Wasserstoff-Infrastruktur

Die ideale Technologie zur Wasserstoffspeicherung hängt sowohl von der Art der Anwendung als auch vom jeweiligen Kontext ab. Eine Reihe von Lösungen wurde bereits erfolgreich eingesetzt, doch nur wenige haben die technische und kommerzielle Reife erreicht. Wichtig ist auch, dass die Art des Wasserstofftransports von der Art der Speicherung abhängt. Das Potenzial kann jedoch nicht hoch genug eingeschätzt werden, so dass die Forschung wahrscheinlich weiterhin in hohem Tempo voranschreiten wird.

Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse (1 u) und der niedrigsten Ordnungszahl (Z = 1) aller Elemente; damit ist es auch das leichteste Element. Wasserstoff kommt selten isoliert vor, sondern in Verbindung mit anderen chemischen Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff. Um ihn als Brennstoff einsetzen zu können, muss er in seiner molekularen Form H₂ verfügbar gemacht werden; dazu sind spezifische chemische Prozesse notwendig. Derzeit gibt es zwei Dutzend technologische Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff. Nicht alle zählen zu den erneuerbaren Energien, und noch nicht alle sind wirtschaftlich rentabel, was auf die Komplexität der Nutzung von Wasserstoff hinweist.

Wasserstoff kann je nach dem CO₂-Fußabdruck bei seiner Herstellung gekennzeichnet werden: grün bedeutet, dass der Wasserstoff mit erneuerbaren Energien hergestellt wurde, grau bedeutet, dass er aus fossilem Gas durch die Reformierung von Methan zu Wasserdampf erzeugt wurde (die bisher am häufigsten verwendete Form der Herstellung), blauer Wasserstoff basiert auf fossilen Brennstoffen und brauner Wasserstoff wird durch die Vergasung von Stein- oder Braunkohle erzeugt. Darüber hinaus wird Wasserstoff, wenn er in reiner Form vorkommt, als weißer Wasserstoff bezeichnet (was jedoch, wie bereits erwähnt, sehr selten ist).

Die Industrie entwickelt rasch neue Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff, obwohl die Herausforderungen groß sind, vor allem wegen der sehr geringen Dichte des Brennstoffs.

Salzkavernen werden bereits kommerziell genutzt, um Wasserstoff in gasförmigem Zustand zu speichern, allerdings sind dafür sehr spezifische geologische Bedingungen erforderlich. Wasserstoff speichern ist in flüssiger oder fester Form einfacher und sicherer, was eine Verringerung des Volumens und damit eine erhebliche Erhöhung der Dichte des Wasserstoffs erfordert.

Typische Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff sind die Kombination von Wasserstoff mit Metallhydriden, chemischen Hydriden, Verflüssigung oder Kompression.

Die Bindung zwischen Wasserstoff und Metallhydriden ist stark genug, um eine Speicherung des Wasserstoffes zu ermöglichen. Eine Verbindung zwischen chemischen Hydriden, die natürlich in einem flüssigen Zustand vorkommen, mit Wasserstoff führt zu einer flüssigen Lösung, was den Transport und die Lagerung vereinfacht.

Die Verflüssigung von Wasserstoff bietet erhebliche Vorteile, da sie dessen Dichte stark erhöht. Allerdings ist sie auch sehr energieintensiv, und die Speicherung muss in sehr aufwendigen kryogenen Tanks erfolgen, die unter anderem die Verdampfung minimieren müssen.

Komprimierter Wasserstoff erfordert hohe Kapitalinvestitionen, da seine Dichte erhöht und er auf einen ausreichenden Druck komprimiert werden muss, um ihn sicher in Zylindern oder unterirdischen Lagerstätten zu speichern.

Die Wasserstoffproduktion beginnt mit der Elektrolyse, bei der Strom in Wasserstoff umgewandelt wird. Wenn erneuerbare Energien verwendet werden, wird der entstehende Wasserstoff als "grün" bezeichnet. 

Die Produktion von grünem Wasserstoff ist von entscheidender Bedeutung für die Dekarbonisierung der Wirtschaft und die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Dementsprechend werden die öffentlichen und privaten Investitionen in Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff in den kommenden Jahren exponentiell ansteigen.

Solche Anlagen sind jedoch recht komplex und erfordern die Arbeit hochqualifizierter multidisziplinärer Teams, die Umweltverträglichkeitsstudien, Sicherheitsbewertungen, behördliche Zulassungen und die Ausbildung von Fachpersonal durchführen.

Die Wasserstoff-Zukunft sieht definitiv grün aus: Grüner Wasserstoff wird allgemein als praktikable Lösung für die Dekarbonisierung verschiedener Sektoren angesehen. Er bietet dank der hohen Energieeffizienz auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile und zieht daher beträchtliche Investitionen nicht nur in die Forschung und die Produktion von Wasserstoff, sondern auch in die Entwicklung von Wasserstoff-tauglichen Anwendungen an. Die Industrie befindet sich noch im Anfangsstadium und ist daher noch teuer, aber sie wächst auch schnell.

