WASSER-STOFF
KLEINE FARBENLEHRE
Je nach Erzeugungsprozess wird zwischen grauem, blauem, grünem und türkisem Wasserstoff unterschieden:
Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen, zumeist aus Erdgas, gewonnen: Durch den Prozess der sog. Dampfreformierung wird Erdgas unter Hitze in Wasserstoff (H2) und CO2 umgewandelt. Das CO2 wird in die Atmosphäre freigesetzt.
Wird das CO2 bei der Entstehung abgeschieden und gespeichert, spricht man von blauem Wasserstoff. Dieser kann bilanziell als klimaneutral betrachtet werden.
Grüner, CO2-neutraler Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt: Mithilfe von Strom aus Erneuerbaren Energien wird in sog. „Elektrolyseuren“ Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zersetzt.
Türkiser Wasserstoff wird über die thermische Spaltung von Methan (sog. Methanpyrolyse) erzeugt. Neben Wasserstoff entsteht fester Kohlenstoff. Das Verfahren ist nur dann klimaneutral, wenn der Hochtemperaturreaktor mit Erneuerbaren Energien gespeist und der freigesetzte Kohlenstoff dauerhaft gebunden wird.
Vor allem grünem Wasserstoff wird eine zentrale Rolle für die Transformation zur Klimaneutralität eingeräumt. Aus Sicht der Bundesregierung wird neben grünem Wasserstoff auf dem europäischen und globalen Markt auch CO2-neutraler blauer und türkiser Wasserstoff eine Rolle spielen. Dieser kann als Übergangstechnologie genutzt werden.
EINSATZMÖGLICHKEITEN
Das Gas eignet sich für verschiedenste Anwendungsbereiche und kann in diesen entweder direkt oder indirekt eingesetzt werden.
Mobilität
Im Verkehrssektor kann grüner Wasserstoff in reiner Form zur Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden.
Mit Brennstoffzellen ausgerüstete Fahrzeuge können im PKW- und LKW-Bereich, aber auch im ÖPNV und in der Logistik (z. B. Gabelstapler) elektrobetriebene Fahrzeuge ergänzen.
Ferner lassen sich aus grünem Wasserstoff synthetische Brenn- und Kraftstoffe erzeugen (Power-to-Liquid).
Diese können z. B. im Flug- und Schiffsverkehr, im ÖPNV oder im Schwerlaststraßenverkehr fossile Brennstoffe ersetzen.
Industrie
Grüner Wasserstoff kann zur Erzeugung von Prozesswärme genutzt werden, vor allem wenn elektrothermische Alternativen
(z. B. Elektrodenkessel) an ihre Grenzen stoßen. In der Chemieindustrie findet das Gas u. a. Einsatz bei der Herstellung von Grundchemikalien wie Ammoniak, Methanol, Ethylen oder Propylen. In Raffinerien kann das erneuerbare Gas grauen Wasserstoff ersetzen, der u. a. zur Entschwefelung der Vorprodukte von Diesel und Benzin eingesetzt wird. In der Stahlindustrie kann das Gas anstelle von Kohlenstoff eingesetzt werden, um Eisenerze zu reduzieren und diese anschließend zu Stahl weiterzuverarbeiten (sog. Carbon Direct Avoidance). In der Zementindustrie lassen sich abgefangene CO2-Emissionen aus dem Produktionsprozess mit Wasserstoff in verwertbare Chemikalien umwandeln (CCU).
Energie- und Wärmesektor
Zugleich lässt sich Wasserstoff als Energiespeicher nutzen: Strom aus Erneuerbaren Energien, der nicht direkt verwendet werden kann, kann in Wasserstoff umgewandelt oder zu synthetischem Methan weiterverarbeitet werden (Power-to-Gas). Der Wasserstoff bzw. das Methan kann in den bestehenden Gasinfrastrukturen gespeichert, transportiert und bei Bedarf wieder bereitgestellt werden.
Wird das eingespeiste Gas zu Heizzwecken eingesetzt, spricht man von Power-to-heat.
Im stationären Bereich lässt sich in sog. Brennstoffzellenheizungen oder H2-Blockheizkraftwerken reiner Wasserstoff „rückverstromen“.
POLITISCHER RAHMEN
Die deutsche Bundesregierung hat im Juni 2020 ihre nationale Wasserstoffstrategie vorgelegt.
Der Wasserstoffbedarf wird von der Regierung bis 2030 auf 90 bis 110 TWh geschätzt.
Heute liegt der Verbrauch für stoffliche Herstellungsverfahren bei 55 TWh.
Bis 2030 sollen Erzeugungsanlagen mit einer Leistung von 5 GW bis zu 14 TWh grünen Wasserstoff in Deutschland erzeugen. Bis 2040 sollen weitere 5 GW zugebaut werden.
Ein erheblicher Teil des Wasserstoffbedarfs muss folglich durch Importe abgedeckt werden. Zu diesem Zweck strebt die Regierung die Etablierung eines europäischen Wasserstoff-Binnenmarkts sowie die Entwicklung internationaler Partnerschaften an.
Die EU hat Anfang Juli 2020 ihre Wasserstoffstrategie vorgelegt. Bis 2024 möchte die EU Elektrolyseure mit einer Leistung von mindestens 6 GW und einer Erzeugung von bis zu 1 Mio. Tonnen grünem Wasserstoff unterstützen. Bis 2030 wird eine zusätzliche Elektrolyseleistung von 40 GW und eine Erzeugung von bis zu 10 Mio. Tonnen Wasserstoff anvisiert.
HERAUSFORDERUNGEN
Für die Erzeugung von grünem Wasserstoff wird eine große Menge an Erneuerbarem Strom benötigt. Für die bis 2030 anvisierten national produzierten 14 TWh Wasserstoff sind 20 TWh Erneuerbarer Strom erforderlich.
Die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoffprojekten hängt maßgeblich von der Belastung des genutzten Stroms mit Steuern, Abgaben und Umlagen ab. Mit ihrer Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung eine Befreiung der Wasserstoffproduktion von der EEG-Umlage angekündigt.
Um große Mengen an Wasserstoff erzeugen zu können, bedarf es sehr leistungsfähiger Elektrolyseure. Diese müssen zugleich möglichst tolerant gegenüber schwankenden Stromversorgungsbedingungen sein.
Ferner bedarf es der erforderlichen Infrastrukturen, wie z. B. Wasserstoffpipelines. In diesem Kontext wird darüber diskutiert, Teile der Gasinfrastruktur für den Wasserstofftransport umzurüsten. Der Entwurf des Netzentwicklungsplans Gas 2020-2030 sieht vor, bis 2030 rund 1.100 km Erdgasleitungen auf den Transport von reinem Wasserstoff umzustellen. 94 km Leitungen für den Wasserstofftransport sollen komplett neu verlegt werden. In industriellen Ballungsgebieten werden teilweise bereits separate Wasserstoffnetze betrieben.
Bei der Beimischung von Wasserstoff in bestehende Erdgasnetze, gilt es Toleranzgrenzen bei den Verbrauchern (z. B. Industrie und Erdgasfahrzeuge) und den angeschlossenen Anlagen (z. B. Heizgeräte) zu berücksichtigen.
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