Wissenswertes
Wissenswertes zu Wasserstoff
Die Bundesregierung hat ein Update der Nationalen Wasserstoffstrategie beschlossen. Es soll Deutschlands Einstieg in einer Wasserstoff-Wirtschaft beschleunigen und konkretisieren. 15 Fragen und Antworten, um mitreden zu können.
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. Grüner Wasserstoff ist deshalb CO₂-frei.
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. Er gilt als CO₂-frei.
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.
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.
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.
Relevant ist Wasserstoff im Verkehr überall dort, wo Elektrifizierung in absehbarer Zeit nicht möglich ist oder relevante Nachteile hat. Hier gibt es zwei Alternativen: Erstens Brennstoffzellen, die mit Wasserstoff einen Elektromotor antreiben und wasserstoff-basierte E-Fuels, die wie Benzin, Diesel und Kerosin eingesetzt werden können.
Den Einsatz von auf Wasserstoff und Strom basierten Kraftstoffen (E-Fuels) sieht das Update der Nationalen Wasserstoffstrategie vor allem im Flug-, Schiffs- und für Spezialanwendungen vor; Brennstoffzellen in LKW, Bussen und Bahnen.
Das Bundesforschungsministerium fördert die Produktion von E-Fuels mit CO₂ aus der Luft und Strom im Rahmen des Wasserstoff-Leitprojekts H2Mare und des Kopernikus-Projekts P2X. Brennstoffzellen fördert das Bundesforschungsministerium zum Beispiel im Rahmen der Wasserstoff-Grundlagenforschung und in internationalen Forschungs-Kooperationen.
Das Update der Wasserstoffstrategie schafft die Grundlagen dafür, Wasserstoff in der Wärmeversorgung rechtlich und technisch möglich zu machen. Für die kommenden Jahre ist jedoch davon auszugehen, dass Wasserstoff im Bereich Wärme eine untergeordnete Rolle spielen wird. Grund hierfür ist die Existenz alternativer, marktreifer Heiz-Technologien.
Eine Tonne Wasserstoff enthält eine Energiemenge von 33.330 Kilowattstunden. Das entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Strom-Energieverbrauch von 11 Drei-Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus (ohne Durchlauferhitzer). Allerdings kann diese chemische Energie nicht zu 100 Prozent in nutzbare Energie umgewandelt werden. Auf dem Weg zum Verbraucher geht je nach Nutzungspfad ein Teil der Energie verloren.
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.
Die genauen Kosten sind derzeit noch nicht absehbar. Sicher ist allerdings, dass Grüner Wasserstoff umso günstiger wird, je günstiger sich erneuerbarer Strom produzieren lässt und je weiter die Entwicklung der Wasser-Elektrolyse fortschreitet.
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 BMBF, die eine deutsch-afrikanische Wasserstoff-Partnerschaft vorbereiten. Weitere Wasserstoff-Partnerschaften sind unter anderem mit Kanada, den USA und Neuseeland initiiert.
Je nach Menge des transportierten Wasserstoffs sind unterschiedliche Transportmethoden sinnvoll. Für große Mengen über kurze Distanzen sind Wasserstoff-Leitungen die beste Option. Für mittlere und längere Distanzen bieten sich andere Methoden an. So lässt sich Wasserstoff auch unter hohem Druck, verflüssigt, gebunden an eine Trägerflüssigkeit oder in Form von Wasserstoff-Folgeprodukten transportieren. Allerdings hat jede Methode ihre Vor- und Nachteile. So gehen bei allen Transportmethoden Teile der transportierten Energie verloren. Zudem sind einige Transportmethoden einfacher handhabbar als andere. Das Wasserstoff-Leitprojekt TransHyDE befasst sich daher umfassend mit der Testung und Weiterentwicklung von Wasserstoff-Transportmethoden. Dabei forscht das Projekt auch zu der Frage, welche Methode wann in welchem Umfang am besten geeignet ist.
Kein Brennstoff hat eine so hohe Energiedichte wie Wasserstoff. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält eine Energiemenge von 33,3 Kilowattstunden. Zum Vergleich: Ein Kilo Heizöl enthält eine Energiemenge von 9,8 bis 11,4 Kilowattstunden. Trotzdem gibt es eine Herausforderung beim Wasserstoff: Bei normalen Temperaturen und normalem Luftdruck verteilt sich die Energie des Wasserstoffs auf ein großes Volumen. In einem Liter Wasserstoff stecken dann gerade einmal 3 Wattstunden Energie. Deswegen braucht es innovative Technologien für den Wasserstofftransport und die Wasserstoffspeicherung, die diese Eigenschaften berücksichtigen.
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:
- Ausreichende Verfügbarkeit von Wasserstoff
- H2-Infrastruktur
- Etablierung von H2-Anwendungen
- 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.
Die bisher größte Initiative des Bundesforschungsministeriums bilden die Wasserstoff-Leitprojekte. Darin entwickeln Wirtschaft und Wissenschaft gemeinsam Lösungen, um Hürden auszuräumen, die eine deutsche Wasserstoffwirtschaft noch behindern. Sie bringen Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion in die Serienfertigung, testen die Wasserstoffproduktion auf hoher See und entwickeln Technologien zum Wasserstofftransport weiter. Das Großprojekt Carbon2Chem macht aus Abgasen der Stahlproduktion Vorläufer für Kunst- und Kraftstoffe, das Kopernikus-Projekt P2X stellt aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid Kunststoff, Spezialchemikalien und synthetische Kraftstoffe her. Daneben gibt es eine Vielzahl von Projekten der Wasserstoff-Grundlagenforschung. Sie sollen den Wasserstoff-Technologien von morgen und übermorgen beim Sprung raus aus dem Labor rein in die Wirtschaftlichkeit helfen. Dabei suchen sie Antworten auf grundlegende Fragen der Wasserstoffwirtschaft und legen so die wissenschaftliche Basis für neue Produkte und Anwendungen.
Eine Übersicht der wichtigsten Projekte des BMBF zum Thema Wasserstoff finden Sie hier.