Aktuell wird der Wasserstoffbedarf vor allem durch Dampfreformierung gedeckt. Dabei reagieren fossile Energieträger wie Erdgas oder Erdöl und Wasserdampf zu Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Durch die nachgeschaltete sogenannte Wassergas-Shift-Reaktion wird das unvollständig umgesetzte Zwischenprodukt Kohlenmonoxid mit Wasserdampf weiter zu Wasserstoff umgesetzt. Als Nebenprodukt entsteht in beiden Schritten das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. Das so gewonnene Produkt wird auch als grauer Wasserstoff bezeichnet, da dabei Kohlenstoffdioxidemissionen erzeugt werden, auch wenn bei der anschließenden Nutzung keine CO₂-Mengen anfallen. Nicht zu vernachlässigen sind hierbei auch die häufig nicht unerheblichen Vorkettenemissionen aus dem Transport und der Förderung von Erdgas.
Herstellung von Wasserstoff und Farben
Von grau zu grün: Wie die Produktion von Wasserstoff funktioniert
Nicht nur die Möglichkeiten, Wasserstoff in den verschiedenen Sektoren für die Dekarbonisierung einzusetzen, sind wichtig, um Klimaneutralität zu erreichen – auch die Herstellungsweise von Wasserstoff ist von enormer Bedeutung.
Die verschiedenen farblichen Bezeichnungen von Wasserstoff sollen Auskunft über seine Klimafreundlichkeit geben und beschreiben damit meist auch die Art und Weise, wie er hergestellt wird. Um die Pariser Klimaziele zu erreichen, darf perspektivisch nur grüner Wasserstoff eingesetzt werden. Dieser wird in der Regel mittels Elektrolyse erzeugt, die mit Strom aus Erneuerbaren Energien, wie beispielsweise aus Wind- und Solarenergie, betrieben wird. Nur so lässt sich die notwendige Emissionseinsparung erreichen.
Grauer Wasserstoff
Blauer Wasserstoff
Blauer Wasserstoff wird (wie grauer) meist aus Erdgas hergestellt. Das entstehende CO₂ wird hierbei jedoch abgeschieden und unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage: CCS). Auf diese Weise gelangen beim Herstellungsprozess keine CO₂-Emissionen in die Atmosphäre. Sofern der Energiebedarf der Dampfreformierung und der zusätzliche Bedarf für die CO₂-Abscheidung aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird, ist blauer Wasserstoff somit deutlich klimafreundlicher als grauer. Die Prozesskette des blauen Wasserstoffs erzeugt aber immer noch einen beträchtlichen Ausstoß an Treibhausgasen – insbesondere durch die Förderung und Bereitstellung des Erdgases. Trotzdem wird davon ausgegangen, dass blauer Wasserstoff als Brückentechnologie eine wichtige Rolle spielen wird, bis ausreichende Mengen an grün produziertem Wasserstoff zur Verfügung stehen.
Türkiser Wasserstoff
Diese „Farbe“ des Wasserstoffs wird in Fachkreisen immer wieder diskutiert: Sogenannter türkiser Wasserstoff wird durch die Pyrolyse (vereinfacht: Erhitzung unter Abwesenheit von Sauerstoff) von Methan hergestellt. Dabei fällt statt gasförmigem Kohlenstoffdioxid fester Kohlenstoff an, der im Vergleich zu CO₂ (wie beim blauen Wasserstoff mittels CCS) relativ problemlos gespeichert werden kann. Diese Technologie ist bisher jedoch nicht in großskaligen, industriellen Dimensionen umsetzbar. Die Herstellungsweise umgeht zwar die Schwierigkeiten im Kontext von CCS-Verfahren (geringe Akzeptanz, Risiken der Langzeitspeicherung, zusätzlicher Energiebedarf etc.), jedoch bleibt das vom blauen Wasserstoff bekannte Problem der Vorkettenemissionen mit höchst klimaschädlichen Treibhausgasen, die bereits bei der Förderung des Erdgases entstehen. Hinzu kommt die technisch herausfordernde Handhabung des in hochfeiner Form anfallenden festen Kohlenstoffs.
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff wird mithilfe erneuerbaren Stroms durch Elektrolyse von Wasser gewonnen. Durch den Strom werden dabei die chemischen Verbindungen getrennt und das Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Der Strom fließt dabei zwischen zwei Elektroden. An der positiv geladenen Elektrode (Anode) entsteht dabei Sauerstoff, an der negativ geladenen Elektrode (Kathode) Wasserstoff. Um die Vermischung der beiden Produkte zu vermeiden, werden die beiden Elektrodenkammern durch eine für Ladungsträger durchlässige Membran getrennt.
Die sogenannte alkalische Elektrolyse ist ein bereits seit Jahrzehnten großtechnisch etabliertes Verfahren. Alternative Elektrolysetechniken, wie zum Beispiel die PEM-Elektrolyse oder die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEL) zu nennen. Die PEM-Elektrolyse wurde bereits erfolgreich für den Einsatz im industriellen Maßstab hochskaliert (Projekt REFHYNE im Shell Energy and Chemicals Park oder TrailBlazer von AirLiquide in Duisburg). An der SOEL-Technologie wird für die Anwendbarkeit in diesem Maßstab noch intensiv geforscht.
Standortwahl für H2-Gewinnung abhängig von erneuerbaren Energiequellen
Entscheidend für die treibhausgasneutrale Gewinnung durch Elektrolyse ist die Herkunft des Stroms. Der enorme Bedarf an Strom aus erneuerbaren Quellen wird zukünftig die Standortwahl für Elektrolyseure bestimmen. Es ist deshalb davon auszugehen, dass grüner Wasserstoff zum überwiegenden Teil in der Nähe der erneuerbaren Stromerzeugung produziert werden wird. Hier sind zum Beispiel Regionen im Norden Deutschlands und anderen europäischen Ländern mit guten Bedingungen für die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien (insbesondere die Nordseeanrainer wie Großbritannien und Dänemark oder südeuropäische Länder wie Spanien oder Portugal) relevant. Perspektivisch ist davon auszugehen, dass ein Weltmarkt für grünen Wasserstoff heranwachsen wird, und dass Wasserstoff insbesondere in Form von Derivaten wie Ammoniak auch aus Regionen im weiter entfernten Ausland (z. B. aus der MENA-Region, Chile, Brasilien oder Australien) mit sehr günstigen Produktionsbedingungen nach Deutschland importiert werden wird.
Anlagenbau bietet wirtschaftliche Chancen für NRW
Zwar weist NRW im europäischen und globalen Vergleich keine herausragenden Produktionsbedingungen für grünen Wasserstoff auf, aber Nordrhein-Westfalen hat neben dem großen industriellen Wasserstoffbedarf einen starken und innovativen Anlagenbau, der entscheidend für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft sein wird. Für das Land ergeben sich daraus wirtschaftliche Chancen, zukunftsfähige Arbeitsplätze und die Aussicht auf Wertschöpfung. Von Elektrolyseuren, die den Wasserstoff mittels Erneuerbarer Energien aus Wasser herstellen, über Brennstoffzellen und Wasserstoffbrenner, die ihn nutzbar machen, bis hin zu wesentlichen Komponenten wie wasserstoffkompatible Drucktanks, Kompressoren, Gasturbinen, Pipelines: Für die Wirtschaft in NRW entwickeln sich hier neue Märkte und Chancen für den Export.
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