FAQ – Fragen rund um Wasserstoff

Wasserstoff besteht in seiner Grundstruktur aus zwei Wasserstoff-Atomen und wird daher oft in seiner chemischen Formel H₂ benannt. Er ist bei Normaltemperatur gasförmig und ähnlich wie Erdgas farb- und geruchslos sowie ungiftig. Durch seine geringe Dichte (90 g/m³, vgl. Erdgas 790 g/m³) ist Wasserstoff ein sehr flüchtiges Gas. Der Brennwert von Erdgas ist mit ca. 11 kWh/m³ etwa dreimal so hoch wie der von Wasserstoff mit 3,5 kWh/m³. Ab einer Temperatur von ca. ‑205 °C wird das Gas flüssig. Durch die Reaktion mit Sauerstoff (O) entsteht Energie und als Endprodukt entsteht Wasser (H₂O).

Herstellungsverfahren für Wasserstoff

Wasserstoff kann in verschiedenen Verfahren, mit diversen Ausgangsstoffen und unterschiedlichen Energieträgern hergestellt werden. Die drei Hauptherstellungsverfahren zur Gewinnung von Wasserstoff sind die Elektrolyse, die Dampfreformation und die Pyrolyse. Darüber hinaus existieren photokatalystische und biologische Verfahren.

Elektrolyse

Im Prozess der Elektrolyse wird aus Wasser (H₂O) Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) hergestellt. Dabei werden unter Einsatz von Strom der Wasserstoff zu einem negativ geladenen und der Sauerstoff zu einem positiv geladenen Pol hin separiert. Die eingesetzte elektrische Energie ist somit chemisch im Wasserstoff gespeichert. Das Verfahren bezeichnet man als „Power-to-Gas“.

Dampfreforierung

Bei der Dampfreformierung wird Erdgas (Methan, CH₄) unter Zugabe von heißem Wasserdampf (H₂O) in Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) aufgespalten. Dieses etablierte Verfahren wird heutzutage in industriellen Anlagen verwendet.

Pyrolyse

Das Pyrolyse-Verfahren spaltet Erdgas (Methan, CH₄) unter hoher Wärme in Wasserstoff (H₂) und festen Kohlenstoff (C) auf.

Photokatalyse

Die Photokatalyse nutzt die Energie aus Licht (Photonen), um Wasser mittels eines Katalysators direkt in seine Bestandteile Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufzuteilen. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht zu gewinnen. Bislang bedarf dieses Verfahren weiterer Forschung und Entwicklung, zur Effizienzsteigerung und Skalierbarkeit, um zu einer wirtschaftlichen Anwendbarkeit zu gelangen.

Biologische Verfahren

Bei der Fermentation von Biomasse oder der photobiologischen Erzeugung wird Wasserstoff mittels Bakterien in Bioreaktoren hergestellt. Die Verfahren sind allerdings nicht technisch ausgereift und bieten geringe Wasserstoff-Ausbeuten, sodass bisher keine wirtschaftliche Umsetzung erfolgt ist.

Die Farbenlehre des Wasserstoffs

Je nach eingesetztem Herstellungsverfahren, der verwendeten Ausgangsstoffe und des eingesetzten Energieträgers lässt sich der produzierte Wasserstoff in verschiedene Farben einteilen, um damit seine Herkunft zu klassifizieren.

Grüner Wasserstoff

Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff wird im Elektrolyse-Verfahren ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energiequellen genutzt. Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist wegen des eingesetzten grünen Stroms und entsprechender Einsparung von Treibhausgasemissionen klimaneutral. Wie es um den Ausbau der erneuerbaren Energien im Saarland steht erfahren Sie hier:

