Grafik mit blauen Wasserstoffmolekülen in transparenten Blasen.
© AdobeStock/Alexander Limbach
Wasserstoff

Wasserstoff

Wasserstoff spielt für die Energiewende eine immer größere Rolle. Neben dem Land Hessen fördern sowohl die Bundesregierung als auch die Europäische Kommission die entsprechenden Technologien.

Wasserstoff wird schon seit vielen Jahrzehnten als chemischer Grundstoff in der Industrie verwendet. Mit dem Voranschreiten der Energiewende steigt seine Bedeutung und es kommen neue Anwendungen, insbesondere als Energieträger, hinzu. Für den Klimaschutz spielt das sogenannte Power-to-Gas-Verfahren die Hauptrolle, bei dem Strom aus erneuerbaren Energien für die Wasserstoffproduktion verwendet wird. Der so gewonnene grüne Wasserstoff kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Industrie, Verkehr, Strom- und Wärmeerzeugung CO2-neutral zu machen. Wasserstoff kann außerdem als Speichermedium für Wind- und Solarstrom dienen. In Zukunft könnte Deutschlands riesiges Erdgasnetz möglicherweise als Energiespeicher dienen, indem es Wasserstoff aufnimmt. Beimischungen sind heute schon möglich.

Die Produktion von Wasserstoff durch Elektrolyse ist mit relativ hohen Wandlungsverlusten verbunden. Vor allem entsteht aber Wärme und die lässt sich nutzen. Zum Beispiel über ein lokales Wärmenetz zur Warmwasserversorgung von Gebäuden. Durch solche Maßnahmen kann der Gesamtwirkungsgrad der Elektrolyse auf bis zu 95 Prozent erhöht werden. Darüber hinaus wird für den Transport und die Speicherung des Wasserstoffs Energie benötigt. Weitere Verluste treten gegebenenfalls bei der Rückumwandlung in Strom auf. Deshalb lohnt sich der Einsatz von Wasserstoff vor allem dort, wo die direkte Stromnutzung schwierig oder unmöglich ist, zum Beispiel als Kraftstoff für schwere Nutzfahrzeuge, als Grundstoff in der chemischen Industrie, als Prozessmedium in Raffinerien und der Stahlindustrie oder als Brennstoff für Blockheizkraftwerke mit Brennstoffzellen.

Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft

Um Wasserstoff in großem Umfang nutzen zu können, müssen Forschung und Innovation vorangetrieben, Märkte geschaffen und Investitionen mobilisiert werden. Dafür gibt es immer mehr politische Unterstützung. Die Europäische Union hat 2020 im Rahmen ihres Green Deals eine Wasserstoffstrategie beschlossen, und im gleichen Jahr hat Deutschland eine Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) verabschiedet. Laut NWS sollen bis 2030 fünf Gigawatt Elektrolyseleistung aufgebaut werden. Dazu und für weitere Vorhaben stellt der Bund bis zu neun Milliarden Euro an Fördermitteln bereit. Darüber hinaus können auch aus weiteren Programmen Mittel für die Wasserstofftechnologie geschöpft werden.

Das Land Hessen unterstützt und fördert Entwicklung den Einsatz der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie seit vielen Jahren. Hier ist bereits viel Erfahrung und Expertise vorhanden. Eine wachsende Zahl an Akteuren arbeitet daran, unterstützt durch das Land und die LEA LandesEnergieAgentur GmbH, um auf lokaler und regionaler Ebene die nötige Infrastruktur aufzubauen und Kommunen und Unternehmen beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen.

Die größte hessische Wasserstoff-Quelle befindet sich im Industriepark Frankfurt-Höchst: Dort fällt das Gas in großem Umfang als Nebenprodukt der Chemieindustrie an. Die Firma Infraserv betreibt damit vor Ort seit 2006 eine öffentliche Wasserstofftankstelle für Busse und Autos. Auch im Werkslinienverkehr des Industrieparks verkehren Brennstoffzellenbusse.

