Wie funktioniert die Erzeugung von Wasserstoff?

Das Element Wasserstoff (H2) ist, anders als beispielsweise fossile Brennstoffe, auf der Erde in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden. Allein dadurch könnte es in Zukunft zu einer der wichtigsten Ressourcen des Energiesektors werden. Wichtig zu wissen ist dabei: Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe Energie gespeichert und transportiert werden kann.

Wasserstoff kommt fast ausschließlich in chemischen Verbindungen wie Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffen und anderen organischen Verbindungen vor, aus denen er erst gelöst werden muss. Je nach dem dabei angewandten Verfahren ist der gewonnene Wasserstoff dadurch klimafreundlich oder aufgrund der bei diesem Vorgang entstehenden CO₂-Emissionen klimaschädlich.

Die Verfahren, die zur Erzeugung von Wasserstoff angewendet werden, bestimmen, ob er umweltfreundlich oder -schädlich ist. Für eine einfache Unterscheidung und Kategorisierung wurden den verschiedenen Wasserstoffarten unterschiedliche Farben zugeordnet: Grau, Blau, Türkis und Grün. Während des Herstellungsprozesses von grauem Wasserstoff werden nicht nur fossile Brennstoffe als Ausgangsstoffe verwendet. Beim sogenannten Dampfreformierungsprozess wird außerdem CO₂ freigesetzt, das in die Atmosphäre entweicht. Dadurch ist grauer Wasserstoff der klimaschädlichste Energieträger.

Blauer Wasserstoff wird ebenfalls mittels Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen erzeugt. Im Unterschied zum grauen Wasserstoff werden jedoch die dabei entstehenden CO₂-Emissionen mittels CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) getrennt und gespeichert. Sie entweichen nicht in die Atmosphäre. Auch türkiser Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, die Pyrolyse verhindert hierbei jedoch, dass sich gasförmiges CO₂ bildet. Stattdessen entsteht als Nebenprodukt fester Kohlenstoff, der gelagert oder weiterverwendet werden kann. Die Kombination aus Elektrolyse und erneuerbaren Energien macht den grünen Wasserstoff zu einem klimafreundlichen Energieträger und darum so interessant für die Energiewende. Denn bei diesem Herstellungsprozess entsteht kein schädliches CO₂.

Wasserstoffautos: Das erste Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb gab es bereits vor mehr als 200 Jahren. Der französische Offizier François Isaac de Rivaz beschäftigte sich zunächst mit Dampfmaschinen und entwickelte 1807 schließlich einen Verbrennungsmotor, der als Treibkraft ein Gemisch aus Wasserstoff, Luft und Steinkohlegas nutzte. Mittlerweile hat sich bei dieser Technologie der Brennstoffzellenantrieb gegenüber dem Verbrennermotor durchgesetzt, was die Fahrzeuge in gewisser Weise zu E-Fahrzeugen macht. Denn der Antrieb funktioniert wie ein umgedrehter Elektrolyseur: Wasserstoff wird mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Wasser und Strom aufgespalten, Letzterer treibt einen Elektromotor an.
 

Wasserstoffschiffe: Transportrouten zu Wasser werden auch in Zukunft nicht an Bedeutung verlieren. Bereits jetzt werden laut Umweltbundesamt 90 Prozent des globalen Warenverkehrs über die Weltmeere verschifft. Eine enorme Umweltbelastung. Um dieser entgegenzuwirken, haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) das Antriebskonzept „HyMethShip“ entwickelt, bei dem Wasserstoff aus Methanol gewonnen wird und das unter anderem für große Seefrachter geeignet ist.

Wasserstoffflugzeuge: Das Thema nachhaltige Mobilität betrifft vor allem den Flugverkehr. Kein anderes Verkehrsmittel ist so umweltschädlich wie das Flugzeug. Laut Umweltbundesamt liegen die CO₂-Emissionen hier bei 284 Gramm pro zurückgelegtem Kilometer. Grüner Wasserstoff könnte zukünftig einerseits direkt als Treibstoff dienen oder andererseits in synthetisches Kerosin weiterverarbeitet werden, das sich in heutigen Flugzeugmodellen vertanken ließe.

Industrie: 2021 war die Industrie mit einem Anteil von 24 Prozent Deutschlands zweitgrößter CO₂-Produzent. Besonders die Produktion von Stahl, Treibstoff und Chemikalien könnte durch den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger wesentlich umweltfreundlicher werden.

Es gibt verschiedene Methoden der Wasserstoffgewinnung. Das derzeit am weitesten entwickelte Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist das sogenannte Reformierungsverfahren mit Dampf. Dabei wird fossilen Energieträgern wie Erdgas, Benzin oder Kohle – meist als Nebenprodukt chemischer Industrieprozesse – durch die Zugabe von Wasserdampf in mehreren Schritten der Wasserstoff entzogen. Auch Methanol oder Biomasse können zur Wasserstoffherstellung genutzt werden. Bei der chemischen Reaktion entstehen neben Wasserstoff allerdings auch klimaschädliches CO₂, Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie Schwefeloxide.

Nicht mit Dampf, sondern unter Zugabe von Hitze spaltet das Pyrolyse-Verfahren beispielsweise Methan in die Bestandteile Wasserstoff und fester Kohlenstoff (C). Diese Methode zur Wasserstofferzeugung kann CO₂-neutral sein. Allerdings nur, wenn der Strom, der zum Betreiben des Hochtemperaturreaktors notwendig ist, aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Der entstandene Kohlenstoff ist in seiner festen Form langfristig gebunden und kann etwa im Straßenbau oder der Werkstoff- und Bauindustrie sinnvoll weiterverwendet werden.

Ein weitaus umweltfreundlicheres Verfahren ist die Elektrolyse. Hier wird Wasser (H₂O) mit einer Flüssigkeit versetzt, die den Ionentransport ermöglicht. Unter Einsatz von Strom wird es danach im Elektrolyseur in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Dabei wandert der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol, der Wasserstoff zum negativ geladenen. Die elektrische Energie des Stroms geht nicht verloren, sondern wird in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Damit der Wasserstoff tatsächlich umweltfreundlich und klimaneutral ist, sollte der Elektrolyseur ausschließlich mit Ökostrom betrieben werden.