Power-to-Gas

Aus grünem Strom wird grüner Wasserstoff

Ei­ne gro­ße He­raus­for­de­rung der Ener­gie­wen­de ist die vo­la­ti­le Ein­spei­sung von re­ge­ne­ra­tiv er­zeug­tem Strom. Schon heu­te ist re­gi­o­nal mehr Elek­tri­zi­tät vor­han­den, als das Strom­netz auf­neh­men kann. Die Fol­ge: Wind­parks müs­sen kurz­fris­tig ab­ge­re­gelt wer­den. Die­se Zei­ten eig­nen sich be­son­ders gut für die Pro­duk­ti­on von grü­nem Was­ser­stoff: Statt den Strom aus Wind und Son­ne ab­zu­re­geln, wird er zur Pro­duk­ti­on von grü­nem Was­ser­stoff ge­nutzt, der dann in das Gas-Netz ein­ge­speist wer­den kann.

Herstellung: Wie wird grüner Wasserstoff erzeugt?

Wie wird grüner Wasserstoff hergestellt?

Die Her­stel­lung von grü­nem Was­ser­stoff er­folgt durch die Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie. Was­ser (H2O) wird in Elek­tro­ly­seu­ren durch eine elek­tri­sche Span­nung in Was­ser­stoff (H2) und Sau­er­stoff (O2) auf­ge­spal­ten. Wird für die Elek­tro­ly­se Strom aus er­neu­er­ba­ren Quel­len ver­wen­det, wer­den kei­ne Treib­haus­ga­se bei der Er­zeu­gung von Was­ser­stoff aus­ge­sto­ßen, er ist al­so CO2-frei und wird dann grü­ner Was­ser­stoff ge­nannt.

Der grü­ne Was­ser­stoff kann ent­we­der di­rekt ins Gas-Netz ein­ge­speist wer­den – nach den ak­tu­el­len Vor­ga­ben darf die Bei­mi­schung bis zu 10 Pro­zent be­tra­gen – oder er wird zu syn­the­ti­schem Gas wei­ter­ver­ar­bei­tet, das un­be­grenzt bei­ge­mischt wer­den kann. Hier­zu wird der re­ge­ne­ra­tiv ge­won­ne­ne Was­ser­stoff mit Koh­len­di­o­xid (CO2), z. B. aus ei­ner be­nach­bar­ten Bio­gas-An­la­ge mit­tels Me­than­syn­the­se zu er­neu­er­ba­rem Gas (CH4) um­ge­wan­delt. Als Bei­pro­dukt ent­steht H2O – Was­ser.

Die Ef­fi­zienz der Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie hat sich ste­tig ver­bes­sert. Auch, da die Gas-Wirt­schaft in den ver­gan­ge­nen Jah­ren er­heb­li­che In­ves­ti­ti­o­nen in die Er­for­schung und Wei­ter­ent­wick­lung zur ef­fi­zien­ten Er­zeu­gung von grü­nem Was­ser­stoff ge­tä­tigt hat. Mit Er­folg: In ak­tu­el­len For­schungs­pro­jek­ten wei­sen Was­ser­stoff-Elek­tro­ly­seu­re be­reits ei­nen Wir­kungs­grad von 95 Pro­zent auf. So kann die De­kar­bo­ni­sie­rung be­schleu­nigt und grü­ner Was­ser­stoff schnell markt­fä­hig ge­macht wer­den.

Hocheffizienz-Elektrolyseur

Markthochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft
Einheitliche Vorgaben für die Herstellung von grünem Wasserstoff

Mit der No­vel­le der 37. Ver­ord­nung zur Durch­füh­rung des Bun­des-Im­mis­si­ons­schutz­ge­set­zes (37. BImSchV) vom 13.12.2023 wird erst­mals de­fi­niert, un­ter wel­chen Be­din­gun­gen der Strom zur Her­stel­lung von E-Fuels und an­de­ren syn­the­ti­schen Kraft­stof­fen als voll­stän­dig er­neu­er­bar und der mit die­sem Strom er­zeug­te Was­ser­stoff als grün gilt. Zu­dem wird die För­de­rung von grü­nem Was­ser­stoff zum Ein­satz im Ver­kehrs­sek­tor im Rah­men der THG-Quo­te durch hö­he­re An­rech­nung ver­bes­sert. Auf die­se Wei­se schafft die Bun­des­re­gie­rung die Vo­raus­set­zung für ei­nen be­schleu­nig­ten Markt­hoch­lauf der grü­nen Was­ser­stoff­wirt­schaft.

