Wasserstoff: der Energieträger der Zukunft

Für das Ziel einer vollständigen Dekarbonisierung des Industriestandorts Deutschland bis zum Jahr 2045 werden machbare Lösungen benötigt, die relativ kurzfristig umsetzbar sind und sich auf einen großen Maßstab skalieren lassen. Eine dieser Lösungen heißt Wasserstoff. Das kleinste Element des chemischen Periodensystems kann Großes leisten auf dem Weg zur Klimaneutralität. Wasserstoff ist elementar und für ein resilientes Energiesystem unverzichtbar.

Wasserstoff: Unverzichtbar für die Energiewende

Sauber, speicherbar, verfügbar

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung 2020 ein milliardenschweres Programm für die Wasserstoff-Technologie erlassen und setzt auf den Energieträger, um die Klimaziele zu erreichen. Zu Recht, denn Wasserstoff kann einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.

Wasserstoff ist ein idealer Energieträger und kann das Speicherproblem erneuerbarer Energien lösen: Das komprimierte Gas lässt sich zuverlässig speichern und leicht transportieren. Dieses Gas steht zu allen Tages- und Jahreszeiten zur Verfügung und ist in großen Mengen vorhanden. Da Wasserstoff nicht wassergefährdend ist, kann er auch in Trinkwasserschutzgebieten zum Einsatz kommen. Durch den Einsatz von Wasserstoff entstehen keine direkten lokalen CO₂-Emissionen, sondern nur Wasserdampf. Wir können mit ihm heizen, Strom erzeugen und Auto fahren. Durch diese vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten trägt Wasserstoff zu einer klimaneutralen Energieversorgung bei und kann eine wichtige Rolle in unserem künftigen Energiesystem einnehmen.

Cover der aktuellen Ausgabe des Gasmagazins

Gasmagazin, Ausgabe 2/2024

Die Gas- und Wasserstoffwirtschaft transformiert sich – und das g-Magazin auch. Die zweite Ausgabe in diesem Jahr erscheint erstmals exklusiv digital. Weiterhin voller spannender Stories und Insights. In der neuen Ausgabe dreht sich alles um den Aufbau des Wasserstoffmarktes: Infrastruktur, Handel und Anwendungen – wir beleuchten die entscheidenden Aspekte. Auch in der Reportage geht es um Wasserstoff: Es gab erstmalig einen Wasserstofftransport via Pipeline von Österreich nach Deutschland. Welche Herausforderungen damit einhergehen, erfahren Sie im Magazin.

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Potenzial von Wasserstoff

Das neue Gas Wasserstoff ist in allen Verbrauchssektoren einsetzbar und bietet viele Potenziale:

Produziert aus Wind- und Sonnenstrom macht Wasserstoff regenerative Energien langfristig speicherbar und löst damit ein Kernproblem der Energiewende.
Eingesetzt in Gas-Kraftwerken kann Wasserstoff Dunkelflauten ausgleichen, das Stromnetz stützen und den Ausbau der regenerativen Energien vorantreiben. Als zweite Säule stärkt Wasserstoff so die Resilienz des gesamten Energiesystems.
In Reinform oder in Form von Derivaten liefert Wasserstoff wichtige Grundstoffe für die Industrie, schafft Möglichkeiten zum Energieträgerwechsel in vielen Produktionsprozessen und schafft als Energielösung neben Strom zusätzliche Sicherheit.
Als E-Fuel oder Antriebsenergie für Brennstoffzellen ist Wasserstoff eine klimaneutrale Antriebsalternative für Schwerlastverkehr, Schiffe oder Flugzeuge.
Als Heizenergie bietet Wasserstoff eine CO₂-neutrale Option für eine Vielzahl bestehender Immobilien, in denen sich Wärmepumpen nur technisch schwierig und ökonomisch unvorteilhaft einsetzen lassen.

