Wissenswertes zu Wasserstoff

Klimafreundlicher Wasserstoff ist zentral für das Erreichen der Pariser Klimaschutz-Ziele: Mit seiner Hilfe ist es möglich, Deutschlands größte Treibhausgas-Verursacher zu dekarbonisieren umzugestalten und gleichzeitig den Technologiestandort Deutschland zu stärken.

Wichtigster Anwendungsbereich ist die Industrie: Wasserstoff bietet hier die einzig wirtschaftliche Möglichkeit, bestimmte Prozesse der Chemieindustrie klimafreundlich zu gestalten und Kohle in der Stahlindustrie zu ersetzen. Zudem kann Wasserstoff in Industrien genutzt werden, die so viel Hitze brauchen, dass elektrische Alternativen zu teuer oder unmöglich sind.

Wasserstoff kann zudem als Kraftstoff im Verkehr eingesetzt werden – insbesondere dort, wo eine Elektrifizierung nicht sinnvoll oder möglich ist. Entweder, indem Wasserstoff und CO₂ zu sogenannten E-Fuels umgewandelt werden. Oder, indem Wasserstoff direkt als Treibstoff genutzt wird und Motoren oder Brennstoffzellen antreibt.

Denn mit Brennstoffzellen lässt sich Wasserstoff in Strom und Wärme umwandeln. Dadurch ließen sich auch Schwankungen im Stromnetz ausgleichen, Häuser beheizen und autark mit Strom versorgen.

Generell ist Wasserstoff immer ein farbloses Gas. Je nach seinem Ursprung trägt er allerdings verschiedene Farben in seinem Namen.

Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet. Deshalb entstehen bei der Herstellung von Grünem Wasserstoff keine CO₂-Emissionen.

Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung meist aus fossilem Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund 10 Tonnen CO₂ pro Tonne Wasserstoff. Das CO₂ wird in die Atmosphäre abgegeben. Diesen Wasserstoff gilt es durch klimafreundlichen Wasserstoff zu ersetzen.

Blauer Wasserstoff ist Grauer Wasserstoff, bei dessen Entstehung das CO₂ jedoch teilweise abgeschieden und im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage). Maximal 90 Prozent des CO₂ sind speicherbar.

Orangefarbener Wasserstoff ist auf Basis von Abfall und Reststoffen produzierter Wasserstoff. Es entstehen bei der Herstellung keine zusätzlichen CO₂-Emissionen.

Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Anstelle von CO₂ entsteht dabei fester Kohlenstoff, der entsprechend nicht in die Atmosphäre entweicht. Das Verfahren der Methanpyrolyse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.

Nur Grüner Wasserstoff ist wirklich und langfristig klimaneutral. Denn nur Grüner Wasserstoff ist in großem Maßstab und ohne fossile Rohstoffe produzierbar. Erdgas, das für Grauen, Blauen oder Türkisen Wasserstoff eingesetzt wird, muss gefördert werden. Dabei entstehen durch das Entwei-chen von gegenüber CO₂ 25-mal klimaschädlicherem Methan (CH4) teilweise erhebliche Emissionen. Zusätzlich fallen bei der Wasserstoffproduktion CO₂-Emissionen an. So fallen bei herkömmlichem (Grauem) Wasserstoff bei der Spaltung von Erdgas pro Tonne Wasserstoff rund zehn Tonnen CO₂ als Abfallprodukt an. Bei Blauem Wasserstoff wird dieses CO₂ zwar eingefangen und meist unterirdisch gespeichert – allerdings entweichen Teile des Gases bei Produktion, Transport und Speicherung.

Orangefarbener Wasserstoff ist bei Einhaltung bestimmter Produktionsweisen zwar auch klimaneutral – allerdings lässt sich orangefarbener Wasserstoff nicht in der Menge produzieren wie Grüner Wasserstoff. Bei der Deckung des deutschen Wasserstoff-Bedarfs wird orangefarbener Wasserstoff daher nur eine untergeordnete Rolle einnehmen. Zudem befindet sich seine Herstellung noch in der Entwicklung und ist noch nicht am Markt erhältlich.

Für die Industrie ist Wasserstoff besonders wichtig. Denn hier ist der Nutzen für das Klima besonders groß. So brauchen wenige Industrie-Abnehmer viel klimafreundlichen Wasserstoff und sparen dadurch riesige Mengen CO₂. Zudem gibt es eine Vielzahl von Industrie-Prozessen, die sich nur durch den Einsatz von klimafreundlichem Wasserstoff nachhaltig gestalten lassen. Diese Prozesse finden sich vor allem in der Stahl- und Chemieindustrie.

Beide Industrien werden daher im Rahmen von EU-Förderung umfangreich bei der Umstellung auf Wasserstoff unterstützt. Das Bundesforschungsministerium fördert im Bereich Stahl beispielsweise das Projekt Carbon2Chem, das mit Wasserstoff Chemikalien aus Abgasen gewinnt, und BeWiSe, das untersucht, wie sich ein Stahlwerk im laufenden Betrieb auf Wasserstoff umrüsten lässt.

