Beitragsreihe Wasserstoff: Wie wird Wasserstoff produziert?

Spätestens seit der verabschiedeten nationalen Wasserstoffstrategie ist Wasserstoff in aller Munde. Auch an der FfE wird Forschung betrieben in Bezug auf den Beitrag von Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem. In aktuellen Projekten liegt u. a. der Fokus auf der nachhaltigen Erzeugung, dem Transport und der Verwendung von Wasserstoff sowie übergeordneten Themen der Marktentwicklung und Geschäftsmodelle.

Dieser Beitrag ist der zweite einer Reihe von sechs Beiträgen, die sukzessive in den kommenden Wochen erscheinen werden. In dieser Beitragsreihe werden die wichtigsten Aspekte zum Thema Wasserstoff kurz, verständlich und kompakt erläutert.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Thema der Produktion von Wasserstoff, also der Frage, wie heute und künftig Wasserstoff produziert wird. Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum, kommt jedoch auf der Erde beinahe ausschließlich gebunden mit anderen Elementen vor, beispielweise in Form von Wasser zusammen mit Sauerstoff. Typische fossile Energieträger wie Erdgas oder Erdöl sind sogenannte Kohlenwasserstoffe bestehen somit aus Kohlenstoff und Wasserstoff. [1]

Damit ist Wasserstoff ein sogenannter Sekundärenergieträger, der auf verschiedene Weisen gewonnen werden kann. Häufig werden diese verschiedenen Pfade der Wasserstofferzeugung nach Farben kategorisiert. Die wichtigsten Farben und Produktionspfade werden im Folgenden vorgestellt.

Der aktuell am häufigsten produzierte Wasserstoff ist der sogenannte graue Wasserstoff. Hierbei wird Wasserstoff von einem fossilen Kohlenwasserstoff, typischerweise Erdgas, abgespalten. Dies geschieht in der Regel mittels Dampfreformierung von Erdgas. Dabei reagiert das Erdgas mit Wasserdampf und es entstehen Wasserstoff und CO₂, welches in die Atmosphäre entweicht. Blauer Wasserstoff wird ebenfalls mittels Dampfreformierung erzeugt. Im Unterschied zum grauen Wasserstoff werden jedoch die dabei entstehenden CO₂-Emissionen mittels CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) abgeschieden und gespeichert. Somit entweicht das CO₂, das im Prozess entsteht, nicht in die Atmosphäre. Türkiser Wasserstoff wird ebenfalls aus fossilem Erdgas hergestellt. Hierbei kommt jedoch das Verfahren der Pyrolyse zum Einsatz. Es entsteht statt gasförmigem CO₂ fester Kohlenstoff, eine Gasabscheidung ist somit nicht notwendig. Sowohl bei blauem als auch türkisem Wasserstoff sind jedoch Emissionen der Produktion des Methans zu berücksichtigen. Grüner Wasserstoff wird auf Basis von erneuerbaren Energien hergestellt. Meist geschieht dies mittels Wasserelektrolyse, bei der Wasser unter Einsatz von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.  Diese Elektrizität stammt aus erneuerbaren Energien und dadurch kann der Wasserstoff CO₂-neutral hergestellt werden.

Neben den genannten Farben und Pfaden existieren noch weitere Herstellungspfade, auf die in diesem Beitrag nicht weiter eingegangen wird. Unter anderem existieren weitere auf fossilen Energieträgern basierende Produktionspfade für Wasserstoff, die jedoch keinen Beitrag zu Emissionsreduktionen liefern können. Wichtiger als die Farben des Wasserstoffs sind die spezifischen CO₂-Emissionen der verschiedenen Pfade, damit Wasserstoff einen Beitrag zum Klimaschutz leisten kann. Hierbei wird klar, dass grauer Wasserstoff kein Potenzial zur Reduktion von CO₂-Emissionen liefert. Bei blauem Wasserstoff kann ein Großteil der Emissionen abgeschieden werden und grüner Wasserstoff verursacht keine CO₂-Emissionen. Die Bundesregierung setzt in ihrer nationalen Wasserstoffstrategie künftig insbesondere auf grünen Wasserstoff. [2]