Was­ser­stoff gilt nur dann als grün, wenn der bei sei­ner Her­stel­lung ein­ge­setz­te Strom zu 100 Pro­zent aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien nicht-bio­ge­nen Ur­sprungs stammt. Au­ßer­dem muss der CO2-Aus­stoß der ge­sam­ten Pro­duk­ti­on durch die Nut­zung von grü­nem Was­ser­stoff um min­des­tens 70 Pro­zent ge­senkt wer­den. Da­bei wer­den die Emis­si­o­nen über die ge­sam­te Lie­fer­ket­te be­rück­sich­tigt, un­ter an­de­rem auch für den Trans­port des grü­nen Was­ser­stoffs. Die­se An­for­de­run­gen gel­ten ge­nau­so für die Pro­duk­ti­on von mit grü­nem Was­ser­stoff er­zeug­ten E-Fuels für Stra­ßen­fahr­zeu­ge und wei­te­re er­neu­er­ba­re Kraft­stof­fe nicht-bio­ge­nen Ur­sprungs (Renewable fuels of non-biological origin, RFNBOs).

Da­mit wer­den eu­ro­pa­recht­li­che Vor­ga­ben aus zwei de­le­gier­ten Ver­ord­nun­gen zur Er­neu­er­ba­re-Ener­gien-Richt­li­nie (RED II) für die Her­stel­lung von RFNBOs – ins­be­son­de­re für den Be­zug von er­neu­er­ba­rem Strom – und für die Er­mitt­lung der Treib­haus­gas­ein­spa­run­gen von RFNBOs zum Ein­satz im Ver­kehrs­sek­tor um­ge­setzt. Die no­vel­lier­te 37. BImSchV be­darf der Zu­stim­mung des Bun­des­tags, be­vor sie in Kraft tre­ten kann.

Klimakommune: Energiewende im Kleinen

Gas neu denken: Kommunale Energiewende

Die Ener­gie­wen­de ist eins der wich­tigs­ten Ge­mein­schafts­pro­jek­te in Deutsch­land und er­for­dert viel Ge­stal­tungs­wil­len. In un­se­ren Kom­mu­nen sind die Ge­ge­ben­hei­ten und He­raus­for­de­run­gen sehr un­ter­schied­lich – eben­so wie die He­ran­ge­hens­wei­sen, mit de­nen wir die Ener­gie­wen­de vo­ran­brin­gen. Weil es nicht den ei­nen rich­ti­gen Weg gibt, ar­bei­ten wir an in­no­va­ti­ven so­wie le­bens­na­hen de­zen­tra­len Lö­sun­gen für die Re­gi­o­nen. Lasst uns ge­mein­sam #gasneudenken.

Klimakommune
Grüner Wasserstoff, grüne Moleküle

In ih­nen wird kli­ma­neu­tra­les Gas er­zeugt. Herz­stück der Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie ist der Elek­tro­ly­seur, der Was­ser mit­hil­fe von er­neu­er­ba­rem Über­schuss-Strom in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf­spal­tet. Die Tech­no­lo­gie ist das ver­bin­den­de Ele­ment zwi­schen Strom- und Gas-In­fra­struk­tur.

Bei der Elek­tro­ly­se wird die che­mi­sche Ver­bin­dung H2O (Was­ser) mit­hil­fe elek­tri­schen Stroms in die Be­standteile Wasserstoff (H2) und Sau­er­stoff (O2) zer­legt. Die wich­tigs­te An­wen­dung von Elek­tro­ly­se ist zur Ge­win­nung von Was­ser­stoff.

Was­sers­toff (H2) und Koh­len­di­o­xid (CO2) rea­gie­ren zu Me­than (CH4) und Was­ser (H2O). Für die Me­tha­ni­sie­rung kann schwer­ver­meid­ba­res CO2 aus z. B. in­dus­tri­el­len Pro­zes­sen ver­wen­det wer­den. Es gibt be­reits auch Pro­zes­se zur bio­lo­gi­schen Me­tha­ni­sie­rung durch Mi­kro­or­ga­nis­men. Das so ent­ste­hen­de syn­the­ti­sche Gas kann in un­be­grenz­ten Men­gen in die be­ste­hen­de Gas-In­fra­struk­tur ein­ge­speist wer­den.

Biologische Methanisierung

Ver­schie­de­ne Power-to-Gas-An­la­gen ha­ben die tech­ni­sche Mach­bar­keit be­reits un­ter Be­weis ge­stellt. In zahl­rei­chen For­schungs- und Pi­lot­an­la­gen wird das Strom-zu-Gas-Ver­fah­ren wei­ter­ent­wi­ckelt.

Der Ener­gie­kon­zern Uniper hat be­reits vor Jah­ren be­wie­sen, dass Was­ser­stoff aus er­neu­er­ba­ren Ener­gien funk­ti­o­niert. Im bran­den­bur­gi­schen Fal­ken­ha­gen wur­de 2013 die in­ter­na­ti­o­nal ers­te De­mons­tra­ti­ons­an­la­ge zur Spei­che­rung von Wind­strom im Erd­gas­netz er­rich­tet. Der Strom aus der Wind­kraft­an­la­ge wird in ei­nem Elek­tro­ly­se­pro­zess in rund 360 Nm³/h Was­ser­stoff um­ge­wan­delt, der in das Fern­gas­netz ein­ge­speist wer­den kann.

