Lösung zur Herstellung von grünem Wasserstoff

Im Allgemeinen kann Wasserstoff auf zwei Arten als Kraftstoff verwendet werden. Es kann verbrannt werden, um Wärme zu erzeugen, oder es kann in eine Wasserstoff-Brennstoffzelle eingespeist werden, um Strom zu erzeugen. Die gute Nachricht ist, dass blauer oder grüner Wasserstoff, sobald er hergestellt wurde, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten hat:
Verkehr:Vor allem in Japan wird Wasserstoff bereits zum Antrieb von Bussen und anderen öffentlichen Verkehrsmitteln eingesetzt. Es kann auch zum Antrieb von Lastkraftwagen und Zügen verwendet werden, während wasserstoffbasierte Kraftstoffe wie Ammoniak in der Luft- und Schifffahrt eingesetzt werden können. Eine breitere Nutzung von Wasserstoff zum Antrieb von Fahrzeugen wird davon abhängen, dass die Preise für Wasserstoff-Brennstoffzellen günstiger werden und dass Wasserstofftankstellen häufiger anzutreffen sind.

Energieerzeugung:Mit Wasserstoff lassen sich erneuerbare Energiequellen in einen Kraftstoff umwandeln, der dann gespeichert und über weite Strecken transportiert werden kann. Wasserstoff und Ammoniak können auch in Gasturbinen und Kohlekraftwerken eingesetzt werden, um deren Emissionen zu reduzieren.

Beheizung von Gebäuden:Wasserstoff hat ein großes Potenzial, Erdgas zur Beheizung von Wohn- und Gewerbegebäuden über die bestehende Erdgasinfrastruktur zu ersetzen. Wasserstoffkessel und Wasserstoff-Brennstoffzellen für Privathaushalte müssen weiterentwickelt werden, könnten aber in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Industrie:Wasserstoff wird derzeit in einer Vielzahl wichtiger industrieller Prozesse eingesetzt. Dazu gehören die Raffinierung von Benzin, die Herstellung von Stahl, die Behandlung von Metallen und die Herstellung einer Reihe von Chemikalien.

Im Gegensatz zu grauem Wasserstoff ist grüner Wasserstoff sowohl in seinem Ausgangsmaterial als auch in seiner Energieversorgung vollständig erneuerbar. Als Ausgangsmaterial wird grüner Wasserstoff heute typischerweise aus Wasser durch einen als Elektrolyse bekannten Prozess erzeugt, bei dem Wasser mithilfe eines elektrischen Stroms in seine Molekülbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Dies geschieht mit einem Gerät namens Elektrolyseur, das eine Kathode und eine Anode (positiv und negativ geladene Elektroden) verwendet. Bei diesem Prozess entsteht lediglich Sauerstoff – oder Dampf – als Nebenprodukt. Was die Energieversorgung betrifft, muss die für die Elektrolyse verwendete Stromquelle, um als „grüner Wasserstoff“ zu gelten, aus erneuerbarer Energie wie Wind- oder Sonnenenergie stammen.

Es gibt drei Haupttypen von Elektrolyseuren:Alkalisch, Protonenaustauschmembran (PEM) und Festoxid. Diese variieren in der Art des verwendeten Elektrolytmaterials. Alkalische Elektrolyseure verwenden eine wässrige Lösung mit einem alkalischen Salz, um die elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen, während PEM-Elektrolyseure eine feste Polymermembran (Elektrolyt) verwenden. Festoxid-Elektrolyseure verwenden festes Keramikmaterial als Elektrolyt, was ihnen einen Betrieb mit höherer elektrischer Effizienz und viel höheren Temperaturen ermöglicht. Dies ermöglicht die Nutzung von Dampf und Fremdwärme als Energiequellen statt auf Elektrizität angewiesen zu sein. Somit ermöglicht die Festoxidelektrolyse deutlich niedrigere Betriebskosten, da Wärme in der Regel kostengünstiger ist und manchmal auf natürliche Weise als Nebenprodukt bestimmter Industrieprozesse entsteht.

Vor Jahren galt Wasserstoff nur als Lösung für die Entwicklung umweltfreundlicherer Fahrzeuge. Da Elektrofahrzeuge immer mehr an Bedeutung gewinnen, wird Wasserstoff zunehmend als Lösung für andere Branchen angesehen.

