Günstige erneuerbare Energien könnten grünen Wasserstoff zu einem praktischen Ersatz für fossile Brennstoffe machen

Wasserstoff, der aus Strom aus Wind- oder Sonnenenergie hergestellt wird, könnte eine saubere und CO2-neutrale Energiequelle darstellen. Europa geht voran.

Franziska Barczyk

24. Februar 2021

10 Durchbruchtechnologien 2021: Grüner Wasserstoff


  • Warum es wichtig ist:

    Grüner Wasserstoff kann Erdgas, Diesel und Benzin ersetzen, die in Schiffen, Lastwagen, Bussen und Autos verwendet werden.




  • Schlüsselfiguren:

    •ThyssenKrupp

    • Holen Sie sich H2 Nucleus Nowega

    • Im Wasserstoff

    • Siemens


  • Verfügbarkeit:

    Jetzt

Wasserstoff ist ein attraktiver Kraftstoff. Ein Kilogramm Wasserstoff hat etwa dreimal so viel Energie wie eine vergleichbare Menge Diesel oder Benzin. Wenn es sauber und billig hergestellt werden kann, könnte es der Schlüssel sein, um eine Reihe kniffliger lebenswichtiger Sektoren zu bereinigen.

Heutzutage wird der meiste hergestellte Wasserstoff durch die Kombination von Erdgas mit Dampf bei hohen Temperaturen hergestellt. Es ist ein energieintensiver Prozess, der beträchtliche Mengen Kohlendioxid freisetzt, das wichtigste Treibhausgas, das den Klimawandel antreibt. Aber ein kleiner und wachsender Prozentsatz wird durch die Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile hergestellt, indem es mit Elektrizität gezappt wird, ein Prozess, der als Elektrolyse bekannt ist. Auch das kostet viel Energie, aber wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Sonnenenergie stammt, entstehen nur minimale Schadstoffemissionen.

Das Fortschrittsproblem

Diese Geschichte war Teil unserer März-Ausgabe 2021

  • Siehe den Rest des Problems
  • Abonnieren

Dieser sogenannte grüne Wasserstoff ist heute in der Herstellung etwa dreimal teurer als aus Erdgas gewonnener Wasserstoff (meistens Methan, dessen Moleküle aus einem Kohlenstoffatom mit vier Wasserstoffatomen bestehen). Aber das ist die Hälfte dessen, was es vor 10 Jahren gekostet hat. Und da die Kosten für Wind- und Solarenergie weiter sinken und Skaleneffekte bei der Produktion von grünem Wasserstoff einsetzen, könnte es viel billiger werden. Wenn das passiert, hat grüner Wasserstoff das Potenzial, ein Kernkraftstoff für eine dekarbonisierte Zukunft zu werden. Parallel dazu kann mit verbesserten Techniken zur Kohlenstoffabscheidung Wasserstoff aus Erdgas extrahiert werden, ohne dass so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Wasserstoff ist zum Teil wegen seiner Vielseitigkeit wertvoll. Es kann als Ersatz für fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas verbrannt werden. Diese Brennstoffe erzeugen bei der Verbrennung alle Kohlendioxid, während beim Verbrennen von reinem Wasserstoff in einer Turbine nur Wasserdampf entsteht. Allerdings katalysiert es aufgrund der hohen Temperaturen auch die Entstehung schädlicher Stickoxide. Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zu nutzen, sind Brennstoffzellen, die Wasserstoff mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser und Strom zu erzeugen – die Umkehrung der Elektrolyse –, ohne Stickoxide zu produzieren.

Wie sinkende Solarkosten die Hoffnungen auf sauberen Wasserstoff erneuert haben Während die Nationen hart rechnen, wie sie ihre Klimaziele erreichen können, erscheint grüner Wasserstoff zunehmend unverzichtbar.