Das Pro­jekt AquaVentus bie­tet von Hel­go­land aus hi­naus in die Deut­sche Bucht ein op­ti­ma­les und ska­lier­ba­res Pro­jekt, um die deut­schen und eu­ro­pä­i­schen Kli­ma­zie­le zu er­rei­chen. 10 Gi­ga­watt Er­zeu­gungs­leis­tung für grü­nen Was­ser­stoff aus Off­shore-Wind­ener­gie bis zum Jahr 2035. Füh­ren­de Un­ter­neh­men, For­schungs­in­sti­tu­te und Ver­bän­de ent­lang der ge­sam­ten Wert­schöp­fungs­ket­te eb­nen mit AquaVentus den Weg, die Wirt­schaft schnell und um­welt­freund­lich jähr­lich mit ei­ner Mil­li­on Ton­nen grü­nem Was­ser­stoff aus der Nord­see zu ver­sor­gen.

Bei der Pho­to­ka­ta­ly­se wird Was­ser mit Ka­ta­ly­sa­to­ren ge­mischt. Die­se Ka­ta­ly­sa­to­ren spal­ten das Was­ser mit Hil­fe des Son­nen­lichts in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff auf. Die­ses Prin­zip wird be­reits bei ers­ten Ver­suchs­an­la­gen in Ja­pan an­ge­wen­det. Ak­tu­ell (Stand 2024) lie­gen die Be­stre­bun­gen da­rin, die Ef­fi­zienz des Ver­fah­rens zu op­ti­mie­ren und deut­lich (der­zei­ti­ger Ef­fi­zienz­grad i. H. v. 2 Pro­zent) zu er­hö­hen. Da­für wer­den nach­hal­ti­ge und res­sour­cen­scho­nen­de Ka­ta­ly­sa­to­ren ge­sucht und er­forscht – wie bspw. in dem vom BMBF ge­för­der­ten Pro­jekt zur Er­zeu­gung von grün­em Was­ser­stoff per Pho­to­ka­ta­ly­se der Frie­drich-Schil­ler-Uni­ver­si­tät Je­na.

Zehn Gigawatt an Elektrolyseleistung für grünen Wasserstoff bis 2030

Bis 2030 soll die Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on in Deutsch­land 10 Gi­ga­watt ins­tal­lier­te Leis­tung er­rei­chen. Die Pro­duk­ti­ons­ka­pa­zi­tä­ten ent­wi­ckeln sich kon­ti­nu­ier­lich. Al­ler­dings ist ein deut­lich stär­ke­rer Aus­bau not­wen­dig, um das Ziel zu er­rei­chen.

Im Jahr 2022 be­trug die deut­sche ins­tal­lier­te Pro­duk­ti­ons­leis­tung für Was­ser­stoff 0,07 Gi­ga­watt. In 2023 wa­ren es 0,06 Gi­ga­watt. Zahl­rei­che Pro­jek­te be­fin­den sich in der Plan­ungs­pha­se. Bei ent­spre­chen­der Um­set­zung steigt die ins­tal­lier­te Leis­tung auf etwa 8,77 Gi­ga­watt im Jahr 2030. Das be­deu­tet: Das Ziel der Bun­des­re­gie­rung (10 Gi­ga­watt) wür­de mit den bis­lang pro­jek­tier­ten An­la­gen noch nicht ganz aus­rei­chen.

Elektrolyseleistung für grünen Wasserstoff bis 2030

In ab­so­lu­ten Zah­len gab es 2023 etwa 30 Elektrolyseure in Deutsch­land, die Elek­tro­ly­se-Was­ser­stoff pro­du­zier­ten. Die meis­ten von ih­nen sind De­mons­tra­ti­ons- oder For­schungs­an­la­gen. An­de­re sind aus For­schungs­pro­jek­ten her­vor­ge­gan­gen. Vor al­lem grö­ße­re Pro­duk­ti­ons­stät­te sind der­zeit noch in der Pla­nung oder am An­fang der Bau­pha­se. Bis 2030 sind ins­ge­samt 111 Elek­tro­ly­seu­re (Stand: Au­gust 2023) ge­plant. Deutsch­land braucht da­her drin­gend ei­nen Tur­bo, um die Was­ser­stoff­wirt­schaft in Gang zu brin­gen.