Wasserstoff-Farben

Wasserstoff in verschiedenen Farben

Obwohl Wasserstoff keine Farbe hat, spricht man von grauen, blauen, türkisen und grünen Wasserstoff: Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen wie etwa Erdgas produziert. Dazu wird meist Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt (Reformierung). Dabei entsteht Kohlendioxid, das in die Atmosphäre gelangt. Diese Form der Wasserstoffproduktion ist daher nicht ideal. 

Bei der Produktion von blauem Wasserstoff, wird das Kohlendioxid abgeschieden und gespeichert.  Expertinnen und Experten sprechen von  "Carbon Capture and Storage" (CCS).  

Türkiser Wasserstoff entsteht aus einer thermischen Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) . Dabei entsteht statt Kohlendioxid fester Kohlenstoff der nicht die Atmosphäre belastet. Dafür braucht ein Hochtemperaturreaktor viel Energie aus erneuerbaren Energien. 

Grüner Wasserstoff wird aus der Elektrolyse von Wasser hergestellt. Auch hier wir die für den Prozess benötigte Energie aus erneuerbaren Energien, insbesondere Wind- und Solarstrom, gedeckt. Alternativ kann grüner Wasserstoff auch direkt aus Biogas oder Biomasse herstellt werden.

Power to Gas

Um mit Strom Wasserstoff zu erzeugen, braucht es den chemischen Prozess der Elektrolyse. In einer speziellen Apparatur (Elektrolyseur) wird dabei Wasser mithilfe elektrischer Energie in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Darüber hinaus wird Wärme frei und kann ebenfalls genutzt werden. In der Brennstoffzelle findet dann der umgekehrte Prozess statt: Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft, es entstehen Strom und Wärme. Einziges „Abfallprodukt“ ist Wasser in Form von Dampf. In einem weiteren Schritt kann aus Wasserstoff synthetisches Methan erzeugt werden. Das ist weniger entzündlich und leichter zu speichern und zu transportieren. Außerdem kann es in unbegrenztem Umfang schon heute ins Erdgasnetz eingespeist werden.

Wie eine solche Anlage aussieht, zeigt das Bild vom Energiepark Mainz der Mainzer Stadtwerke.

 In Hessen gibt es erste Pilotprojekte, um grünen Wasserstoff mittels Elektrolyse aus erneuerbarem Strom zu erzeugen. Im Rahmen verschiedener Forschungs- und Demonstrationsprojekte standen 2019 fünf Power-to-Gas-Anlagen in unserem Bundesland. Ein vom Land gefördertes Projekt ist beispielsweise die 50-Kilowatt-Versuchsanlage des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) am Biogasforschungszentrum im Landwirtschaftszentrum Eichhof in Bad Hersfeld. Dort wurde unter anderem das Konzept der direkten Kopplung von Biogas- und Power-to-Gas-Anlagen erprobt. Weitere Pilot- und Demonstrationsanlagen wurden etwa beim Familienunternehmen Viessmann in Allendorf und beim Energieversorger Mainova in Frankfurt betrieben.

Energiepark der Stadt Mainz mit Wasserstofftanks.
© Mainzer Stadtwerke/Erich Malter

Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Weißer LKW steht an einer Wasserstofftankstelle.
© Roessler / LEA Hessen

Ein Einsatzbereich für Wasserstoff ist die Mobilität. Wasserstofffahrzeuge sind Elektrofahrzeuge, bei denen die Antriebsenergie nicht aus einer Batterie, sondern aus einer Brennstoffzelle kommt. Ihre Reichweite ist üblicherweise größer als die batterieelektrischer Fahrzeuge. Weiterer Vorteil: Der Tankvorgang für den Wasserstoff dauert nur wenige Minuten. Ende 2022 gab es in Deutschland knapp 100 öffentliche Wasserstoff-Tankstellen, davon neun in Hessen. Weitere Stationen sind in Planung bzw. Bau. Die Standorte der bestehenden sowie einiger geplanter Wasserstoff-Tankstellen kann unter h2.live eingesehen werden.

