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Wasserstofftechnologien

In der Funktion als Energieträger kann Wasserstoff ein Schlüssel zur klimaneutralen Energiewende sein. Ein wesentlicher Ausgangspunkt dafür bilden unterschiedlichste Technologien, mit deren Hilfe eine ganzheitliche Nutzung von Wasserstoff in den unterschiedlichsten Bereichen möglich ist. Eine Voraussetzung ist dabei eine effiziente und CO2-freie Wertschöpfungskette. Dazu sollte nach aktuellem Stand der Kenntnisse der sogenannte grüne Wasserstoff Einsatz finden.

 

Arten des Wasserstoffes

Aktuell wird vorrangig in folgende Arten des Wasserstoffes unterschieden:

  • Grauer Wasserstoff entsteht aus vorrangig aus Erdgas durch Reformierungsverfahren. Die Basis bildet demnach ein fossiler Brennstoff. Zur Gewinnung des Wasserstoffes wird Erdgas durch zusätzliche Wärme in das klimaschädliche Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff umgewandelt. Das entstehende CO2 wird in der Atmosphäre freigesetzt.
  • Blauer Wasserstoff wird durch das gleiche Verfahren wie grauer Wasserstoff erzeugt, jedoch erfolgt eine Speicherung oder Nutzung des entstehenden CO2. Die Klimaneutralität dieses Verfahrens wird unterschiedlich bewertet.
  • Türkiser Wasserstoff wird durch die thermische Spaltung von Methan (Methanpxrolyse) gewonnen. Statt dem gasförmigen CO2 entsteht bei diesem Prozess Kohlenstoff im festen Aggregatszustand. Diese Wasserstoffproduktion könnte durch den ausschließlichen Einsatz von erneuerbarer Energie und der dauerhaften Bindung des Kohlenstoffes CO2-neutral gestaltet werden. Jedoch sollte auch hierbei die Emissionsentstehung bei der Förderung des Ausgangsstoffes Methan Berücksichtigung finden.
  • Grüner Wasserstoff entsteht durch den ausschließlichen Einsatz von erneuerbarer Energie. Verfahren zu Erzeugung des grünen Wasserstoffes sind z. B. die Elektrolyse, die Reformierung von Biogas, die Vergasung oder Vergärung von Biomasse.

Darüber hinaus können weitere Unterscheidungen möglich sein:

  • Rote, rosa oder violette Wasserstoff entsteht, wenn Elektrolyseure mit Atomstrom betrieben werden.
  • Brauner Wasserstoff entsteht durch die Nutzung des Energieträgers Kohle.
  • Gelber Wasserstoff wird unter dem Einsatz eines Energiemixes aus z. B. erneuerbarer und fossiler Energie erzeugt. Ebenso wird als gelber Wasserstoff aber auch für der Erzeugung Wasserstoff in Verbindung mit Kernenergie bezeichnet.
  • Weißer Wasserstoff liegt vor, wenn dieser in natürlichen Lagerstätten vorkommt oder als Abfallprodukt durch andere chemische Verfahren entsteht.
  • Photosynthetischer Wasserstoff, derzeitig noch ohne Farbe, kann durch unterschiedliche Verfahren gewonnen werden, die derzeitig im Labor getestet werden – z. B. durch die direkte solare Wasserspaltung mit Tandem-Solarzellen oder auch mit Hilfe von Cyanobakterien (Baualgen).

 

Wertschöpfungskette

Beim Umgang mit Wasserstoff in der Funktion als Energieträger ist das Ziel eine klimaneutrale, effiziente und effektive Wertschöpfungskette, die alle bestehenden und zukünftigen Anforderungen der Unternehmen, der Gesellschaft und der Umwelt erfüllen kann. Dabei sind im Rahmen der Wertschöpfungskette für den grünen Wasserstoff wesentliche Aspekte:

  • die Herstellung
  • die Speicherung
  • der Transport
  • die Anwendung

In diesen einzelnen Bereichen finden unterschiedlichste Technologien Anwendung, die teilweise bereits in der Industrie Einsatz finden, erprobt werden bzw. noch in der Entwicklung sind.

