h2facts - Teil 1
Im 1.Teil der Kampagne h2facts liegt der Fokus auf unterschiedlichen Erzeugungsarten von Wasserstoff. Erfahren Sie mehr über die Herstellungsverfahren und den CO2-Ausstoß bei der Produktion von Wasserstoff. |
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Entdeckung von Wasserstoff
Was ist Wasserstoff? Wasserstoff ist das häufigste Element auf der Erde. Über 90% aller Atome sind Wasserstoff-Atome und sind somit überall allgegenwärtig. So sind ca. 63% der Atome im menschlichen Körper Wasserstoffatome [1].
Bei dem Blick ins Periodensystem der Elemente ist Wasserstoff das erste Element mit der Ordnungszahl 1. Durch seinen Entdecker Henry Cavendish wurde im Jahr 1766 die englische Bezeichnung „hydrogen“ basierend auf einem Experiment festgelegt, bei dem Cavendish das farblose Gas mit Sauerstoff unter der Bildung von Wasser reagieren ließ. „Hydrogen“ bedeutet in diesem Fall „Element, das Wasser bildet“ [2].
Das erste Thema, welches im Rahmen der h2facts Reihe näher beleuchtet wird, ist die Produktion von Wasserstoff. Je nach Erzeugungsart werden verschiedene Farben unterschieden, die den sogenannte Wasserstoff-Regenbogen ergeben. Jeder Farbe wird dabei eine Energieart zugeordnet, welche zur Erzeugung des Wasserstoffs genutzt wird. Stand Januar 2022 gibt es jedoch keine offizielle Klassifizierung der Farben auf nationaler oder internationaler Ebene, wodurch sich keine einheitlich anerkannte Einordnung feststellen lässt [3].
Abbildung 1: Wasserstoff-Regenbogen (Quelle: Eigene Darstellung; HySON Institut)
In diesem Artikel werden die vier größten Gruppen der Wasserstoffherstellung in Deutschland sowie die Nebenprodukte, die bei der Produktion anfallen, allen voran das klimaschädliche CO2 vorgestellt [2].
Die Wasserstoff-Farblehre und CO2-Emissionen
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Grauer Wasserstoff wird durch fossile Kohlenwasserstoffverbindungen erzeugt. Am häufigsten zum Einsatz kommt dabei die Dampfreformierung von Erdgas, bei der fossiles Erdgas unter Hitze in Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) umgewandelt wird. Das entstehende CO2 wird ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den Treibhauseffekt. Durch die Dampfreformation wurden 2020 über 540.000 Tonnen Wasserstoff hergestellt, was einer Energiemenge von 18 Terrawattstunden (TWh) entspricht. Eine TWh entspricht 1 Milliarde Kilowattstunden. Zur Verbildlichung: Mit 1 TWh könnte ein modernes E-Auto eine Strecke zurücklegen, die 6 Mal so lang wäre, wie die Strecke von der Erde bis zum Mars und zurück. Insgesamt wurden im Jahr 2020 in Deutschland ein Wasserstoffäquivalent von 57 TWh erzeugt [4,5]. |
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Die Produktion von blauem Wasserstoff ist vergleichbar mit der Erzeugung von grauem Wasserstoff. Der Unterschied besteht darin, dass das freiwerdende CO2 abgeschieden, gespeichert und somit nicht in die Umwelt abgegeben wird (siehe Abbildung 2). Im englischen ist dieser Prozess unter carbon capture storage bekannt und wird CCS abgekürzt. Im Vergleich zu dem Herstellungsprozess ohne die Speicherung des CO2 verringern sich so die Emissionen um knapp 50 %. Die CO2-Emission lässt sich durch die autotherme Reduzierung erneut auf etwa 35 % der herkömmlichen Methan-Dampfreformierung senken. Dabei werden mehrere chemische Reaktionen miteinander gekoppelt, wodurch sich diese ergänzen und zu einer CO2-Einsparung führen. Das Erdgas reagiert dabei mit einer Mischung aus Luft und Wasserdampf zu Wasserstoff, wobei sich das entstehende CO2 noch leichter abtrennen lässt [4]. |