Im Bereich Chemie fördert das Bundesforschungsministerium zudem das Kopernikus-Projekt P2X das aus Strom und CO₂ Spezialchemikalien und Kunststoffe herstellt, und CatLab, das besonders wichtige Katalysatoren für die Chemieindustrie entwickelt.

Es ist davon auszugehen, dass die Effizienz von serienmäßig hergestellten Elektrolyseuren zur Wasserstoff-Herstellung zunächst bei rund 70 Prozent liegen wird. Das heißt: Rund 70 Prozent der Energie, die für die Elektrolyse aufgewendet wird, wird auch in Wasserstoff gebunden. Allerdings sind derartige Elektrolyseure derzeit noch recht teuer in der Herstellung. Das Wasserstoff-Leitprojekt H2Giga arbeitet daher daran, die Produktion von Elektrolyseuren aufs Fließband zu bringen.

Ist der Marktstart jedoch erfolgt, gehen Experten sowohl von Kostensenkungen als auch von weiteren Effizienz-Steigerungen aus. Die Wissenschaftler des Kopernikus-Projekts P2X beispielsweise rechnen mit einer Effizienz von 85 Prozent in 2050.

Bis 2030 will Deutschland 10 Gigawatt Elektrolyse-Kapazität aufbauen. Der damit erzeugbare Wasserstoff reicht aus, um rund 30 bis 50 Prozent des deutschen Wasserstoff-Bedarfs 2030 zu decken. Den Rest muss Deutschland aus dem Ausland importieren. Dazu wird eine Wasserstoff-Importstrategie entwickelt. Diese erscheint voraussichtlich bis Ende 2023. Das Update der Nationalen Wasserstoffstrategie kündigt jedoch bereits an, dass bestehende Energiepartnerschaften in Wasserstoff-Wertschöpfungsketten umgewandelt werden sollen. Schon jetzt kooperiert Deutschland daher umfangreich, beispielsweise mit Australien und den Staaten West- und Südafrikas.

Mit Australien testet Deutschland sogar schon gemeinsame Lieferketten und prüft den Wasserstoff-Import über den Hafen von Rotterdam. Für über 30 afrikanische Staaten hat zudem ein Potenzialatlas analysiert, wo in Afrika die Produktion von Wasserstoff unter welchen Bedingungen günstig und sinnvoll ist. Hier laufen bereits sechs Projekte des BMFTR, die eine deutsch-afrikanische Wasserstoff-Partnerschaft vorbereiten. Weitere Wasserstoff-Partnerschaften sind unter anderem mit Kanada, den USA und Neuseeland initiiert.

Deutschland nimmt im Bereich der Technologie-Exporte weltweit eine Führungsposition ein. Die Entwicklung für die Energiewende wegweisender Wasserstoff-Technologien kann diese Position dauerhaft stärken und gegebenenfalls sogar ausbauen. Wasserstoff –Technologien „made in Germany“ sollen künftig in großem Stil exportiert werden. Dazu muss Deutschland entsprechende Anlagen zunächst im eigenen Land aufbauen und demonstrieren. Zudem gibt es auch in Deutschland Bereiche, in denen eigene Wasserstoff-Elektrolyseure sinnvoll eingesetzt werden können.

Zuletzt hat der russische Angriffskrieg gegen die Ukraine schmerzhaft aufgezeigt, dass starke Abhängigkeiten von einzelnen Energielieferanten schnell problematisch werden können.

In der ersten Fassung der Nationalen Wasserstoff-Strategie aus 2020 hat die Bundesregierung einen Fahrplan für den Markthochlauf einer Wasserstoff-Wirtschaft vorgelegt. Im enthaltenen Aktionsplan finden sich 38 Maßnahmen, mit denen eine schnelle und zielgerichtete Umsetzung der Strategie gewährleistet werden soll. Sechs der 38 Maßnahmen fallen primär in den Aufgabenbereich des BMBF:

Maßnahme 23: Erstellung einer Wasserstoff-Roadmap für Deutschland
Maßnahme 24: Demonstrationsprojekte zu internationalen Wasserstoff-Lieferketten
Maßnahme 25: Forschung und Innovation zum Thema Wasserstoff
Maßnahme 26: Innovationsfreundliche Rahmenbedingungen für Grünen Wasserstoff
Maßnahme 29: Ausbildung von Fachpersonal zum Thema Wasserstoff
Maßnahme 36: Erstellung eines Potenzialatlas Grüner Wasserstoff

Das Update der Wasserstoffstrategie vom Juli 2023 erhöht das Ambitionsniveau beim Einstieg in die Wasserstoff-Wirtschaft noch einmal und konkretisiert dessen Umsetzung. Dazu benennt das Update vier Handlungsfelder:

 

1. Ausreichende Verfügbarkeit von Wasserstoff
2. H₂-Infrastruktur
3. Etablierung von H₂-Anwendungen
4. Gute Rahmenbedingungen

 

Das Bundesforschungsministerium ist dabei für die Umsetzung verschiedener kurz-, mittel- und langfristiger Maßnahmen (mit-)verantwortlich. Die wichtigsten Maßnahmen zielen auf eine Weiterentwicklung der Wasserstoff-Leitprojekte sowie der Wasserstoff-Grundlagenforschung und die Ausbildung von Fachpersonal zum Thema Wasserstoff.