Was ist grüner Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff macht Schlagzeilen als der neueste große Trend der Energiewende. Was steckt dahinter? Wofür wird grüner Wasserstoff verwendet? Und wie wird er hergestellt?

Wir stehen vor einer echten technologischen Herausforderung, wenn wir die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf den Planeten begrenzen wollen. Unsere rasante wirtschaftliche und soziale Entwicklung geht mit einem gefährlichen Anstieg unseres CO₂-Fußabdrucks einher, der das Klimagleichgewicht und damit die Ökosysteme sowie das Leben auf unserem Planeten bedroht. Eine Realität, der wir uns glücklicherweise jeden Tag mehr bewusstwerden und der wir als Gesellschaft mit verschiedenen Lösungsansätzen Einhalt gebieten wollen. Diese sollen es ermöglichen, die Verschmutzung und Zerstörung der Erde zu beenden und gleichzeitig eine Verbesserung der Lebensqualität aller Menschen zu erreichen.

In den vergangenen Jahrzehnten konnten dank Investitionen in Innovation und Technologie bereits diverse Lösungen entwickelt werden, die der Erzeugung grüner Energien, der Verringerung von Umweltverschmutzung oder der Reduktion von Emissionen dienen. Man versucht – wenn auch noch nicht mit dem notwendigen globalen Konsens – ein enorm wichtiges Problem für die Menschheit selbst und für den Planeten in den Griff zu bekommen. Auf diese Weise haben wir in den vergangenen zehn Jahren revolutionäre Veränderungen in Bereichen wie dem Verkehr erlebt, in dem zwei Protagonisten (wieder-)geboren wurden: das Elektrofahrzeug (es sei daran erinnert, dass die ersten Fahrzeuge von Elektromotoren und nicht von Verbrennungsmotoren angetrieben wurden) und das Wasserstofffahrzeug. Genau auf diesen letzten Punkt möchten wir uns konzentrieren. Was ist Wasserstoff oder, noch komplexer, grüner Wasserstoff? Und wie kann er den Verkehrssektor verändern?

Wie bereits bekannt, hinterlässt jede Aktivität einen Fußabdruck. Das wird in unserem derzeitigen Mobilitätsmodel deutlich, welches auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe beruht. Ob Diesel, Benzin oder Kerosin (vor allem in der Luftfahrt) – Motoren, die auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe basieren, gewinnen mechanische Energie durch die chemische Energie eines verbrennenden Brennstoffs. Dies bedeutet, dass riesige Mengen an umweltschädlichen Gasen und Partikeln wie Stickoxide, Kohlenmonoxide, Kohlendioxide sowie andere flüchtige organische Verbindungen und Mikropartikel unterschiedlicher Art in unsere Atmosphäre gelangen und unsere Gesundheit und Umwelt schädigen.

Aus diesem Grund versuchen wir seit Jahren, Alternativen zu diesen fossilen Brennstoffen zu finden, um sie in unseren Fahrzeugen zu verwenden. Eine Suche, die in den letzten Jahrzehnten zur Einteilung dieser alternativen Technologien in zwei Hauptgruppen geführt hat:

• Elektromotoren: Ihr Betrieb basiert auf einem oder mehreren Elektromotoren, die, von Batterien gespeist, Widerstand erzeugen und die kinetische Energie (Bewegung) in Wechselstrom umwandeln. Dieser wird durch den Gleichrichter wieder in Gleichstrom umgewandelt und wiederum in der Batterie gespeichert, um erneut verwendet zu werden.
• Wasserstoffverbrennungsmotor: Dieser arbeitet mit einer Brennstoffzelle, die sich an der Vorderseite des Fahrzeugs befindet und durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff, der von außerhalb des Fahrzeugs bezogen wird, Strom für den Antrieb erzeugt. Der Überschuss, der bei diesem Prozess entsteht, ist lediglich Wasserdampf. Wie dieser Wasserstoff hergestellt wird und wie sehr wir bei diesem Herstellungsprozess die Umwelt verschmutzen, ist eine andere Frage, weshalb die Art des verwendeten Wasserstoffs von großer Bedeutung ist. Hier kommt wieder der grüne Wasserstoff ins Spiel.

