Möglichst grün – Erzeugung von Wasserstoff

Damit ein Elektrolyseur klimaneutralen Wasserstoff erzeugen kann, muss er mit regenerativem Strom betrieben werden. In Deutschland sorgen dafür derzeit vor allem Windräder und Solarzellen: 2020 deckte die Photovoltaik 10,4 Prozent, die Windenergie sogar 27 Prozent des Strombedarfs – wobei sich in Norddeutschland (mitsamt den Offshore- Anlagen in Nord- und Ostsee) annähernd die Hälfte der installierten Windenergieleistung befindet. Weitere regenerative Stromquellen sind Wasserkraft und Biomasse. Zusammengenommen decken all diese erneuerbaren Energien mittlerweile rund die Hälfte des bundesdeutschen Strombedarfs.

International könnten auch andere erneuerbare Quellen eine wichtige Rolle spielen: Länder wie Norwegen oder einige zentralafrikanische Staaten verfügen über beträchtliche Wasserkraft-Ressourcen. In Island und in Ostafrika ließe sich mithilfe der Geothermie (Erdwärme) CO₂-freier Strom im großen Maßstab gewinnen. Und Ozean-Anrainer wie Schottland könnten künftig mit Wellenkraftwerken und Strömungsturbinen Energie gewinnen – auch wenn diese Technologien derzeit noch nicht marktreif sind.

Zwar liefert auch die Kernenergie CO₂-freien Strom. Aber da Deutschland aus der Atomkraft aussteigt, stellt sie zumindest für die heimische H₂-Erzeugung keine Alternative dar. Auch global gesehen, zweifelt die Fachwelt immer mehr daran, dass die Kernenergie nennenswert zur Wasserstoffproduktion beitragen kann. Denn mittlerweile ist der Strom aus Windrädern und Solarzellen so günstig, dass sich der Bau neuer Meiler im Grunde nicht mehr rechnet.

Klar ist: Um grünen Wasserstoff in großen Mengen herstellen zu können, braucht es weltweit einen massiven Ausbau der regenerativen Energien. Denn der Bedarf ist beträchtlich: Allein für Deutschland wird er gemäß der Nationalen Wasserstoffstrategie für 2030 auf drei Millionen Tonnen geschätzt.¹  Rein rechnerisch bräuchte es für die Erzeugung dieser Menge rund 10.000 Windräder. 2050 könnte der Jahresbedarf sogar bei über 20 Millionen Tonnen liegen, wobei die derzeitigen Schätzungen stark schwanken.

Zurück zu "Themen auf dieser Seite"

Derzeit ist grüner Wasserstoff noch relativ teuer, seine Herstellungskosten liegen bei etwa sieben bis neun Euro pro Kilogramm. Die Höhe der Kosten hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab: Der Preis für den regenerativ erzeugten Strom macht etwa zwei Drittel der Erzeugungskosten aus, ein Drittel wird von den Kosten für die Elektrolyseure verursacht. Wind- und Sonnenstrom sind in den vergangenen Jahrzehnten stetig wirtschaftlicher geworden. Auch künftig dürften sie dank des technischen Fortschritts immer günstiger werden, etwa durch eine neue Generation von Solarzellen mit deutlich höherer Effizienz. Dagegen sollten sich die fossilen Energien aufgrund steigender CO₂-Abgaben schrittweise immer weiter verteuern.

Auch bei den Elektrolyseuren gibt es viele Ansatzpunkte, um die Kosten zu senken. Bislang werden sie lediglich in Kleinserien hergestellt, die Fertigung ist mit viel Handarbeit verbunden. Doch der Bedarf an Elektrolyseuren wird steigen. Heute liegen typische Geräteleistungen bei weniger als einem Megawatt. Doch nun sind Anlagen mit Leistungen von 100 Megawatt und mehr geplant. So auch im Hamburger Hafen. Bis 2030 soll in Deutschland eine Gesamtkapazität von zehn Gigawatt installiert sein. Dafür ist eine industrielle Serienfertigung nötig, an der die Branche nun arbeitet. Beispielsweise im Rahmen von „H2Giga“, einem von der nationalen Wasserstoffstrategie geförderten Projekt. Das sollte die Herstellungskosten deutlich reduzieren.

Außerdem sind weitere technische Innovationen zu erwarten: So versuchen die Hersteller, den Anteil an teuren Edelmetallen wie Platin und Iridium in den Anlagen stetig zu verringern. Auch der Wirkungsgrad, der bislang bei etwa 70 Prozent liegt, sollte sich merklich steigern lassen, etwa durch den Einsatz neuartiger Katalysatoren. Grundsätzlich gibt es drei Typen von Elektrolyseuren – jeder mit bestimmten Stärken und Einsatzfeldern.