Wasserstoff kann Fahrzeuge wie Autos, Busse, Züge und Flugzeuge antreiben, entweder durch Brennstoffzellen oder durch direktes Verbrennen. Die Verbrennung von Wasserstoff kann auch kohlenstofffreie Wärme für den Einsatz in Stahlwerken, Zementwerken und anderen Industrien liefern. Und grüner Wasserstoff kann den Wasserstoff ersetzen, der bereits als Rohstoff in Raffinerien und Düngemittelfabriken verwendet wird, und deren Kohlendioxidemissionen reduzieren. Einige Industriestandorte wie Stahlwerke und Chemiefabriken können den als Nebenprodukt erzeugten Sauerstoff ebenfalls nutzen.

Unabhängig davon, wie er hergestellt wird, bleibt die sichere und kostengünstige Speicherung und der Transport von Wasserstoff schwierig, insbesondere für einige vielversprechende Anwendungen wie die Luftfahrt. Aus diesem Grund besteht eine weitere Option darin, Wasserstoff mit Kohlenstoff zu kombinieren, der in einem Prozess namens Air Capture oder aus Schornsteinen aus der Atmosphäre gewonnen werden kann, um flüssige synthetische Kohlenwasserstoffkraftstoffe herzustellen, die einfacher zu handhaben sind als Wasserstoff. Diese flüssigen Kraftstoffe können ein sauberer, gleichartiger Ersatz für Benzin oder Diesel sein.

Wasserstoff kann auch verwendet werden, um Energie aus erneuerbaren Kraftwerken zu speichern, die dann wieder in Strom umgewandelt und ins Netz eingespeist werden kann, wenn der Wind nachlässt, Wolken aufziehen oder die Nachfrage steigt.

Bei so vielen Einsatzmöglichkeiten ist die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert, dass Wasserstoff bis 2050 über 10 % des weltweiten Energiebedarfs decken und mehr als 11 Millionen Gigawattstunden Energie pro Jahr produzieren könnte. Dafür werden mehr als 4 Billionen US-Dollar an Infrastruktur für die Produktion, Speicherung und den Transport von Wasserstoff benötigt.

Allein Europa strebt bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 40 Gigawatt an. (Das würde etwa 2 % der Prognose der IEA für 2050 ausmachen.) Seit Anfang [2020] gibt es eine Tsunami-Welle der Möglichkeiten. Es ist unglaublich, wie viele große und realistische Projekte auf uns zukommen, sagt Christoph Noeres, der das Geschäft mit grünem Wasserstoff bei Uhde Chlorine Engineers leitet, einer Tochtergesellschaft des deutschen Mischkonzerns ThyssenKrupp.

Wie grün war mein Tal

Wasserstofftäler – Regionale Projekte, die Elektrolyseanlagen dort platzieren, wo sie mehreren industriellen Zwecken dienen können – entstehen in ganz Europa. In der Nähe von Hamburg in Norddeutschland ist ThyssenKrupp Teil eines Konsortiums für grünen Wasserstoff im Wert von 89 Millionen Euro (107 Millionen US-Dollar), das von der Bundesregierung mit 30 Millionen Euro gefördert wird. Das geplante Projekt umfasst eine Raffinerie, ein Zementwerk, Stromgeneratoren und einen Offshore-Windpark.

Zunächst wird sein grüner Wasserstoff etwas grauen Wasserstoff – wie aus Erdgas gewonnener Wasserstoff manchmal genannt wird – ersetzen, der in der Raffinerie verwendet wird. Die deutsche Gruppe plant dann, Wasserstoff mit aus dem Zementwerk gewonnenem Kohlendioxid umzusetzen, um sowohl Methanol, ein chemisches Ausgangsmaterial, als auch synthetischen Kerosin herzustellen.

Etwa 240 Kilometer (150 Meilen) südwestlich wird ein weiteres Konsortium für grünen Wasserstoff stillgelegte Gaspipelines wiederverwenden, um Wasserstoffgas zu transportieren. Das Konsortium plant den Bau eines 100-Megawatt-Elektrolyseurs. Von dort aus soll Wasserstoff durch ein 130 Kilometer langes Netz in das industrielle Ruhrgebiet geleitet werden.