Wasserstoff und sein besonderer Regenbogen

Wie bereits erwähnt, ist die Produktion und/oder Erzeugung von Wasserstoff in diesem Prozess so wichtig, dass sie den CO₂-Fußabdruck, den wir mit dem Einsatz jeder Technologie verursachen, vollständig bestimmt. Wasserstoff ist keine Verbindung, die in unserer natürlichen Umgebung frei aufgefangen werden kann. Er ist zwar vorhanden, aber nicht in der Menge oder Form, die für seine Gewinnung erforderlich ist. Der in der Chemie als „Energievektor“ bezeichnete Wasserstoff ist leicht und lässt sich gut speichern. Das bedeutet, dass zu seiner Gewinnung ein energieintensiver Prozess erforderlich ist, d. h. je nach verwendeter Energiequelle kann Wasserstoff einen unterschiedlich großen CO₂-Fußabdruck verursachen. Je umweltfreundlicher das Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff ist, desto umweltfreundlicher ist auch der Wasserstoff selbst.

Je nach Art der Herstellung existieren verschiedene Arten von Wasserstoff. So kann man diesen wie bei einem Kampfsportgürtel in acht farbliche Kategorien aufteilen (obwohl Wasserstoff selbst keine Farbe hat):

Schwarzer/brauner Wasserstoff

Er entsteht bei der Vergasung von Kohlenstoff durch die Verbrennung verschiedener kohlenstoffhaltiger Minerale wie Stein- oder Braunkohle. Im Rahmen des chemischen Prozesses werden verschiedene Schadstoffemissionen, darunter Kohlendioxid, in die Atmosphäre freigesetzt. Aus diesem Grund gilt er als die umweltschädlichste Art von Wasserstoff.

Grauer Wasserstoff

Dies ist die gängigste und am einfachsten herzustellende (und daher billigste) Wasserstoffvariante, bei der jedoch auch das meiste Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangt. Grauer Wasserstoff wird durch die sogenannte Dampf-Methan-Reformierung (SMR) durch Reaktion von fossilen Brennstoffen, insbesondere Erdgas, hergestellt.

Gelber Wasserstoff

Gelber Wasserstoff ist ein Wasserstoff, bei dem die für die Elektrolyse verwendete Elektrizität aus einer Vielzahl von Erzeugungsquellen stammt. Darunter sind solche, die auf erneuerbaren Energien basieren, sowie solche, die fossile Brennstoffe nutzen. Die Farbvariante bezieht sich zudem auf Wasserstoff, der mit Hilfe von Solarenergie erzeugt wird, obwohl dieser insgesamt unter grünen Wasserstoff fallen würde; man könnte gelben Wasserstoff als eine Schattierung von grünem Wasserstoff bezeichnen.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff ist definiert als Wasserstoff, der durch die Verwendung von Erdgas als Ausgangsstoff erzeugt wird. Dieses Verfahren ist besonders interessant, da bei der Verwendung von Erdgas Kohlendioxid abgetrennt und aufgefangen wird, um es in tiefen geologischen Formationen (Hohlräumen in der Erdkruste) zu speichern und anschließend für die Herstellung von Ökokraftstoffen zu verwenden. Es handelt sich um einen emissionsarmen Wasserstoff, der jedoch nicht als sauber bezeichnet werden kann.

Türkisfarbener Wasserstoff

Er wird durch ein revolutionäres, von dem japanischen Industrieunternehmen Ebara entwickeltes Verfahren gewonnen, mit dem das in Erdgas und Biogas enthaltene Methan durch Pyrolyse des Methans extrahiert werden kann. Der dabei entstehende Kohlenstoff geht in einen festen Zustand über und wird nicht in die Atmosphäre freigesetzt. Er muss nicht wieder aufgefangen und gelagert werden und kann für die Herstellung einer Reihe anderer nützlicher kohlenstoffbasierter Produkte, z. B. Düngemittel, verwendet werden.

Dieser Produktionsprozess befindet sich jedoch noch in der Entwicklung, und türkisfarbener Wasserstoff kann nicht in gleichem Maße wie andere Wasserstofffarben bewertet und erzeugt werden.

Rosa Wasserstoff

Diese Art von Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei das Wassermolekül aufgespalten wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Mit einer großen Besonderheit: Die bei diesem Prozess verwendete elektrische Energie ist nuklear. Es handelt sich um einen nahezu vollständig nachhaltigen Wasserstoff, da sein ökologischer Fußabdruck nur mit der Kernenergie selbst zusammenhängt.