Wasserstoffbusse

An Bedeutung gewinnt die Brennstoffzellentechnik für Busse. Besonders in größeren Städten und ländlichen Gebieten, in denen die Fahrzeuge große Strecken zurücklegen, kann sie Vorteile gegenüber Batterie-Elektrobussen haben. In Hessen sind bereits einige Brennstoffzellenbusse im Einsatz. Einer der Pioniere ist die Firma Winzenhöler aus Groß-Zimmern mit derzeit acht solcher Fahrzeuge, die im Öffentlichen Personennahverkehr (ÖPNV) genutzt werden. Auch die icb GmbH in Frankfurt am Main ist aktiv in der Umstellung auf die Wasserstofftechnologie und hat erste Brennstoffzellenfahrzeuge im Einsatz, im Herbst 2020 wurde ein Förderbescheid des Landes für 13 Fahrzeuge erteilt, ein weiterer 2022 vom Bund über weitere 10 Fahrzeuge. Der Kreis Groß-Gerau plant überdies eine Komplettumstellung auf Brennstoffzellenbusse bis 2030 über seine lokale Nahverkehrsgesellschaft LNVG.

Brennstoffzellenbusse: Bus in türkis mit der Aufschrift "Wasserstöffche" steht vor Geschäftshochhäusern in Frankfurt am Main.
© In-der-City-Bus GmbH 2022, Dominik Buschardt

Wasserstoffzüge des RMV

In Hessen entsteht derzeit ein großes Wasserstoffprojekt zum Einsatz von 27 Brennstoffzellenzügen durch den Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) auf vier Regionalzuglinien, die im Taunusnetz rund um Frankfurt fahren werden. Der benötigte Wasserstoff kommt aus dem Industriepark Höchst und fällt dort als Nebenprodukt und wird vor Ort zur Betankung der Züge genutzt.  Im Industriepark entsteht zudem auch eine weitere Wasserstoffquelle über den Bau einer Elektrolyseanlage. Zur Finanzierung des Projektes haben Fördermittel aus Bund und Land beigetragen.

Blauer Zug mit Wasserstoffantrieb steht in einem überdachten Bahnhof.
© LEA Hessen

Auch für Nutzfahrzeuge aller Art, von Lkw und Transportern über Müllwagen und Straßenreinigungsmaschinen bis hin zu Traktoren und Gabelstaplern, bietet Wasserstoff eine Möglichkeit für einen klimaschonenden Antrieb. Für viele Anwendungsbereiche sind geeignete Brennstoffzellen-Fahrzeuge in der Entwicklung bzw. in kleinen Stückzahlen auch bereits auf dem Markt. Einen Überblick über am Markt verfügbare klimafreundliche Nutzfahrzeuge, insbesondere auch H2-Nutzfahrzeuge, gibt die Webseite www.klimafreundliche-nutzfahrzeuge.de.

Kraft-Wärme-Kopplung

Außer dem Mobilitäts- muss auch der Wärmesektor dringend CO2-neutral werden, um die Klimaziele zu erreichen. Da Brennstoffzellen neben elektrischer auch thermische Energie erzeugen, eignen sie sich auch zum Heizen. Brennstoffzellenheizungen sind somit kleine, sehr effiziente Kraftwärmekopplungsanlagen, die Gebäude gleichzeitig mit vor Ort produziertem Strom und Wärme versorgen. Als Brennstoff fungiert derzeit noch Erdgas, aus dem der Wasserstoff mittels Reformierung abgeschieden wird.

Heizungsraum eines Hauses
© HA Hessen Agentur GmbH
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Power to Liquid

Ein Zukunftsthema ist die Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Bei dem Verfahren, das als Power to Liquid bezeichnet wird, werden aus Wasserstoff und CO2 mittels industrieller Verfahren flüssige Kraftstoffe erzeugt. Solche strombasierten Kraftstoffe (eFuels) haben das Potenzial, langfristig die Luft- und Schifffahrt CO2-neutral zu machen, da dort auch weiterhin flüssige Treibstoffe benötigt werden. Bisher gibt es noch keine Produktionsanlagen in industriellem Maßstab. Das Land Hessen will zum Innovationshub für das Power-to-Liquid-Verfahren werden und fördert über das CENA deren Entwicklung im Industriepark Höchst.