Wasserstoff liefert aktuell keinen Beitrag zum Klimaschutz. Er wird zu über 99% aus fossilen „grauen“ Quellen hergestellt, da CO₂-neutrale Produktionspfade nicht wettbewerbsfähig sind. Die globale Produktion von Wasserstoff verursacht jährlich 830 MT CO₂-Emissionen [3], was in etwa den gesamten jährlichen CO₂-Emissionen in Deutschland entspricht [4]. Grauer Wasserstoff ist die derzeit günstigste Art der Wasserstoffherstellung. Blauer Wasserstoff ist generell teurer in der Produktion als grauer Wasserstoff, da er zur Abscheidung des Kohlendioxids einen zusätzlichen Produktionsschritt benötigt. Grüner Wasserstoff ist aktuell die teuerste Variante zur Herstellung von Wasserstoff, bietet aber Potenzial für deutliche Kostenreduktionen, die künftig unter denen von blauem Wasserstoff liegen könnten. [3] Die Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff werden maßgeblich bestimmt durch drei Kenngrößen. Stromkosten, die Betriebsstunden bzw. Volllaststunden des Elektrolyseurs sowie die Investitionskosten für den Elektrolyseur. [5]

Grüner Wasserstoff kann künftig lokal hergestellt werden oder aus Gegenden importiert werden, wo eine günstigere Produktion möglich ist als in Deutschland. Grüner Wasserstoff kann dort am günstigsten hergestellt werden, wo grüner Strom in großen Mengen zu niedrigen Kosten verfügbar ist und ein Elektrolyseur mit hohen Volllaststunden betrieben werden kann.

Standorte mit solchen Eigenschaften sind beispielsweise Chile, Norwegen und Marokko. Dort sind Potenziale für erneuerbare Energien hoch und Stromgestehungskosten niedrig. [5] Auch die Bundesregierung sieht in ihrer nationalen Wasserstoffstrategie neben der nationalen Wasserstoffproduktion hohes Potenzial für Importe aus Gegenden, in denen erneuerbare Energien günstig produziert werden können. [2] Die lokale Produktion in Deutschland ist zwar teurer, bietet jedoch den Vorteil geringerer Transportkosten und könnte im Zuge stark sinkender Investitionskosten für Elektrolyseure attraktiver werden. In den folgenden Beiträgen dieser Beitragsreihe werden aktuelle deutsche und europäische Wasserstoffprojekte, sowie das Thema des Wasserstofftransportes vorgestellt.

Im Rahmen des Transferforschungsprojekts Trans4ReaL begleitet die FfE die Reallabore der Energiewende, bei denen unter anderem die Produktion grünen Wasserstoffs im industriellen Maßstab untersucht wird.

Weitere Informationen:

• Trans4ReaL – Transferforschung für die Reallabore der Energiewende zu Sektorkopplung und Wasserstoff
• Elektrolyse – Die Schlüsseltechnologie für Power-to-X

Literatur:

[1] Töpler J, Lehmann J (2017) Wasserstoff und Brennstoffzelle. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
[2] BMWi (2020) Nationales Reformprogramm 2020 – Die Nationale Wasserstoffstrategie.
[3] International Energy Agency – IEA (2019) The Future of Hydrogen.
[4] Umweltbundesamt (2021) Treibhausgas-Emissionen in Deutschland. https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgas-emissionen-in-deutschland#treibhausgas-emissionen-nach-kategorien.
[5] Pichlmaier S, Ebner M, Hench P, Hübner T (2020) Integration of Renewable Energies through the Production of Hydrogen under Investigation of Disruptive Developments in Investment Costs: A Techno-economic Evaluation.