Elektrolyse den Wasserstoff jederzeit wieder in Energie umwandeln kann.
Seine Eigenschaften längerfristig lagerbar zu sein und zu einem späteren Zeitpunkt wieder genutzt werden zu können, machen den Energieträger so interessant für die Ziele die Energiewende – besonders im Vergleich zur direkten Nutzung von Windkraft und Solarenergie. Sie lassen sich nicht so bereithalten wie es bei Wasserstoff möglich ist. Sein wesentliches Potential liegt in der Rückverstromung der eingesetzten Energie.
Bei der Speicherung von Wasserstoff kommen verschiedenen Verfahren zum Einsatz. Große Mengen an Wasserstoff lassen sich unterirdisch in Kavernenspeicherung in Hohlräumen im Gestein speichern.
Sie sind besonders gut geeignet Schwankungen in der Energienachfrage und -erzeugung auszugleichen. Wasserstoff kann aber auch bei -253°C in isolierten Kryotanks verflüssigt werden.
Eine andere Art der Speicherung erfolgt über flüssige organische Wasserstoffträger – auch LOHC (liquid organic hydrogen carrier) oder auch absorbiert über das Trägermedium Ammoniak. Ist dieser mittels Stroms aus erneuerbaren Energien hergestellt, ist der Wasserstoff, den das Ammoniak transportiert, grüner Wasserstoff.
Speicherung im Bündel für kleinere Mengen
Die Verwendung von Wasserstoff in Kleinmengen gewinnt in verschiedenen Anwendungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Von industriellen Prozessen über mobile Anwendungen bis hin zur dezentralen Energieversorgung eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
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