Die Nachfrage nach Wasserstoff steigt weiter, da seine Nutzung in der Industrie und im verarbeitenden Gewerbe für eine Vielzahl von Zwecken, darunter Ölraffination, Stahlherstellung und Zementproduktion, zunimmt. Da Wasserstoff jedoch immer beliebter wird, kann die Bedeutung von grünem Wasserstoff nicht genug betont werden. Besorgniserregend ist, dass 98 % des Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, ohne dass es Kontrollen oder Vorschriften für die Kohlendioxidemissionen gibt. Doch grüner Wasserstoff hat das Potenzial, das zu ändern – und zwar endgültig.

Von Produktionsrauch aus kommerziellen Anlagen bis hin zu Abgasen von Benzin- und Dieselautos: Die Produktion von grünem Wasserstoff reduziert oder eliminiert den Bedarf an fossilen Energiequellen, die große Mengen Kohlendioxid in die Luft abgeben. Da Speichersysteme in der Rechenzentrumsbranche Wasserstoff entwickeln, kann dieser anstelle von dieselbetriebenen Notstromgeneratoren zur Energieversorgung zukünftiger Rechenzentren verwendet werden. Daraus ergeben sich zahlreiche Vorteile von grünem Wasserstoff, der es Regierungen und Organisationen ermöglicht, die nationale Energiesicherheit zu stärken, Kraftstoff zu sparen, Gesamtemissionen zu reduzieren und die Energieoptionen für den Transport von Autos bis hin zu ausgedehnten öffentlichen Verkehrssystemen zu diversifizieren.

Die Einführung der grünen Wasserstofftechnologie hätte zu keinem besseren Zeitpunkt erfolgen können. Die US Energy Information Administration prognostiziert, dass der weltweite Energiebedarf bis 2050 um 47 % steigen wird. Die einzige Möglichkeit, diesen Bedarf in Form der Öl- und Kohleenergieproduktion auszugleichen, ist die Einführung umweltfreundlicherer Methoden wie grüner Wasserstoff.

Und dank der technologischen Durchbrüche, die die Produktion von Wasserstoff im Wesentlichen dekarbonisiert haben, wenden sich viele Unternehmen CO2-Kompensationen zu, die grünen Wasserstoff nutzen, um ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren und anspruchsvolle ESG-Ziele zu erreichen.

Der Prozess der Erzeugung von grünem Wasserstoff bringt Vorteile mit sich. Die Internationale Energieagentur (IEA) gibt an, dass grüner Wasserstoff im Vergleich zur Herstellung des Gases mit herkömmlichen fossilen Brennstoffmethoden jährlich etwa 830 Millionen Tonnen Kohlendioxid einspart. Das entspricht den Emissionen eines ganzen Jahres aus Großbritannien und Indonesien zusammen!

Wie bei jeder neuen Technologie gibt es einige Herausforderungen zu meistern, wenn der grüne Wasserstoffboom Einzug hält. Zu berücksichtigen sind unter anderem die Prozesseffizienz und die Produktionskosten im großen Maßstab sowie die Einrichtung langfristiger Druckspeicherlösungen. Abgesehen von den Herausforderungen ist grüner Wasserstoff eine aufregende neue Technologie, die dazu beitragen könnte, die dringend benötigte Produktion grüner Energie in großem Maßstab auszugleichen.

Ein großer Teil der Abkehr von fossilen Brennstoffen besteht in der Elektrifizierung einiger unserer Alltagsmaschinen, die mit Öl und Gas betrieben werden – zum Beispiel Autos und Nahverkehr sowie in einigen Ländern die Heizung von Häusern. Bei bereits elektrifizierten Geräten wie Computern und Haushaltsgeräten ersetzen Strom aus Kernkraft und erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne die Kohle.

Es gibt jedoch Branchen, die so viel Energie benötigen, dass herkömmliche erneuerbare Energien ihren Bedarf nicht decken können. Das ist ein Problem, denn diese Branchen gehören zu den größten Emittenten von Treibhausgasen.

Hier sehen Experten großes Potenzial für grünen Wasserstoff.
„Elektrizität aus Quellen wie Wind-, Solar- und Atomkraft ist für die Dekarbonisierung unseres Energiesystems unerlässlich – allein kann dies jedoch nicht gelingen, und im Fernverkehr und in der Schwerindustrie sind die Emissionen am schwierigsten zu reduzieren“, sagte ein Energieanalyst der Internationale Energieagentur.

„Wasserstoff ist vielseitig genug, um einige dieser kritischen Lücken zu schließen – bei der Bereitstellung lebenswichtiger Rohstoffe für die Chemie- und Stahlindustrie oder entscheidender Bestandteile für kohlenstoffarme Treibstoffe für Flugzeuge und Schiffe“, sagte Remme gegenüber CNN.