Transportieren lässt sich Wasserstoff über die bereits vorhandene Gas-Infrastruktur. Aktuell arbeiten die Netzbetreiber als Teil der deutschen Gas- und Wasserstoffwirtschaft daran, das Gasnetz H₂-ready zu machen. Zusätzlich sind komplett neue Wasserstoffleitungen – vor allem im Fernleitungsnetz – in Planung. Auch die Speicher werden auf die neue Aufgabe der Wasserstoffspeicherung angepasst. Die Investitionen sind hierbei weitaus geringer als beim Bau neuer Stromtrassen. Denn ein großer Teil des Gas-Netzes ist bereits wasserstofffähig. Darüber hinaus bietet Wasserstoff die Möglichkeit, regenerative Energien aus aller Welt zu importieren und unabhängig vom Erzeugungsort in allen Regionen Deutschlands nutzbar zu machen.

H2-Projekt-Karte Deutschland

Die Wasserstoffwirtschaft in Deutschland braucht Transparenz. Erzeuger und Verbraucher müssen einander kennen und sich vernetzen. Die Plattform "H2 Digital" hat sich das zur Aufgabe gemacht. Machen auch Sie Ihr H2-Projekt sichtbar.

Langfristiger Energiespeicher

Die wetterabhängige Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ist eine der zentralen Herausforderungen, vor der das klimaneutrale Energiesystem der Zukunft steht. Die Stromerzeugung aus Sonnen- oder Windkraft unterliegt Schwankungen, sie richten sich nicht nach der Nachfrage. Unser Stromsystem ist aber darauf ausgelegt, dass das Stromangebot nie geringer als die Stromnachfrage ist, sonst kann die Stromversorgung teilweise zusammen brechen. Da außerdem auch Strom verbraucht wird, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, brauchen wir Stromspeicher.

Künftig können Zeiten, in denen mehr Strom aus Wind- und Sonnenenergie produziert als verbraucht wird, genutzt werden, um aus überschüssigem Ökostrom grünen Wasserstoff herzustellen. Dieser kann verlustfrei gelagert werden und bleibt so langfristig nutzbar. Die bestehende Gas-Infrastruktur ist dafür ideal: Mit ihrem 530.000 km langen Leitungsnetz und ihren Speichern kann gasförmige Energie für rund 3 Monate des Jahresverbrauchs von Deutschland eingespeichert werden.

Erzeugung von Wasserstoff

Die natürlichen Vorkommen von reinem Wasserstoff auf der Erde sind zu vernachlässigen. Er kommt fast nur in gebundener Form vor. Die bekannteste Verbindung ist Wasser. Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Ausgangsstoffe sind Rohstoffe wie Wasser, Erdgas oder Biomasse und Energie, die zugeführt wird. Aktuell wird Wasserstoff in der Regel aus Erdgas hergestellt. Dabei entsteht CO₂, das in die Atmosphäre gelangt, wenn es nicht vorher aufgefangen und gespeichert wird. Es gibt inzwischen mehrere Wege, den gasförmigen Energieträger nahezu klimaneutral herzustellen. Je nach Erzeugungsart trägt Wasserstoff unterschiedliche Namen: blauer, türkiser oder grüner Wasserstoff.

Herstellung von Wasserstoff

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff (H₂) ist ein geruchloses und ungiftiges Gas. Es ist das erste und leichteste Element im Periodensystem der Elemente und das häufigste Element in unserem Universum. In reiner Form kommt Wasserstoff auf der Erde jedoch kaum vor, sondern ist chemisch gebunden, zum Beispiel in Wasser, Biomasse oder Methan. Somit muss Wasserstoff erzeugt werden und ist wie Strom keine Primär-, sondern eine Sekundärenergie.

Wasserstoff ist ein sehr guter Energiespeicher: Mit 33,33 kWh/kg hat der Energieträger auf die Masse bezogen die höchste Energiedichte von allen Brennstoffen. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält etwa so viel Energie wie drei Liter Benzin.

Wasserstoff ist etwa 14-mal leichter als Luft. Das farblose Gas besitzt viele vorteilhafte Eigenschaften: Es ist weder giftig noch ätzend oder wassergefährdend. Das Gas entzündet sich nicht selbst und verbrennt rückstandsfrei. Das Gas ist bereits heute Ausgangsstoff für zahlreiche industrielle Anwendungen.