Fakten zum Stand der Energiewende

Grauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Energieträgern hergestellt und verursacht klimaschädliche Emissionen.  Da die im Verfahren freigesetzten oder für die Stromerzeugung entstandenen Treibhausgase (vorranging CO₂) in die Atmosphäre gelangen, ist grauer Wasserstoff nicht klimaneutral. So ist im Pyrolyse- oder Dampfreformations-Verfahren hergestellter Wasserstoff, durch den Einsatz von Erdgas und hohem Wärmeeinsatz, grau. Auch im Elektrolyse-Verfahren mittels nicht kohlestoffarmem Strom hergestellter Wasserstoff gilt als grau.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformation hergestellt, wobei das entstehende CO₂ mittels Carbon-Capture-Verfahren aufgefangen und langfristig gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS) oder einer anderen Verwendung zugeführt wird (Carbon Capture an Utilization, CCU). Klimaneutral wird blauer Wasserstoff jedoch erst, wenn die Wärmezufuhr für den Spaltungsprozess aus erneuerbaren Energiequellen stammt und der aufgefangene Kohlenstoff nicht erneut in die Atmosphäre entweichen kann.

Türkiser Wasserstoff

Türkiser Wasserstoff wird, wie grauer Wasserstoff, mittels fossiler Energieträger im Pyrolyse-Verfahren hergestellt, bei dem der Kohlenstoff als Feststoff abgeschieden vorliegt. Somit gelangt das CO₂ nicht ungehindert in die Atmosphäre. Klimaneutral wird türkiser Wasserstoff jedoch erst dann, wenn die Wärmezufuhr für den Spaltungsprozess aus erneuerbaren Energiequellen stammt und der Kohlenstoff dauerhaft gelagert oder in anderen Stoffen gebunden bleibt (vgl. CCU, CCS bei blauem Wasserstoff).

Gelber Wasserstoff

Gelber Wasserstoff wird durch Elektrolyse unter Einsatz von Energie aus beliebigen Quellen, bzw. dem allgemeinen Strommix produziert. Beim Stromeinsatz werden also Mischformen, sowohl fossile (Erdgas, Kohle, Kernenergie) wie auch grüne Energieträger (erneuerbare Energien), verwendet.

Roter Wasserstoff

Roter Wasserstoff wird mittels Elektrolyse unter Einsatz von Strom aus Kernenergie hergestellt. Dieser hat einen geringen CO₂-Fußabdruck, der die Herstellung im Elektrolyse-Verfahren fast klimaneutral werden lässt. Jedoch entstehen radioaktive Abfälle, die einer sicheren und dauerhaften Endlagerung zugeführt werden müssen. Mit der Stilllegung der letzten in Deutschland betriebenen Kernkraftwerke zum 15.04.2023, ist roter Wasserstoff hier zu Lande keine Herstellungsoption.

Oranger Wasserstoff: Abfall- und Reststoffe

Als orange wird Wasserstoff bezeichnet, wenn er aus Biomasse oder nicht biogenen Siedlungs- und Industrieabfällen unter Verwendung von Strom aus Anlagen der Abfallwirtschaft, etwa thermische Abfallverbrennungsanlagen oder Biogasanlagen, erzeugt wird.

Weißer Wasserstoff

Als weißer Wasserstoff wird natürlich im Erdreich vorkommender Wasserstoff bezeichnet. Dieser befindet sich, wie z.B. auch Erdgas, in natürlichen Lagerstätten. Aktuelle Forschungen zeigen, dass sein Anteil am Stoffgemisch zumeist mit zunehmender Tiefe zunimmt. Eine Förderung mittels Fracking-Verfahren wäre mit Blick auf die Umweltauswirkungen nicht unproblematisch. Neue Verfahren, die unter Einsatz erneuerbarer Energien weißen Wasserstoff fördern, könnten eine klimaneutrale Quelle darstellen. Aktuell bestehen hierbei noch Forschungs- und Explorationsbedarf, um dies abschließend bewerten zu können.

Übersicht Herstellungsverfahren und Farben von Wasserstoff

Nachfolgend sind die oben aufgeführten Erläuterungen zu den verschiedenen Herstellungsverfahren und der Farbenlehre für Wasserstoff grafisch dargestellt.