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Durch die thermische Spaltung von Methan, auch Methanpyrolyse genannt, entsteht türkiser Wasserstoff. Die Methanpyrolyse wird typischerweise bei Temperaturen über 1000 °C durchgeführt. Durch die thermische Spaltung entsteht hierbei gasförmiger Wasser- und fester Kohlenstoff. Letzt genannter ist auch unter der Bezeichnung Carbon Black bekannt und verfügt über vielfältige Einsatzmöglichkeiten, unter anderem auch für die Wasseraufbereitung [4]. |
Abbildung 2: Wasserstofferzeugungsarten und Nebenprodukte (Quelle: Eigene Darstellung; HySON Institut)
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Grüner Wasserstoff wird ausschließlich aus erneuerbaren Energien hergestellt, sodass keine umweltschädlichen Treibhausgase als Nebenprodukt entstehen, sondern Sauerstoff. Als Verfahren wird die Elektrolyse angewendet, wobei verschiedene Verfahren zur Verfügung stehen: Chlor-Alkali-Elektrolyse, Proton-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM) oder Hochtemperaturelektrolyse (SOEC). Grundsätzlich wird bei der Elektrolyse Wasser durch das Anlegen von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten [4]. Bei der alkalischen Elektrolyse wird der pH-Wert mit Kalilauge erhöht, wodurch im Dauerbetrieb gute Wirkungsgrade und eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle erreicht wird. Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise, die Eignung zum Druckbetrieb sowie eine hohe Dynamik bei schnellem Lastwechsel aus. Im Vergleich zu den bereits genannten Methoden werden bei der Hochtemperatur-Elektrolyse Temperaturen von ca. 800 °C benötigt. Diese Technologie ist zwar noch nicht im selben Maße ausgereift, allerdings besteht eine hohe Eignung für die Kopplung mit industriellen Prozessen. Es besteht zurzeit allgemein noch ein hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um leistungsfähige, langlebige und kostengünstige Produkte für das zukünftige Energiesystem bereitzustellen [4]. |
Warum wird nicht ausschließlich grüner Wasserstoff erzeugt, wenn hierbei kein CO2-ausgestoßen wird?
Die Produktionskosten von grauem Wasserstoff sind mit 4,5 Cent pro kWh (Stand 2020) im Vergleich zu grünem Wasserstoff günstig, wie in Abbildung 4 gezeigt. Dabei sind in einem Kilogramm Wasserstoff 33,3 kWh Energie enthalten. Somit entsprechen 30 Gramm Wasserstoff 1 kWh Energie. Auf die Masse bezogen kostet grauer Wasserstoff somit 1,50 € pro kg in der Produktion [6].
Abbildung 3: Produktionskosten von Wasserstoff nach Farblehre. (Quelle: [6], Eigene Darstellung)
Durch das Einfangen und Speichern von CO2 (CCS) erhöhen sich der Wasserstoff-Produktionspreis auf 6,3 Cent pro kWh oder 2,10 € pro kg, jedoch wird der CO2-Ausstoß reduziert. Grüner Wasserstoff wird derzeit in kleineren Mengen hergestellt und ist somit noch teuer in der Herstellung mit 16,5 Cent pro kWh oder 5,50 € pro kg. Damit der grüne Wasserstoff in Zukunft eine höhere Produktion erzielt als der Graue, muss er deutlich günstiger werden. Kurzfristige Maßnahmen sind zum Beispiel das Einfangen von CO2 aus den Abgasen bei der Produktion des grauen Sauerstoffs [6].
Lesen Sie hier h2facts Teil 2: Welche Eigenschaften hat Wasserstoff?
h2facts ist eine Kampagne des h2-well Innovationsmanagements.
Verfasser: Lea Mannsbart, Leonard Dette