Der Betrieb eines Flugzeugs oder eines großen Schiffes erfordert beispielsweise so viel Energie, dass jede Batterie, die zur Speicherung von Strom aus Sonne oder Wind verwendet wird, wahrscheinlich zu groß und zu schwer für das Schiff wäre. Grüner Wasserstoff hingegen kann in flüssiger Form vorliegen und ist leichter. Laut Airbus, das ein emissionsfreies Verkehrsflugzeug entwickelt, ist die Energiedichte von grünem Wasserstoff dreimal höher als die der heute verwendeten Flugzeugtreibstoffe.

Während flüssiger grüner Wasserstoff keinen Kohlenstoff ausstoßen würde, gibt es einige Einschränkungen. Beim Verbrennen in der offenen Atmosphäre wird eine kleine Menge Lachgas freigesetzt, ein starkes Treibhausgas. Wird der Wasserstoff jedoch durch eine Brennstoffzelle geleitet, gibt er nur Wasser und warme Luft ab.

Einige Kleinflugzeuge haben es geschafft, mit wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen zu fliegen, obwohl die Technologie noch nicht kommerziell genutzt wurde.

Derzeit sind alle Kräfte im Einsatz, um die Klimaziele zu erreichen. Die Energiewende braucht wirklich einen großen Schub. Wasserstoff kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Zusammenarbeit ist unerlässlich, um Wasserstoff erfolgreich einsetzen zu können, beispielsweise als Beitrag zur CO2-Reduktion in der Industrie, bei E-Fuels für Flugzeuge und beim Einsatz in der gebauten Umwelt. Aber es sind Investitionen nötig und es gibt Fragen.

Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist das häufigste Element in unserem Universum. Unter normalen Umständen ist es gasförmig und wir sprechen von Wasserstoffgas (H2). Wasserstoff ist zudem das leichteste uns bekannte Gas und weist daher eine geringe Energiedichte pro Volumeneinheit (in m3) auf. Pro Gewicht (in kg) hat Wasserstoff eine hohe Energiedichte von 120 Megajoule (MJ) pro kg. Das ist fast dreimal so viel wie Erdgas (45 MJ pro kg). Wasserstoff steht oft unter Druck. Das Unter-Druck-Setzen (Komprimieren) von Wasserstoffgas erfordert jedoch auch die erforderliche Energie (ca. 10 %).

Was ist grauer und blauer Wasserstoff?
Fast der gesamte derzeit weltweit produzierte Wasserstoff ist sogenannter „grauer Wasserstoff“. Die Produktion erfolgt derzeit über Steam Methane Reforming (SMR). Dabei reagiert Hochdruckdampf (H2O) mit Erdgas (CH4) zu Wasserstoff (H2) und dem Treibhausgas CO2. In den Niederlanden werden auf diese Weise etwa 0,8 Millionen Tonnen H2 produziert, wobei vier Milliarden Kubikmeter Erdgas verwendet werden und CO2-Emissionen von 12,5 Millionen Tonnen entstehen.
Der Begriff „blauer Wasserstoff“ oder „kohlenstoffarmer Wasserstoff“ wird verwendet, wenn das bei der Produktion von grauem Wasserstoff freigesetzte CO2 größtenteils (80-90 %) abgeschieden und gespeichert wird. Man nennt dies auch CCS: Carbon Capture & Storage. Dies könnte in leeren Gasfeldern unter der Nordsee passieren. Nirgendwo sonst auf der Welt wird blauer Wasserstoff in großem Maßstab hergestellt.

Was ist grüner Wasserstoff?
Grüner Wasserstoff, auch „erneuerbarer Wasserstoff“ genannt, ist Wasserstoff, der mit nachhaltiger Energie hergestellt wird. Am bekanntesten ist die Elektrolyse, bei der Wasser (H2O) mittels Ökostrom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten wird. Zahlreiche Parteien in den Niederlanden experimentieren mit diesen Elektrolyseuren im Megawatt-Maßstab. Auch bei der Hochtemperaturvergasung von Biomasse wird Wasserstoff freigesetzt.

Was ist türkisfarbener Wasserstoff?
Wasserstoff, der mithilfe der sogenannten Schmelzmetallpyrolyse-Technologie aus Erdgas hergestellt wird, wird „türkiser Wasserstoff“ oder „kohlenstoffarmer Wasserstoff“ genannt. Erdgas wird durch eine Metallschmelze geleitet, die sowohl Wasserstoffgas als auch festen Kohlenstoff freisetzt. Letzteres kann beispielsweise in Autoreifen eine nützliche Anwendung finden. Diese Technologie befindet sich noch im Laborstadium und es wird mindestens zehn Jahre dauern, bis die erste Pilotanlage realisiert wird.