Steckbrief Wasserstoff

Wasserstoff als Basis: So vielfältig können Derivate eingesetzt werden

Wasserstoff fungiert nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsstoff für chemische Produktionsstoffe oder klimaneutrale Kraftstoffe. Die wichtigsten Derivate auf Wasserstoffbasis:

Ammoniak

Ammoniak (NH₃) ist ein Synthesegas aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1:3, das mittels des sogenannten Haber-Bosch-Verfahrens hergestellt wird. Es hat eine um 70 Prozent höhere Energiedichte als reiner Wasserstoff und kann schon bei minus 33 Grad Celsius verflüssigt werden. Das macht Ammoniak zu einem idealen Transport-Medium für Wasserstoff. Zugleich ist Ammoniak Grundstoff für Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie. Als Basis für Kunstdünger sorgt er für höhere Erträge in der Landwirtschaft, wird aber auch für Arzneimittel oder in Reinigungsmitteln verwendet.

Methan

Ebenso wie sich Methan (CH₄) in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlendioxid aufspalten lässt, kann Methan durch die Methanisierung von Wasserstoff synthetisch hergestellt werden. In dieser Form lässt sich der Wasserstoff dann in die bestehende Versorgungsinfrastruktur einspeisen oder heruntergekühlt und verflüssigt per LNG-Tanker transportieren.

Bei der Methanisierung reagiert Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid bei Temperaturen von 300 bis 700 Grad Celsius mit Wasserstoff zu Methan und Wasser. Für diesen Prozess lässt sich Kohlendioxid nutzen, das aus industriellen Punktquellen, etwa der Zement- und Düngemittelindustrie, abgeschieden wird.

Methanol

Methylalkohol, kurz Methanol, wird aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid hergestellt. Das flüssige Methanol lässt sich einfach lagern und transportieren. In der Industrie wird Methanol als Lösungsmittel für Farbstoffe, Lacke, Harze und anorganische Salze genutzt.

Außerdem kommt der Alkohol in chemischen Laboren und bei der Herstellung von Medikamenten und Pflanzenschutzmitteln zum Einsatz. Er kann zudem in speziellen Brennstoffzellen als Kraftstoff für Fahrzeuge eingesetzt werden.

E-Fuels

Durch die Power-to-Liquid-Technologie lassen sich Kraftstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin mittels erneuerbarer Energie, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid synthetisch erzeugen. Sie werden E-Fuels beziehungsweise E-Kerosin genannt.

Bei der Herstellung wird CO₂ aus der Umgebungsluft oder aus industriellen Abgasströmen absorbiert und mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens mit Wasserstoff synthetisiert. E-Fuels bieten eine Alternative zu fossilen Kraftstoffen.

Warum ist Wasserstoff wichtig für das Gelingen der Energiewende?

Beim Einsatz von Wasserstoff entstehen keine direkten, lokalen CO₂-Emissionen, sondern nur Wasserdampf. Zudem kann die bereits vorhandene Gas-Infrastruktur genutzt werden, um den Wasserstoff zu transportieren und zu speichern. Dadurch kann die Energiewende vor allem auch sozialverträglich gestaltet werden, da weniger Investitionen in neue Infrastruktur notwendig sind.

H2 im Gas-Netz

Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Erreichung der Klimaziele?

Um die Erderwärmung auf unter 1,5 °C zu begrenzen, verfolgt Deutschland zusammen mit den Staaten der Europäischen Union das Ziel der Klimaneutralität bis 2050. Auf nationaler Ebene soll das Ziel bereits fünf Jahre vorher, also 2045, erreicht sein. Deutschland braucht Alternativen zu fossilen Energieträgern und einen Speicher für überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Wasserstoff bietet dafür Lösungen und kann aufgrund seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eine Schlüsselrolle einnehmen.

Wird Wasserstoff bereits angewendet?

