Wasserstoffwirtschaft: Der Energieträger der Zukunft wird heute entwickelt

Die Folgen des globalen Klimawandels machen sich immer stärker bemerkbar. Deshalb muss der Anteil an sauberen, nachhaltigen Energiequellen steigen. Wasserstoff bietet als Energieträger viele Vorteile und hat das Potenzial, mit der Wasserstoffwirtschaft die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir unsere Welt mit Energie versorgen.

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element des Periodensystems. Allerdings ist Wasserstoff nicht frei verfügbar, sondern muss durch chemische Verfahren hergestellt werden. Sein hoher Energiegehalt und seine CO₂-Emissionsfreiheit machen ihn zu einer nachhaltigen und überzeugenden Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen für die Energiespeicherung und Stromerzeugung.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff entsteht nur Wasserdampf, und mit verschiedensten Produktionsverfahren kann Wasserstoff nach Bedarf hergestellt, gespeichert und verbraucht werden. Hinzu kommt, dass Wasserstoff transportiert werden kann, auch wenn das mit großen Herausforderungen verbunden ist. Das erhöht seine Flexibilität und Zuverlässigkeit als beständige Energiequelle.

Wie bei den meisten Brancheninitiativen sind jedoch die Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft und die Einführung wasserstoffbetriebener Prozesse mit einigen Herausforderungen verbunden. Sie betreffen insbesondere die fehlende Infrastruktur und fehlende gesetzliche Regelungen.

Einer der ersten Schritte zum Verständnis der Wasserstoffwirtschaft besteht darin, sich die verschiedenen Möglichkeiten anzusehen, wie Wasserstoff gewonnen oder produziert wird. Jede von ihnen hat andere finanzielle, nachhaltigkeitsbezogene und rechtliche Folgen.

Wie jedes Verbrauchsgut kann auch Wasserstoff nur so sauber und umweltfreundlich sein wie sein Produktionsverfahren. Zur Kennzeichnung der Umweltfreundlichkeit von Wasserstoff wird eine Farbcodierung verwendet. Auf der Palette gibt es zwar noch mehr Farben, aber dies sind die wichtigsten Alternativen, wobei Methan der Hauptbestandteil von Erdgas ist.

• Grauer Wasserstoff: Das derzeit gängigste Produktionsverfahren ist die Gewinnung von grauem Wasserstoff aus Erdgas durch Methandampfreformierung (SMR) oder autotherme Reformierung (ATR). Diese Verfahren sind zwar kosteneffizient, setzen aber beide erhebliche Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre frei. Dadurch werden die meisten Umweltvorteile bei der Nutzung von grauem Wasserstoff als Brennstoff zunichte gemacht.
• Blauer Wasserstoff: Ähnlich wie beim grauen Wasserstoff, wird er mit SMR- und ATR-Verfahren aus Erdgas hergestellt, jedoch werden zusätzlich Technologien zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CCS) eingesetzt. Sie dienen dazu, die bei der Produktion entstehenden CO₂-Emissionen abzuscheiden und zu binden. Dank CCS gilt dieses Verfahren als nachhaltiger, ist aber auch teurer. ATR ist für die Herstellung von blauem Wasserstoff besser geeignet, da der erzeugte CO₂-Strom reiner ist als beim SMR-Prozess.
• Grüner Wasserstoff: Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt. Bei diesem Verfahren wird Strom aus sauberen Energiequellen wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft genutzt, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Dieses Verfahren verursacht keine CO₂-Emissionen und ist damit die nachhaltigste Option. Problematisch sind hier jedoch die Produktionskosten und die ausreichende Verfügbarkeit erneuerbarer Energie.
• Türkiser Wasserstoff: Eine neue Technologie zur Herstellung von türkisem Wasserstoff ist die Methanpyrolyse. Hierbei wird Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Dieses Verfahren befindet sich zwar noch in der Entwicklung, bietet aber eine emissionsarme Alternative zu grauem Wasserstoff, wenn das Nebenprodukt fester Kohlenstoff effektiv genutzt oder gebunden wird.

Die Wasserstoffwirtschaft steckt zwar noch in den Kinderschuhen, nimmt aber allmählich Gestalt an und zeichnet sich durch ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial für eine breite weltweite Einführung aus. Wasserstoff ist bereits ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher industrieller Prozesse, von der Ammoniakproduktion für Düngemittel bis hin zu Raffinerieprozessen für Erdölprodukte.