Was sind die weiteren grundlegenden Unterschiede zwischen Blau und Grün?
Neben der Herstellungsweise gibt es noch eine Reihe weiterer wesentlicher Unterschiede:
Nur durch Elektrolyse erzeugter grüner Wasserstoff sorgt dafür, dass große Mengen an nachhaltigem Strom, der auf See und an Land produziert wird, sinnvoll in unser Energiesystem integriert werden können. Nur die Elektrolyse kann Strom flexibel (nach Bedarf) in Wasserstoff umwandeln und anschließend speichern.
Darüber hinaus wird die Entwicklung der großtechnischen Elektrolyse dazu beitragen, den steigenden Strombedarf zu decken und so das Wachstum nachhaltiger Energie anzukurbeln.
Es gibt auch einen Unterschied in der Qualität. Grüner Wasserstoff weist einen höheren Reinheitsgrad auf und kann beispielsweise in der Brennstoffzelle eines Fahrzeugs sofort eingesetzt werden. Blauer Wasserstoff weist einen geringeren Reinheitsgrad auf, der für eine industrielle Anwendung ausreichend ist.
Die Produktion von blauem Wasserstoff ist eine Möglichkeit, die Industrie in großem Maßstab und zu relativ geringen Kosten zu „dekarbonisieren“, also CO2 zu reduzieren.

Weißer Wasserstoff aus dem Boden die saubere Energiequelle der Zukunft?
Grauen, blauen und grünen Wasserstoff kennen wir bereits, mittlerweile scheint es aber auch weißen oder natürlichen Wasserstoff zu geben. Das kommt, genau wie Erdgas, aus dem Boden. Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff wird nur Wasser freigesetzt. Weißer Wasserstoff ist ein natürlicher Wasserstoff aus dem Untergrund, der das Potenzial hat, eine wichtige Energiequelle der Zukunft zu werden, wenn er durch Elektrolyse von Wasser mit Wind- oder Solarenergie (grün) hergestellt wird.
Es wird dann nicht aus natürlicher Asche oder Kohle (grau) hergestellt, auch nicht durch vorheriges Auffangen des CO2 (blau). Das Gas wird hauptsächlich zur Beheizung von Prozessen in der chemischen Industrie sowie bei der Stahl- und Düngemittelproduktion eingesetzt. Beim Übergang von fossiler zu grüner Energie kann es als Pufferspeicher für Strom in Zeiten ohne Sonne und Wind dienen.

Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Energiewende?
In unserem aktuellen Energiemix werden ca. 20 % in Form von Strom und 80 % in Form von Erdgas oder flüssigen fossilen Brennstoffen (Benzin, Diesel) bereitgestellt. Unsere Klimaziele werden diese Situation in naher Zukunft erheblich verändern. Der Anteil der Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie wird stark zunehmen. Für eine Reihe von Anwendungen wie Schwertransport, Hochtemperaturprozesse in der Industrie und Luftfahrt fehlt noch eine gute elektrische Lösung und es besteht weiterhin Bedarf an einem nachhaltigen Gas. Wasserstoff kann hier eine nützliche Rolle spielen. Darüber hinaus ist Wasserstoff als Großspeicher für windstille und bewölkte Momente wichtig.

Welche Länder arbeiten ebenfalls an Wasserstoff?
Länder wie Norwegen, Australien, Marokko, Chile, Saudi-Arabien, China und Japan sind sehr aktiv im Bereich grünem Wasserstoff, vor allem weil es eine beträchtliche (potenzielle) Verfügbarkeit billiger erneuerbarer Energie aus Wind-, Solar- oder Wasserkraft zur Herstellung von grünem Wasserstoff gibt. Eine Ausnahme bildet jedoch Japan, das für seine Energieversorgung weitgehend auf Importe angewiesen ist und eine Strategie entwickelt hat, um (grünen) Wasserstoff in großem Maßstab zu importieren. Ihre Schlüsselrolle liegt in der Technologieentwicklung. Die Niederlande sind gut aufgestellt, unter anderem dank unserer Kenntnisse in der Gas- und Elektrolysetechnologie, dem großen Potenzial für Windenergie in der Nordsee und der energieintensiven Industrie, die sich stark für Nachhaltigkeit einsetzen muss.

