Herstellung & 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

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. Als Nebenprodukt entsteht das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. Das so gewonnene Produkt wird auch als „grauer“ Wasserstoff bezeichnet. Aufgrund der dabei erzeugten Kohlenstoffdioxidemissionen kann dieser nicht als klimaneutraler Energieträger bezeichnet 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.

Blauer Wasserstoff

„Blauer“ Wasserstoff, wird wie „grauer“ meist aus Erdgas hergestellt. Das entstehende CO2 wird hierbei jedoch abgeschieden und entweder in anderen Industriezweigen genutzt oder unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage: CCS, Carbon Capture and Utilization: CCU). Auf diese Weise entstehen beim Herstellungsprozess selbst keine CO2-Emissionen. Sofern der Energiebedarf der Dampfreformierung aus erneuerbaren Quellen gedeckt wird, wäre er somit klimafreundlicher als grauer. Die Prozesskette des blauen Wasserstoffs erzeugt aber immer noch beträchtlichen Ausstoß an Treibhausgasen – insbesondere durch die Förderung und Bereitstellung des Erdgases.

Türkiser Wasserstoff

Diese „Farbe“ des Wasserstoffs wird in Fachkreisen zuletzt intensiv 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 anders als CO2 problemlos gespeichert und sogar vielfältig genutzt werden kann. Diese Technologie ist bisher jedoch nicht in großskaligen, industriellen Dimensionen umsetzbar. Die Technologie umgeht zwar die Schwierigkeiten im Kontext von CCU/CCS-Verfahren (geringe Akzeptanz, Risiken der Speicherung, 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. Es gibt Überlegungen perspektivisch aus Biogas gewonnenes Biomethan einzusetzen, so könnten in beschränktem Maße fossile Rohstoffe ersetzt werden.

Grüner Wasserstoff

„Grüner“ Wasserstoff wird mit Hilfe erneuerbaren Stroms durch Elektrolyse von Wasser gewonnen. Dabei wird Wasser unter Strom gesetzt und dadurch in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Der Strom trennt dabei die chemischen Verbindungen. 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), werden bereits für den Einsatz im industriellen Maßstab hochskaliert bzw. getestet (wie z.B. die PEM-Elektrolyse im Projekt REFHYNE im Shell Energy and Chemicals Park).

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 Niederlande, aber z. B. auch Großbritannien, Dänemark, Spanien oder Portugal) relevant. Perspektivisch ist davon auszugehen, dass ein Weltmarkt für grünen Wasserstoff heranwachsen wird, und dass Wasserstoff auch aus Regionen im weiter entfernten Ausland (z.B. aus der MENA-Region oder Chile) mit sehr günstigen Produktionsbedingungen nach Deutschland importiert werden wird.

 

Anlagenbau bietet wirtschaftliche Chancen für NRW

Die Wasserstoffwirtschaft und der mit ihr verbundene Anlagenbau bietet Nordrhein-Westfalen 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 auf den Export.

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