Der Bedarf an grünem Wasserstoff dürfte in den kommenden Jahrzehnten deutlich steigen. Mit Blick auf Deutschland rechnet die Bundesregierung für das Jahr 2030 mit einem Bedarf von drei Millionen Tonnen, 2050 könnte er in der Größenordnung von 20 Millionen Tonnen liegen. Selbst wenn die Bundesrepublik Windkraft und Solarenergie in Zukunft stark ausbaut – solche Mengen dürften sich allein durch eine heimische Erzeugung kaum herstellen lassen, zumal zukunftsträchtige Technologien wie Wärmepumpen und Elektroautos ebenfalls grünen Strom benötigen.

Deshalb gehen die meisten Fachleute davon aus, dass wir Wasserstoff in großem Maßstab importieren werden – ähnlich wie Deutschland auch heute den Löwenanteil seines Erdöl- und Erdgasbedarfs aus dem Ausland bezieht. Denn in manchen Regionen der Welt lässt sich Wasserstoff deutlich kostengünstiger herstellen als in Mitteleuropa: In sonnenreichen Gebieten wie Nordafrika und dem Nahen Osten könnten riesige Solarfarmen leistungsstarke Elektrolyseure mit preiswertem grünen Strom versorgen. Das dafür nötige Wasser müsste zum Großteil aus Meerwasser-Entsalzungsanlagen kommen, die sich aber ebenfalls mit grünem Strom betreiben ließen.

Wasserstoff-Import in großem Maßstab wahrscheinlich notwendig

Länder wie Chile oder Argentinien weisen ein enormes Windpotenzial auf, hier könnten riesige Windparks als regelrechte H₂-Fabriken fungieren. Und Standorte wie Australien haben sowohl viel Sonne als auch jede Menge Wind. Im Prinzip könnte sich der grüne Wasserstoff in diesen Regionen zu den halben Kosten erzeugen lassen als in Deutschland mit seinen beschränkten Wind- und Solarressourcen. Wichtig erscheint allerdings, dass künftige Produktionsländer den Wasserstoff nicht nur für den Export bereitstellen, sondern ihn auch nutzen, um das eigene Energiesystem klimaneutral umzugestalten.

Um diesen grünen Wasserstoff bei uns zu nutzen, müsste man ihn aus der Ferne nach Deutschland transportieren. Für relativ kurze Distanzen wie nach Nordafrika kommen dafür Pipelines in Frage, bei längeren Entfernungen müsste der Transport per Schiff erfolgen.

Hierbei ließe sich der Wasserstoff entweder in gekühlter und verflüssigter Form an Bord nehmen oder aber als sogenanntes Derivat, also an einen anderen Stoff gebunden: Zur Diskussion stehen Methanol, Ammoniak oder spezielle Ölverbindungen, sogenannte LOHC. Bei diesen schiffsbasierten H₂-Transporten dürften die norddeutschen Häfen als zentrale Verteiler-Hubs fungieren und so eine wichtige Rolle in der künftigen Wasserstoffwirtschaft spielen.

Blauer und türkiser Wasserstoff entsteht nicht per Wasserspaltung mit Hilfe von regenerativen Energien, sondern aus Erdgas. Im Unterschied zur konventionellen Produktion von grauem Wasserstoff soll dabei jedoch kein CO₂ in die Atmosphäre gelangen. Stattdessen soll das Kohlendioxid beim blauen Wasserstoff abgeschieden und in den Erdboden verpresst oder als Rohstoff für die Industrie genutzt werden. Bei der Herstellung von türkisem Wasserstoff wird das Erdgas in einem Reaktor bei hohen Temperaturen gespalten (Methanpyrolyse). Dabei entsteht neben Wasserstoff auch fester Kohlenstoff in Form von Ruß. Dieser soll entweder industriell verwertet oder luftdicht deponiert werden – etwa in alten Kohlebergwerken. Allerdings ist diese Methode weniger effizient als die Herstellung von blauem Wasserstoff und befindet sich zudem noch im Entwicklungsstadium. Schätzungen zufolge dürfte sie frühestens 2030 einsatzreif sein – vorausgesetzt, die Pilotversuche erfüllen bis dahin die Erwartungen.

Die Befürworter sehen in diesen Methoden mögliche Brückentechnologien. Denn bis auf der Welt nennenswerte Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff entstanden sind, dürfte es noch geraume Zeit dauern. Bis dahin könnten blauer und türkiser Wasserstoff einspringen, um die zwischenzeitlichen Bedarfe zu decken und für einen erfolgreichen Markthochlauf der Wasserstoffwirtschaft zu sorgen. Zudem besteht die Hoffnung, dass blauer und türkiser Wasserstoff zumindest eine Zeitlang kostengünstiger herzustellen sind als grüner Wasserstoff.

Als Ergänzung zu den etablierten Verfahren wie der Elektrolyse arbeiten zahlreiche Forschungsgruppen an neuen Herstellungsmethoden für eine grüne H₂-Produktion. Zwar befinden sich diese Entwicklungen noch im Forschungsstadium, könnten aber die künftige Wasserstoffversorgung maßgeblich unterstützen.

Zurück zu "Themen auf dieser Seite"