Herstellung

Zentraler Ausgangspunkt der Wertschöpfungskette für den grünen Wasserstoff ist die Elektrolyse. Mit Hilfe von Strom wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet. Der entstandene gasförmige Wasserstoff kann u. a. in die bestehende Infrastruktur eingespeist werden. Grundlegende Voraussetzung für die Klimaneutralität und CO2-Freiheit ist die Anforderung, dass der eingespeiste Strom aus erneuerbarer Energie stammt. Dadurch kann die Energie des überschüssigen Stromes mit Hilfe des Wasserstoffes gespeichert werden. Derzeitig wird das Verfahren der PEM-Elektrolyse häufig eingesetzt. Weitere Möglichkeiten sind u. a. die AEL-Elektrolyse und die HTE-Elektrolyse.

 

Neben der Elektrolyse kann grüner Wasserstoff mit biochemischen Verfahren gewonnen werden. Dies sind z. B. die Reformierung von Biogas, die Vergasung von Biomasse, die Vergärung von Biomasse. Der entstandene Wasserstoff wird auch als Biowasserstoff bezeichnet.

 

Speicherung

Bei der Speicherung von Wasserstoff wird das Ziel verfolgt alle Eigenschaften des Wasserstoffes zu erhalten. Für die Speicherung sind die Phasen der Einspeicherung, die befristete Lagerung und die Ausspeicherung zu berücksichtigen. Prinzipiell folgende Unterscheidung der Speicherungen möglich:

  • physikalische Wasserstoffspeicher
  • gebundene Wasserstoffspeicher

Physikalische Wasserstoffspeicher

Diese konventionellen Methoden wird prinzipiell zwischen Druckgasspeichern und Flüssiggasspeichern unterschieden. In Druckgasspeichern kann Wasserstoff gasformig aufbewahrt werden. Die Speicherdichte wird durch den Druck erhöht. Aktuell sind Drücke bis zu 100 MPa üblich. In Flüssiggasspeichern wird Wasserstoff im flüssigen Aggregatszustand bei -253 °C in Kryotanks gespeichert. Durch die tiefen Temperaturen erfolgt eine Erhöhung der Speicherdichte. Eine Weitere Möglichkeit bietet der Einsatz von Kryodruck-Tanks, die sich jedoch noch in der Entwicklung befinden.

Gebundene Wasserstoffspeicher

Beim Einsatz von gebundenen Wasserstoffspeichern wird die chemische oder physikalische Bindung des Wasserstoffes mit einem anderen Stoff genutzt. Hierbei kann in Festkörper-Speicherung (hydride Speicherung), chemische Speicherung, Kohlenstoffbasierte Speicherung und die Speicherung in flüssige organische Wasserstoffträger unterschieden werden. Zu diesen Themen werden derzeitig viele Forschungsprojekte bearbeitet.

Untergrundspeicherung von Wasserstoff – Karvernen

Bei der Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff in der Funktion als Energieträger und zur Sektorenkopplung ist es auch notwendig sehr große Menge von Wasserstoff zu speichern. Eine Möglichkeit könnten Kavernen bieten. Ein erstes Pilotprojekt wurde dazu bereits in Deutschland gestartet.

 

Transport

Wasserstoff könnte prinzipiell durch Pipelines oder mit Hilfe von Behältern transportiert werden. Der Transport über Pipelines bietet sich insbesondere für große Mengen an. Die vorhandene Infrastruktur bietet eine Ausgangsbasis für die weitere Entwicklung. Die bestehenden Pipelines sind nachzurüsten. Für eine zuverlässige Versorgung ist das Netz auszubauen. Ein Transport in Behältern ist mit Hilfe von unterschiedlichsten Transportmitteln möglich – vom Schwerlasttransporter, Tankwagen, Zug bis hin zum Schiff. Für die aktuelle Phase des Hochlaufes wird dies Art des Transportes eine bedeutsame Rolle tragen.

 

Anwendung

Die Nutzung von Wasserstoff weist ein sehr breites Spektrum auf und nimmt ständig zu.

 

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