Grüne Wasserstoff-Derivate

Wasserstoff kann neben seiner direkten Verwendung auch als Ausgangsstoff für weitere chemische Verbindungen Verwendung finden. So setzen sich z.B. Ammoniak (NH₃), Methan (CH₄) oder Methanol (CH₃OH) unter anderem aus der Verbindung mit Wasserstoff zusammen. Diese als Wasserstoff-Derivate bezeichneten Stoffe verfügen jeweils über spezielle Eigenschaften, die Vorteile in der Anwendung oder beim Transport aufweisen. Die Voraussetzung für einen klimagerechten Einsatz der Derivate ist auch hier, dass sie „grün“, also mittels Einsatz erneuerbarer Energien und grünem Wasserstoff, hergestellt werden.

Grünes Ammoniak

Ammoniak (NH₃) setzt sich aus einem Stickstoffatom (N) und drei Wasserstoff-Atomen zusammen. Ein großer Vorteil von Ammoniak ist, dass er leicht transportierbar ist. So ist er bereits bei Temperaturen von unter ‑33 °C flüssig. Dies ermöglicht einen deutlich leichteren Transport von Wasserstoff, der sonst zur Verflüssigung auf ca. ‑253 °C gekühlt werden muss. Damit bietet es sich an, grünen Ammoniak für die Verschiffung aus Ländern mit hohem Überschuss an erneuerbaren Energien zu verwenden und ihn anschließend in Wasserstoff zurück zu wandeln.

Darüber hinaus ist Ammoniak heute eine der meistverwendeten Chemikalien insbesondere für Düngemittel in der Landwirtschaft oder Kältemittel in Kühlgeräten. Zurzeit wird er hauptsächlich aus fossilen Ausgangsstoffen und Energien hergestellt. Der Umstieg auf grünen Ammoniak, mittels grünem Wasserstoff, Stickstoffentnahme aus der Luft und Einsatz erneuerbarer Energien, bietet auch in diesem Anwendungsfeld einen großen Hebel zur Dekarbonisierung der Chemieindustrie.

Grünes Methan

Methan (CH₄) ist ein Kohlenstoff (C), umgeben von vier Wasserstoff-Atomen. Es kommt natürlich als Hauptbestandteil in Erdgas vor, kann aber auch auf grünem Wege synthetisch hergestellt werden. Dafür werden grüner Wasserstoff und aus Prozessen abgeschiedenes oder aus Biomasse verdampftes Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit erneuerbarer Energie zusammengesetzt. Der Vorteil dieser Herstellung ist der Verzicht auf den fossilen Energieträger Erdgas, der hohe CO₂-Emissionen verursacht. Vielmehr wird zuvor gebundenes CO₂ eingesetzt und zunächst die Emissionen vermieden. Da die Verbrennung von Methan wieder CO₂ abgibt, ist dieser Energieträger für Anwendungsgebiete zu priorisieren, die anderweitig nicht nachhaltig dekarbonisierbar sind.

Grünes Methanol (E-Fuels)

Methanol (CH₃OH) ist eine der weltweit meistproduzierten organischen Chemikalien. Sein Einsatzspektrum ist sehr breit gefächert, so ist es Ausgangsstoff für Kunst- und Klebstoffe, Lösungsmittel und Fasern in der Textilindustrie. Darüber hinaus findet Methanol Anwendung in der Bauindustrie und kann zu Kraftstoffen für Fahrzeuge oder die Luft- und Seefahrt weiterverarbeitet werden.

Konventionelle Verfahren stellen Methanol unter Einsatz von Kohle oder Gas her. Dabei werden in einem Reformierungsprozess bei hoher Hitze die Ausgangsstoffe in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt und zu Methanol reagiert, wobei erhebliche Treibhausgasemissionen entstehen.

Dem gegenüber stehen grüne Herstellungsverfahren, in denen Wasserstoff und CO₂ unter Einsatz erneuerbar produzierten Stroms in Elektrolyseverfahren zu Methanol reagieren. Ist das eingesetzte CO₂ dabei aus Industrieprozessen mit unvermeidbaren Abgasen zurückgewonnen, entweicht es nicht in die Atmosphäre und reduziert damit zusätzlich den CO₂-Fußabdruck der Industrie. Das grüne Methanol kann dann z.B. als Ausgangsstoff für grüne Treibstoffe dienen und so die Dekarbonisierung im Mobilitätsbereich für Straßen-, Bahn-, Schiffs- und Luftverkehr vorantreiben.

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