Grüner Wasserstoff

Diese Art von Wasserstoff ist heute unsere Hauptfigur. Er wird durch Elektrolyse hergestellt, bei der das Wassermolekül aufgespalten wird, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erhalten. Dabei wird nur Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet. Mit anderen Worten, grüner Wasserstoff ist der einzige, der mit 100 % sauberer Energie wie Photovoltaik (gelb), Wind- oder Wasserkraft gewonnen wird und keine direkte Emission von Kohlendioxid in unsere Atmosphäre verursacht.

Weißer Wasserstoff

Wenn wir von weißem Wasserstoff sprechen, meinen wir Wasserstoff, der in der Natur vorkommt, normalerweise in gasförmiger Form in der Atmosphäre und manchmal in unterirdischen Reservoirs. Das große Problem ist, dass es für diese Art von Wasserstoff keine entsprechende Technologie gibt, die es uns ermöglichen würde, ihn in großem Maßstab zu nutzen, sodass er für unsere Zwecke unbrauchbar ist.

Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?

Wie wir gesehen haben, gibt es eine Vielzahl von Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, die jedoch nicht alle als nachhaltig angesehen werden können. Um zu klären, wie H2 erzeugt wird, werden wir uns daher darauf konzentrieren, wie die Hauptfigur dieses Artikels, der grüne Wasserstoff, erzeugt wird.

Wasserstoff ist ein chemisches Element des Periodensystems – und zwar das erste in der Liste –, das in diesem Fall durch die Aufspaltung der Wassermoleküle (H2O) durch einen Prozess der Dissoziation dieser Moleküle unter Einwirkung von Elektrizität gewonnen wird. Dieser Prozess, der Elektrolyse genannt wird, trennt die Wasserstoffmoleküle von den Sauerstoffmolekülen, und im Fall von grünem Wasserstoff geschieht dies dank der elektrischen Energie, die durch eine beliebige erneuerbare Energiequelle (hauptsächlich Wind und/oder Photovoltaik) erzeugt wird.

Auf diese Weise wird der elektrische Strom im Elektrolyseur kontinuierlich angelegt, wofür wir den Strom zunächst mit Hilfe von Leistungselektronik und Gleichrichtern von Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln müssen. Damit diese Gleichrichter mit den richtigen Wechselstrom- und Spannungswerten aus dem Netz arbeiten können, müssen sie vor möglichen Veränderungen geschützt werden, weshalb wir Transformationszentren mit Schutzrelais sowie Transformatoren zur Spannungsabsenkung einsetzen. Dies macht sie zu Schlüsselelementen für den korrekten Betrieb und erfordert ein hohes Maß an Technologie und Innovation. Allerdings gibt es bei diesem Prozess zwei Dilemmas:

1. Wird der Elektrolyseprozess durch Anschluss an das Stromverteilungsnetz durchgeführt, so muss die Kopplung durch Verbindungs- und Trennungszentren mit den öffentlichen Verteilungsnetzen erfolgen.
2. Für den Fall, dass die Elektrolyse über Stromübertragungsnetze erfolgt, benötigen wir Umspannwerke, da wir den Strom von Hoch- auf Mittelspannung umwandeln müssen, um die Sicherheit des Prozesses und seinen korrekten Betrieb jederzeit zu gewährleisten.

In beiden Fällen besteht das Grundschema darin, dass eine Wassermenge X gespeichert und/oder zu einer Wasserstofferzeugungsanlage transportiert wird, die einen Elektrolyseur durchläuft, um mit Hilfe von elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen einem molekularen Trennungsprozess unterzogen zu werden, der die ursprüngliche molekulare Zusammensetzung aufbricht. Nach dieser Trennung wird der Sauerstoff für industrielle oder medizinische Zwecke gespeichert und/oder über die Atmosphäre aus dem Gleichgewicht gebracht, während der Wasserstoff in Lagertanks geleitet wird, wo er als komprimiertes oder verflüssigtes Gas für industrielle Zwecke oder zur Herstellung von Wasserstoffbrennstoffzellen aufbewahrt wird.

Dies ist der Weg, der es ermöglicht, einen einfachen Wassertropfen über die Infrastrukturen für erneuerbare Energien und Elektrizität in einen grünen, emissionsfreien Kraftstoff umzuwandeln. Aus diesem Grund ist die Entwicklung dieser Industrie so wichtig.