Die Kombination der klimatischen und geografischen Beschränkungen Deutschlands mit ihrer großen industriellen Basis bedeutet, dass das Land immer mehr Wasserstoff verbrauchen wird, als es selbst produzieren kann. Dennoch ist und bleibt die heimische Wasserstoff-Industrie von entscheidender Bedeutung, wenn die vielbeschworene Energiewende Wirklichkeit werden soll. Andere Länder mit günstigeren klimatischen Bedingungen und einem geringeren Bedarf der Industrie können zu Nettoexporteuren werden; zu diesem Zweck ist der Aufbau einer sicheren und zuverlässigen Wasserstoff-Infrastruktur unerlässlich.

Derzeit sind die Kosten für die Umwandlung noch immer ein wichtiger Faktor, da grüner Wasserstoff für die Elektrolyse auf Strom angewiesen ist. Das bedeutet, dass 70 % der Produktionskosten auf Stromkosten entfallen. Je mehr erneuerbare Energie erzeugt werden kann, desto billiger wird sie werden, was wiederum die Produktionskosten für grünen Wasserstoff senken wird. Im Jahr 2000 stammten 16 % der Energie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen. Bis 2020 ist dieser Anteil auf 38 % gestiegen, und bis 2050 soll er klimaneutral werden.

Im Jahr 2019 veröffentlichte die Internationale Energieagentur (IEA) einen Bericht mit dem Titel "The Future of Hydrogen for the G20". Zu diesem Zeitpunkt verfügten nur Frankreich, Japan und Korea über Strategien für die Nutzung von Wasserstoff. Im Jahr 2023 gibt es weitere 40 Regierungen, die einschlägige nationale Strategien eingeführt haben oder in Kürze einführen werden, und eine Reihe von Privatunternehmen, die die sich daraus ergebenden Geschäftsmöglichkeiten nutzen wollen.

In der Zwischenzeit wird es im privaten Sektor nicht möglich sein, Erdgasheizungen einfach durch Wasserstoff zu ersetzen. Daher wird schrittweise eine technologisch und wirtschaftlich günstige Hybridlösung eingeführt. Zunächst werden die Anlagen mit einer Mischung aus Erdgas und bis zu 20 % Wasserstoff betrieben, die dann im Laufe der Zeit auf Wasserstoff umgestellt werden. Die Umstellung erfolgt durch den schrittweisen Ausbau der bestehenden Infrastruktur und den Einsatz von Wasserstoff-tauglichen Heizungs-Elementen in bestehenden Systeme, wie zum Beispiel Wasserstoff-Sensoren.

Wie bereits erwähnt, gibt es inzwischen eine Reihe von nationalen Strategien, die den Übergang zu grünem Wasserstoff erleichtern sollen. Auf internationaler Ebene hat die EU im Mai 2021 eine Wasserstoffstrategie veröffentlicht. Auf nationaler Ebene fördern gezielte Maßnahmen der Bundesregierung den Einbau neuer Heizungsanlagen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Dazu gehört die Bereitstellung von Fördermitteln in Form von Steuererleichterungen, Zuschüssen oder zinsgünstigen Darlehen.

Die Höhe der Finanzierung hängt von der zu ersetzenden Technologie und von den eingesetzten Lösungen ab.

Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem und kann ohne Nebenprodukt verbrannt werden. Seine Verbrennung hat einen hohen Energiewirkungsgrad, ist aber auch hochentzündlich und verdampft leicht. Die Art und Weise, wie Wasserstoff hergestellt wird, bestimmt, wie er gespeichert und transportiert werden kann. Durch die Bindung von Wasserstoff an Metallhydride oder chemische Hydride entsteht eine feste oder flüssige Lösung, die den Wasserstoff speicherbar und transportierbar macht. 

Derzeit wird das Gasnetz so aufgerüstet, dass es bis zu 20 % dem Erdgas beigemischten Wasserstoff aufnehmen kann. Dieser Anteil soll schrittweise erhöht werden, bis eine vollständig wasserstoffbasierte Lösung zur Verfügung steht. Obwohl Deutschland bereits große Fortschritte im Bereich der erneuerbaren Energien gemacht hat, wird es trotz seiner Möglichkeiten zur Wasserstofferzeugung immer ein Nettoimporteur von Wasserstoff bleiben, nicht zuletzt wegen der beträchtlichen industriellen Präsenz im Land. Finden Sie heraus, welche Herausforderungen auf Ihre Wasserstoff-Projekte zukommen, und stöbern Sie in unserem Shop, um die passende Lösung zu finden.