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.

Wasserstoff: Energiepark Mainz

Elektrolyse und Brennstoffzelle

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. 

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

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.

Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Weißer PKW steht an einer Wasserstoff-Tankstelle in Offenbach
© 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. Allerdings ist die Brennstoffzellentechnik noch vergleichsweise teuer und die nötige Infrastruktur befindet sich noch im Aufbau. Ende 2020 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.

Wasserstoff: Toyota Mirai in Frankfurt

Ein Auto zum Testen

Um die Potenziale von Brennstoffzellen-Autos erlebbar zu machen und Interessierten die Möglichkeit zu geben, sie zu testen, hat die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V. (H2BZ-Initiative Hessen) im Rahmen des Projekts „Weiter mit Wasserstoff“ einen Toyota Mirai angeschafft und in Frankfurt über den Carsharing-Anbieter book-n-drive der Allgemeinheit zugänglich gemacht. Über 60.000 Kilometer wurden von einer Vielzahl an Fahrerinnen und Fahrer mit dem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug innerhalb von drei Jahren zurückgelegt.

Zum Projekt „Weiter mit Wasserstoff“

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. Ab Herbst 2021 werden bei der ESWE Verkehrsgesellschaft in Wiesbaden insgesamt zehn Brennstoffzellenbusse zum Einsatz kommen. An der Finanzierung der zugehörigen Wasserstoff-Tankstelle hat sich das Land beteiligt. Auch in Frankfurt ist der Einstieg in die Technologie geplant, im Herbst 2020 wurde dazu ein Förderbescheid des Landes für 13 Fahrzeuge erteilt. Weitere Förderungen und Beschaffungen sind in Vorbereitung. Der Kreis Groß-Gerau plant überdies eine Komplettumstellung auf Brennstoffzellenbusse bis 2030 über seine lokale Nahverkehrsgesellschaft LNVG.

H2-Bus der Firma Winzenhöler fährt durch Darmstadt
© 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.

Wasserstoff-Projekte in Hessen

Bus steht an einer Wasserstofftankstelle
© LEA Hessen

Industriepark Höchst

Im Industriepark Höchst plant das Unternehmen INERATEC die Errichtung einer Power-to-Liquid-Pionier-Anlage. Sie soll ab 2022 bis zu 4,6 Mio. Liter synthetischer Kraftstoffe pro Jahr produzieren. Das Unternehmen CAPHENIA entwickelt ein innovatives Power-and-Biogas-to-Liquid-Verfahren (PBtL) zur Herstellung von erneuerbaren Kraftstoffen und Grundchemikalien.

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

Brennstoffzellenzüge

Ab Ende 2022 wird der Höchster Wasserstoff zudem 27 Brennstoffzellenzüge antreiben, die der Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) auf vier Regionalzuglinien im Taunusnetz rund um Frankfurt einsetzen wird. Die Infrastruktur für die Betankung der Züge entsteht ebenfalls im Industriepark Höchst. Zur Finanzierung haben Fördermittel aus Bund und Land beigetragen.

Gruppe besichtigt Brennstoffzelle „QuattroGeneration“ der Firma N2telligence am Standort des International Business Exchange(TM)-Rechenzentrums FR4 in Frankfurt am Main
© N2telligence

Brennstoffzelle in einem Rechenzentrum in Frankfurt

Rechenzentren verbrauchen viel Energie. Diese bereits 2013 erbaute Anlage kann pro Jahr bis zu 860.000 Kilowattstunden Strom und über 800.000 Kilowattstunden Wärme beziehungsweise Kühlung erzeugen. Die sauerstoffreduzierte Abluft der Brennstoffzelle kann die Brandgefahr im Rechenzentrum mindern.

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Gafik des Landes Hessen mit Wasserlinien, Städtesymbolen und Wasserstoff-Angeboten
© LEA Hessen

Aufbau von Wasserstoffregionen in Hessen

Derzeit nehmen drei Kommunen aus Hessen am HyLand-Programm des Bundes teil: die Stadt Fulda, die Stadt Frankfurt sowie der Landkreis Marburg-Biedenkopf.

Mehr Infos zu Hyland-Wasserstoffregionen in Deutschland

Mehr Informationen

Potenzialbeschreibung Wasserstofftransport über das Schienennetz

Potenzialbeschreibung Wasserstofftransport über das Schienennetz

Erscheinungsdatum

02.01.2020

Themenfeld

Kommune, Unternehmen

herunterladen (PDF, 3,70 MIB)

Wasserstoff aus Windenergie

Wasserstoff aus Windenergie

Erscheinungsdatum

01.11.2013

Themenfeld

ExpertinExperte, Kommune, Speicher, Unternehmen, Windenergie

herunterladen (PDF, 2,99 MIB)