Nord-Süd-Gefälle bei inländischer Produktion

Im Ver­gleich der 16 Bun­des­län­der er­gibt sich mit Blick auf den Aus­bau der Pro­duk­ti­ons­ka­pa­zi­tä­ten für grü­nen Was­ser­stoff ein deut­li­ches Nord-Süd-Ge­fäl­le. In den fünf wind­rei­chen nord­deut­schen Bun­des­län­dern Schles­wig-Hol­stein, Nie­der­sach­sen, Meck­len­burg­-Vor­pom­mern, Nord­rhein-West­fa­len und Bran­den­burg sind 88 Pro­zent der deut­schen Elek­tro­ly­se­ka­pa­zi­tä­ten bis 2030 ge­plant. Der Aus­bau­pfad der süd­li­che­ren Bun­des­län­der und ins­be­son­de­re der drei Stadt­staa­ten ver­läuft hin­ge­gen deut­lich zö­ger­li­cher. Der ins­ge­samt ge­plan­te Aus­bau­pfad un­ter­streicht nicht zu­letzt, dass Deutsch­land auch in Zu­kunft auf den Im­port von Ener­gie an­ge­wie­sen sein wird. Um sei­nen Ener­gie­be­darf zu de­cken, wird Deutsch­land vor al­lem Was­ser­stoff, aber auch Bio­methan, im­por­tie­ren müs­sen.

Geplante installierte Leistung der Elektrolyseure

Vorteile von Power-to-Gas nutzen

Power-to-Gas wird durch sei­ne Spei­cher­funk­ti­on zum Jo­ker der Ener­gie­wen­de. Die An­la­gen sind sehr fle­xi­bel und kön­nen bei wet­ter­be­ding­ten Spit­zen in der Strom­er­zeu­gung schnell hoch­ge­fah­ren wer­den. Durch die Um­wand­lung von grü­nem Strom in grü­nen Was­ser­stoff kön­nen er­neu­er­ba­re Ener­gien über die be­ste­hen­de Gas-In­fra­struk­tur trans­por­tiert und an an­de­rer Stel­le wie­der ver­füg­bar ge­macht wer­den. Das mil­dert den Aus­bau­druck bei den Strom­tras­sen. Schwer zu elek­tri­fi­zie­ren­de in­dus­tri­el­le Pro­zes­se lie­ßen sich künf­tig kli­ma­freund­lich ge­stal­ten. So geht Ener­gie­wen­de – mit­ein­an­der, nicht ge­gen­ein­and­er.

Noch sind die Kosten hoch

In ei­ner Ton­ne grü­nen Was­ser­stoff sind 33.330 Ki­lo­watt­stun­den Ener­gie ent­hal­ten. Die Her­stel­lung ist al­ler­dings noch sehr kos­ten­in­ten­siv. Klar ist: Die Mas­sen­pro­duk­ti­on leis­tungs­star­ker Elek­tro­ly­seu­re in Ver­bin­dung mit güns­ti­gem er­neu­er­ba­rem Strom wird mit­tel- bis lang­fris­tig die Ent­ste­hungs­kos­ten für grü­nen Was­ser­stoff sen­ken. Au­ßer­dem wird der Be­darf wei­ter stei­gen.

Um die­sen zu­künf­tig ho­hen Be­darf an Was­ser­stoff de­cken zu kön­nen, braucht es 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, heißt es in der na­ti­o­na­len Was­ser­stoff­stra­te­gie. Von ih­nen könn­te Deutsch­land den wert­vol­len grü­nen Was­ser­stoff im­por­tie­ren, um die ei­ge­ne Pro­duk­ti­on auf­zu­sto­cken.

Auch die Gas-In­fra­struk­tur wird sich da­für wan­deln müs­sen und ist The­ma der na­ti­o­na­len Was­ser­stoff­stra­te­gie der Bun­des­re­gie­rung. Aber auch ei­ne größt­mög­li­che Viel­falt in der Was­ser­stoff­er­zeu­gung ist 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 CO2-ar­me Her­stel­lungs­pro­zes­se von Was­ser­stoff ge­nutzt wer­den. Zum Bei­spiel die Me­than­py­ro­ly­se, tür­ki­ser Was­ser­stoff, oder die Dampf­re­for­mie­rung in Ver­bin­dung mit CCS, so­ge­nann­ter blau­er Was­ser­stoff.

H2-Herstellung durch Pyrolyse

Türkiser Wasserstoff

CO2 wird dau­er­haft als fes­tes Gra­nu­lat ge­bun­den.

Pyrolyse
Blauer Wasserstoff für die Industrie

Blauer Wasserstoff

Das aktuell wirt­schaft­li­chste Ver­fah­ren für die H2-Her­stel­lung.

Blauer H2
Vielfältige Verwendung von Wasserstoff

Verwendung

Was­ser­stoff kann viel­fäl­tig und sek­tor­über­grei­fend ein­ge­setzt wer­den.

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Wissenswertes zu Wasserstoff

Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für die Energiewende. In unserem Steckbrief Wasserstoff finden Sie alles Wissenswertes.

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