Wofür werden wir Wasserstoff nutzen?
Für die Prozessindustrie ist Wasserstoff besonders wichtig. Heutzutage wird es hauptsächlich für die Herstellung von Düngemitteln verwendet, aber in Zukunft kann es auch für Hochtemperaturprozesse wie die Stahlproduktion verwendet werden, für die heute Erdgas oder Kohle verwendet wird. Darüber hinaus wird Wasserstoff eine Rolle in der Mobilität spielen, beispielsweise für Überlandbusse, die längere Strecken zurücklegen müssen und bei denen elektrisches Fahren keine Lösung ist.

Was bedeutet Wasserstoff für den Bürger?
Kurzfristig wird sich nicht viel zeigen. Der Einsatz von Wasserstoff beispielsweise in Privathaushalten wäre, wenn überhaupt, längst überfällig. Für die meisten Haushalte bietet ein kollektives Wärmenetz oder eine elektrische Wärmepumpe eine bessere Lösung. Im Verkehr wird die Zahl der Wasserstoffautos (aktuell unter hundert) und die Zahl der Wasserstofftankstellen (2018: 3) langsam zunehmen.

Was sind die Risiken?
Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, leicht entzündlich und wird in der Mobilität unter Drücken bis zu 700 bar eingesetzt. Wie bei jedem anderen Gas ist es wichtig, bei der Herstellung, beim Transport und bei der Verwendung sorgsam damit umzugehen und es ausschließlich professionellen Unternehmen zu überlassen. Soll Wasserstoff in bestehenden Gasleitungen eingesetzt werden, ist es wichtig, weiter zu untersuchen, wie sich Wasserstoff in der Praxis tatsächlich „verhält“. Wasserstoff ist leichter als Erdgas und kann aus Ventilen und Dichtungen leichter entweichen.

Was macht TNO in Sachen Wasserstoffforschung?
TNO ist eine unabhängige Organisation, die modernste angewandte Forschung betreibt. Die Wasserstoffforschung konzentriert sich auf Produktion, Infrastruktur und Anwendungen (Umwandlung und Endverwendung). Im Jahr 2020 führte TNO mehr als 50 Projekte zu diesen Themen durch. Links zu einer Auswahl dieser Projekte finden Sie weiter unten (Punkt 15).

Wie weit ist die Entwicklung von grünem Wasserstoff?
Zwischen 2000 und 2018 wurden rund 230 Elektrolyseprojekte mit einer Gesamtkapazität von etwa 100 MW in Betrieb genommen (Quelle: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Im Jahr 2020 lag die weltweit installierte Leistung bei 200 MW und bis Ende 2023 bei etwa 2.400 MW. Diese Zahlen zeigen, dass wir erst am Anfang stehen und eine völlig neue Lieferkette entwickeln müssen.
Wir brauchen neue Unternehmen, neue Lieferanten und neue Hersteller, um Materialien und Komponenten für größere Elektrolysesysteme der nächsten Generation zu entwickeln. Dies ist eine einmalige Chance für die niederländische Hightech-Industrie. Ziel der Europäischen Union ist es, bis 2030 40 GW Elektrolysekapazität in der Union und weitere 40 GW in Nordafrika zu installieren. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir das Tempo sowohl der technologischen Innovation als auch der tatsächlichen Projekte beschleunigen.

Was sind die größten technischen Herausforderungen bei der Elektrolyse?
Im Hinblick auf die Wasserelektrolyse stehen derzeit vier Technologien zur Verfügung (AEM, SOE, PEM und Alkaline), jede mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen und ihrem Reifegrad. Schauen Sie sich unser Video über die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse an (öffnet sich in einem neuen Fenster oder Tab) (verweis auf eine andere Website). Für alle vier Technologien sind die drei größten Forschungsherausforderungen:
um den mit dem System verbundenen Investitionsaufwand zu reduzieren
um die Systemeffizienz zu verbessern
Hürden für eine Großproduktion zu überwinden, sodass bis 2030 eine jährliche weltweite Elektrolyseur-Produktionskapazität von 30 GW erreicht werden kann.

Die Produkte werden in allen Regionen Chinas verkauft und in Länder auf der ganzen Welt exportiert. Sie wurden in mehr als 20 Ländern und Regionen verkauft, darunter in den USA, Deutschland, Marokko, Kenia, Saudi-Arabien, Vietnam, Algerien, Indien, Tansania und Taiwan. Erfolgreich beliefert namhafte Unternehmen wie China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group und andere namhafte Unternehmen. Es gibt viele Wasserstoff-Hydrierstationen für grünen Wasserstoff wie Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming usw., die grüne und wasserstofferzeugende Projekte anbieten.