Im Verkehrssektor gewinnen wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge an Bedeutung. Sie bieten eine emissionsfreie Transportalternative und können innerhalb von Minuten statt Stunden und damit wesentlich schneller betankt werden als batteriebetriebene Fahrzeuge. Wasserstoff kann auch in stationären Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden, um Haushalte und Unternehmen zuverlässig mit Strom zu versorgen, vor allem in abgelegenen Gebieten und Regionen mit begrenztem Netzzugang.

Darüber hinaus ist Wasserstoff ein effizientes Energiespeichermedium, das sich insbesondere dafür anbietet, die in Spitzenzeiten erzeugte, überschüssige erneuerbare Energie für eine spätere Nutzung zu speichern. Batterien eignen sich vor allem als kurzfristiger Energiespeicher. Dagegen ist Wasserstoff als Langzeitspeicher für große Energiemengen ideal für eine saisonale Speicherung, um Schwankungen in der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen auszugleichen. Im Vergleich zu Batteriespeichern sind Wasserstoffspeicher deutlich kleiner und leichter und verlieren im Laufe der Zeit praktisch keine Energie.

Energie aus Wasserstoff als Ergänzung zur Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen wird zur Bewältigung vieler drängender Klimaprobleme beitragen, vor denen die Menschheit und unser Planet heute stehen, besonders im Hinblick auf Treibhausgasemissionen. Im Zuge des weiteren Ausbaus der Wasserstoffwirtschaft haben Unternehmen die Möglichkeit, den Klimawandel zu begrenzen und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.

Darüber hinaus erhöht Wasserstoff die Energiesicherheit durch eine Diversifizierung der Energieversorgung. Dies verringert die Abhängigkeit von konventionellen Energiequellen, die zunehmend von geopolitischen Entwicklungen beeinflusst werden. Die Wasserstoffwirtschaft bietet die Möglichkeit, Innovationen zu fördern, neue Industriezweige und Arbeitsplätze zu schaffen und das Wirtschaftswachstum über die gesamte Wertschöpfungskette anzuregen. Bei wasserstoffbetriebenen Industrieprozessen entstehen zudem weniger Luftschadstoffe. Dies verbessert die Luftqualität, insbesondere in dicht besiedelten Gebieten, und kommt damit der öffentlichen Gesundheit zugute. 

Trotz der positiven Aspekte stehen einer umfassenden Einführung von Wasserstoff als Energieträger mehrere Hindernisse im Wege. 

Grüner Wasserstoff bietet zwar eine emissionsfreie Option für den Betrieb von Infrastrukturen, ist aber in der Energieerzeugung nach wie vor deutlich teurer als herkömmliche fossile Brennstoffe. Die Reduzierung der Produktionskosten von grünem Wasserstoff ist eine der wichtigsten Voraussetzungen zur Förderung der Wasserstoffwirtschaft. 

Blauer Wasserstoff verursacht deutliche höhere Produktionskosten als grauer Wasserstoff. Um seine Nutzung zu fördern, werden daher entsprechende Anreize benötigt. 

Darüber hinaus fehlt eine robusten und gut ausgebaute Infrastruktur für Produktion, Speicherung, Transport und Verteilung von Wasserstoff. Die Umsetzung dieser Aspekte erfordert erhebliche Investitionen in den Aufbau neuer und die Anpassung bestehender Infrastrukturen, um Wasserstoff sicher und effizient zu handhaben. Unerlässlich ist auch das Vertrauen der Öffentlichkeit und die Akzeptanz von Wasserstofftechnologien in industriellen und verbrauchernahen Prozessen. Dazu müssen Aufklärungskampagnen durchgeführt werden, die über die Vorteile von Wasserstoff informieren, auf Sicherheitsbedenken eingehen und mit Mythen aufräumen.

Schließlich müssen Sicherheitsprotokolle und Vorschriften in der gesamten Wertschöpfungskette, von Produktions- und Speicherverfahren bis hin zum Transport und der Endnutzung, allgemein bekannt sein und verstanden werden. Die Aufsichtsbehörden spielen eine wichtige Rolle, und zwar sowohl bei der Aufklärung der derzeitigen und der potenziellen Wasserstoffnutzer als auch bei der Schaffung von Anreizen für eine Einführung von Wasserstoff als Energieträger. 