Wasserstoff als Energieträger wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt und verwendet. In der chemischen Industrie ist er ein unverzichtbarer Energieträger und wird dort unter anderem zur Ammoniakproduktion für Düngemittel eingesetzt. Und auch in Brennstoffzellen-Heizungen wird Wasserstoff zur Erzeugung von Wärme, Warmwasser und Strom verwendet. Erste Fahrzeuge wie Busse und Pkw, die Wasserstoff als Antriebsenergie nutzen, gibt es ebenfalls. Und der energiewirtschaftliche Stellenwert nimmt weiter zu. Länder wie Japan oder Südkorea haben zum Beispiel Erdgas in der Wärmeerzeugung in großen Mengen durch Wasserstoff ersetzt.

Funktionsweise Brennstoffzelle

Auf welchen Wasserstoff sollten wir setzen?

Für den Wasserstoffhochlauf werden alle Technologien zur Herstellung von CO₂-armen Wasserstoff benötigt. Langfristig ist grüner Wasserstoff zu bevorzugen. Dafür ist ein intensiver Ausbau der erneuerbaren Energien nötig.

Wo soll der ganze Wasserstoff für den Wärmemarkt, die Industrie etc. herkommen?

Durch Elektrolyse kann Wasserstoff aus Sonnen- und Windenergie gewonnen werden. Die Menge grünen Wasserstoffs wird allein aber nicht ausreichen. Damit der Energieträger schon bald großflächig eingesetzt werden kann, ist eine größtmögliche Vielfalt in der Wasserstofferzeugung notwendig, um z. B. den CO₂-Ausstoß der Industrie so schnell wie möglich zu reduzieren. Um den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen, müssen auch andere CO_2-arme Herstellungsprozesse von Wasserstoff genutzt werden. Dazu gehört neben der Elektrolyse die Dampfreformierung von Erdgas, bei der das entstehende CO₂ anschließend unterirdisch gespeichert werden kann. Oder die Pyrolyse, bei der Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt wird.

Aber ganz ohne Import werden wir den Bedarf an CO₂-armen Wasserstoff nicht decken können. Das sieht auch die Bundesregierung so und hat ihre Nationale Wasserstoffstrategie dahingehend ausgerichtet. Wir brauchen vor allem in der EU verlässliche Partner für die Gewinnung und den Transport von Wasserstoff sowie Kooperationen und Importstrukturen. Das bietet auch die Chance zum Ausbau des EU-weiten Energie-Binnenmarktes und zur Kooperation mit sonnen- und windreichen Entwicklungsländern, die ein großes Potenzial im Bereich erneuerbarer Energien haben. Von ihnen könnte Deutschland den wertvollen grünen Wasserstoff importieren, um die eigene Produktion aufzustocken. Auch dafür wird sich die Gas-Infrastruktur wandeln müssen.

H2-Herstellung Chancen und Risiken

Sollte Wasserstoff nicht lieber vorrangig in Sektoren eingesetzt werden, die schwer zu dekarbonisieren sind, z. B. die chemische Industrie?

21 Millionen Haushalte in Deutschland heizen mit Gas. Da die vorhandene Gas-Infrastruktur sowie die Gas-Heizgeräte zum großen Teil bereits H₂-ready sind, bietet der Energieträger auch im Gebäudesektor die Möglichkeit einer raschen, aber vor allem auch bezahlbaren Dekarbonisierung. Sofern bei der Herstellung von Wasserstoff alle Wege genutzt werden, kann ein schneller Markthochlauf des Energieträgers gewährt werden. Dadurch wird Wasserstoff in ausreichenden Mengen, zu wettbewerbsfähigen Preisen und für alle Sektoren zur Verfügung stehen.

Welche Fördermöglichkeiten gibt es für Wasserstoffprojekte in Deutschland?

Mittlerweile gibt es sowohl auf Landes- und Bundesebene als auch auf europäischer Ebene eine Vielzahl an Förderprogrammen für die Realisierung von Wasserstoffprojekten und -regionen. Nordrhein-Westfalen fördert beispielsweise drei Regionen im Rahmen des Förderprogramms "Modellkommune/-region Wasserstoffmobilität NRW". Und im Rahmen von "HyLand" und "Reallabore der Energiewende" werden deutschlandweit Regionen und Projekte gefördert. Die Bundesregierung hat 2021 zudem 62 deutsche Großvorhaben ausgewählt, die im Rahmen der europäischen Fördermöglichkeit "Important Projects of Common European Interest (IPCEI)" bei der Entwicklung und Realisierung von Wasserstoffprojekten unterstützt werden.