Zwei Arten von Elektrolyseuren stellen den meisten grünen Wasserstoff her. Alkalische Elektrolyseure tauchen Elektroden in mit Lauge oder Pottasche dotiertes Wasser; PEM-Elektrolyseure verwenden eine feste Membran, durch die Wasserstoffkerne strömen können.

Wenn diese Pipeline-Umnutzung funktioniert, könnten Elektrolyseure, die an alte Leitungen angeschlossen sind, schließlich grünen Wasserstoff für fast alle großen deutschen Industrien liefern. Das wird Deutschlands überlastetes Stromnetz entlasten und auch für windstille Dunkelzeiten eine Notstromversorgung bereitstellen.

2021

10 bahnbrechende Technologien

Weitere große Projekte laufen in den Niederlanden, Italien, Spanien, Frankreich, Großbritannien, Kanada, Australien, Japan und China an. Der Wasserstoff, den diese Projekte produzieren, wird zunächst teuer sein. Das Beratungsunternehmen McKinsey schätzt jedoch, dass grüner Wasserstoff bis 2030 dank billigerer Elektrolyse und erneuerbarer Stromerzeugung sowie steigender CO2-Kosten so billig wie grauer Wasserstoff sein wird.

Die Sonne scheint hell

Wenn Wasserstoff sein Potenzial voll ausschöpfen soll, wird die öffentliche Politik von entscheidender Bedeutung sein. Für den Anfang müssen Regulierungsbehörden oder Gesetzgeber Richtlinien einführen, um es bestehenden Erdgaspipelines zu ermöglichen, auch Wasserstoff zu transportieren – bekannt als Blending – und eine Reduzierung der CO2-Emissionen vorschreiben, um die Nachfrage nach Wasserstoff zu steigern.

Einiges davon geschieht bereits. Deutschland hat Ende letzten Jahres eine wichtige Änderung vorgenommen und die Produzenten von grünem Wasserstoff von der Zahlung bestimmter Stromzuschläge befreit. Dies war praktisch eine Anerkennung der Regierung, dass grüner Wasserstoff eine Erweiterung der erneuerbaren Wind- und Sonnenenergie ist. Andere in Deutschland und ganz Europa diskutierte Vorschriften würden gemäß der Erneuerbare-Energien-Richtlinie der Europäischen Kommission CO2-Reduzierungen in Raffinerien und Stahlwerken sowie in anderen Schwerindustrien erfordern.

Jack Brouwer, stellvertretender Direktor des Advanced Power and Energy-Programms an der University of California, Irvine, sagt, dass ähnliche Richtlinien erforderlich sind, um grünen Wasserstoff in den USA zum Laufen zu bringen, aber die Diskussionen haben gerade erst begonnen.

Während die europäischen Regierungen vorschreiben, dass Erdgaspipelines grünen Wasserstoff aufnehmen müssen – in den Niederlanden in Mengen von bis zu 12 Volumenprozent –, lehnen US-Gasbetreiber häufig eine Beimischung ab.

Das Blockieren der Wasserstoffmischung ist laut Brouwer ein ernsthaftes Hindernis. Kalifornien Bereits jetzt gibt es eine Regelung, die vorschreibt, dass ein Drittel des an Tankstellen gepumpten Wasserstoffs für Brennstoffzellenfahrzeuge aus erneuerbaren Quellen stammen muss. Aber derzeit ist es schwierig, grünen Wasserstoff zu bekommen. Brouwer sagt, wenn die Produzenten bestehende Erdgasleitungen als Verteilungsnetz nutzen könnten, könnten sie gewinnbringend mehr Elektrolyseure in abgelegenen Gebieten bauen, die besonders windig oder sonnig sind.

Auch technisch sind noch viele Hürden zu nehmen. Der Umfang an Wind- und Solarenergie, der benötigt wird, um ein globales Netzwerk von Elektrolyseanlagen zu betreiben, ist enorm. Brouwer macht den Fall dass eine nachhaltige Zukunft einfach unmöglich ist, ohne sich stark auf Wasserstoff zu verlassen. Er könnte einfach Recht haben.