Regierungen und Aufsichtsbehörden spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung des Aufbaus einer florierenden Wasserstoffwirtschaft durch gezielte Maßnahmen und Anreize. Konkret sind es oft CO₂-Steuern, Gutschriften für den Einsatz erneuerbarer Energien oder Systeme für Emissionszertifikate, die grüne Energie aus wirtschaftlicher Sicht attraktiver machen. In den USA enthält der Inflation Reduction Act von 2022 zum Beispiel Steuergutschriften für die Nutzung sauberer Energie und weitere Regelungen, um die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen im Land zu steigern. Inzwischen haben sich Japan und Südkorea zur Kohlenstoffneutralität bis 2050 verpflichtet, und die gesamte Europäische Union folgt diesem Beispiel.

Neben den politischen Maßnahmen finanzieren die Regierungen Forschungs- und Entwicklungsprojekte. Sie sind von entscheidender Bedeutung für die Reduzierung der Produktionskosten von grünem und blauem Wasserstoff, Effizienzverbesserungen bei Wasserstofftechnologien und die Erforschung neuer Anwendungen dieses vielseitigen Energieträgers. Öffentliche Mittel und Anreize können die Bereitstellung von Wasserstofftankstellen, Pipelines und Speichern beschleunigen und somit eine solide Infrastruktur schaffen, die eine umfassendere Einführung unterstützt.

Öffentliche Stellen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Einführung von präzisen Sicherheitsprotokollen und Regelungen für die Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Die Stärkung dieser Verfahren ist sehr wichtig, um die öffentliche Sicherheit zu gewährleisten und Vertrauen in Wasserstofftechnologien aufzubauen.

Da die Wasserstoffwirtschaft noch in den Anfängen steckt, wird es in Zukunft vielleicht sogar noch weitere Anwendungsmöglichkeiten geben. Branchen wie die Stahl- und Zementindustrie haben wegen ihrer energieintensiven Herstellungsverfahren einen großen CO₂-Fußabdruck. Um die Umweltbelastung zu verringern, suchen sie daher aktiv nach Möglichkeiten, Wasserstoff ergänzend zu Energie aus fossilen Brennstoffen zu nutzen.

Die Verringerung der CO₂-Emissionen in der See- und Luftfahrt, die beide stark von fossilen Brennstoffen abhängen, hat sich ebenfalls als Herausforderung erwiesen. Mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene Verbrennungsmotoren bieten jedoch eine potenzielle Lösung.

Um die Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre zu reduzieren, wird Wasserstoff auch in konventionelle, mit Erdgas betriebene Kraftwerke beigemischt. Gasturbinen der neuen Generation können inzwischen mit Wasserstoff als alleinige Brennstoffquelle betrieben werden, ohne dass Erdgas beigemischt werden muss.  

Für Endverbraucher kann Wasserstoff mit bis zu 20 % der Gesamtmischung zu Erdgas beigemischt und in Wohn- und Gewerbegebäuden genutzt werden, ohne dass Änderungen an vorhandenen Geräten erforderlich sind. Dies gilt z. B. für Heizungsanlagen, Öfen, Warmwasserbereiter und Wäschetrockner. So können CO₂-Emissionen reduziert und eine gesünderer Lebens- und Arbeitsumgebung gefördert werden. 

Eine robuste Wasserstoffwirtschaft kann nicht im Alleingang aufgebaut werden. Vielmehr erfordert sie eine kooperative Herangehensweise aller Akteure, darunter Hersteller, Lieferanten, öffentliche und private Forschungseinrichtungen, Regierungen und die Öffentlichkeit. Weitere Forschung und Entwicklung sind neben zusätzlichen Pilotprojekten unerlässlich, um Innovationen voranzutreiben, Kostenbarrieren abzubauen, technische Herausforderungen zu überwinden und die Sicherheit zu gewährleisten. 

Die Herausforderungen bleiben, aber die Nutzung von Wasserstoff bietet zahlreiche Vorteile für das weltweite Bestreben, die CO₂-Emissionen zu reduzieren und die heutige Energieversorgung durch nachhaltige grüne Energie zu ergänzen. Für eine höhere Akzeptanz sind kontinuierliche Forschung, Weiterbildung, technologische Innovationen und politische Einigkeit erforderlich. Aber Nutzung und Potenzial von Wasserstoff steigen ständig und bieten eine gute Möglichkeit, Industrien und anderen Bereichen saubere, zukunftsorientierte Energie zu liefern.