HyLand Reallabore H2-Projektkarte

Branchennews 14. November 2024

Zur Meldung

Mit klaren und schnellen Entscheidungen in die klimaneutrale Zukunft

Deutschland hat beste Voraussetzungen, das Potenzial des Energieträgers Wasserstoff umfassend zu heben. Das Gas-Netz als vorhandene Infrastruktur ist dank des vorausschauenden Engagements der Unternehmen der Gas- und Wasserstoffwirtschaft auf einem modernen Stand. Dies schafft einen Vorsprung zu anderen Ländern, die den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ebenfalls anstreben.

Die wichtigen Weichenstellungen, um die Chancen der Wasserstoff-Wirtschaft zu nutzen, müssen jetzt vorgenommen werden. Die Herausforderung ergibt sich aus der Gleichzeitigkeit von Transformationsprozessen in der Industrie, dem Ausbau der Erzeugungskapazitäten, dem Schließen von globalen Partnerschaften, der Entwicklung neuer Techniken und der Gestaltung neuer Marktregeln. Die Politik ist gefordert, mit schnellen Entscheidungen den Erfolg des Markthochlaufs von Wasserstoff möglich zu machen.

Wie der Ausbau der regenerativen Energien müssen Wasserstoff-Projekte Vorrang bei Planungsverfahren und bei der Umsetzung haben.
Die parallele, unabgestimmte Netzplanung muss in eine integrierte Infrastrukturplanung übergehen, die alle relevanten Netze berücksichtigt. Dazu ist ein verstärkter Dialog zwischen Wirtschaft, Wissenschaft und Politik notwendig.
Unternehmen und Investoren benötigen Planungssicherheit, um die notwendigen Transformationsschritte zu finanzieren und damit den Absatzmarkt für grünen Wasserstoff zu schaffen. Es muss klare gesetzliche Regelungen und verlässliche Vorgaben über fixe Zeiträume geben.
Die Schaffung der Rahmenbedingungen verlangt sinnvoll aufeinander aufbauende Gesetzgebungsverfahren und Verordnungen, die im Dialog entstehen und den Hochlauf anreizen.
Ganz konkret stellt sich aktuell die Notwendigkeit eines Aufbauprogramms für die ersten 10 GW an Elektrolysekapazität sowie die Zulassung der CCS-Technologie, um die heimische Produktion von grünem Wasserstoff voranzutreiben und Offenheit gegenüber CO₂-armem Wasserstoff für die Übergangszeit einer vollständigen Transformation der Wasserstoff-Produktion zu schaffen.

Erdgas hat die Vergangenheit der Gas-Wirtschaft geprägt, Wasserstoff, Ammoniak und Biomethan prägen die Gegenwart und eröffnen die Zukunft. Die Gas-Wirtschaft wird zur Wasserstoff-Wirtschaft.

Expertenthema

Mit Wasserstoff erneuerbare Energien speichern und transportieren

Wasserstoff wird der Energieträger der Zukunft. In Wasserstoff können wir die Sonnen- und Windenergie vom Sommer für den Winter speichern, vom Tag für die Nacht. Mit Wasserstoff können wir unendlich viel nachhaltige Energie aus der ganzen Welt importieren und uns unabhängig machen von einzelnen Ländern und Technologien. In unserer Broschüre finden Sie die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff und was dafür nötig ist.

Download Broschüre

H2-Pro­jekt-Kar­te Deutsch­land

Am­mo­ni­ak

Me­than

Me­tha­nol

E-Fuels

Thyssengas treibt Energiewende voran: 1.100 Kilometer Wasserstoff-Leitungen für NRW

H2-Projekt-Karte Deutschland

Ammoniak

Methan

Methanol