In der weltweiten Suche nach nachhaltigen Energielösungen gilt Wasserstoff zunehmend als Hoffnungsträger. Als chemisches Element ist er das häufigste im Universum, seine Nutzung als Energieträger birgt jedoch sowohl komplexe Herausforderungen als auch enorme Potenziale. Doch was macht Wasserstoff zu einer Schlüsseltechnologie in der Energiewende, und welche Hindernisse müssen überwunden werden?
Wasserstoff stellt 75 % der gesamten Masse unseres Sonnensystems dar. Sämtliche lebende Organismen und beinahe alle organischen Verbindungen bestehen zum Teil aus Wasser, der Verbindung von Wasser- und Sauerstoff.
In Form von Wasserstoff kann Energie gespeichert und wieder freigeben werden. Bei der Verbrennung entstehen keine CO2-Emissionen. Insbesondere wenn die gespeicherte Energie erneuerbar ist, werden so klimaschädliche Emissionen vermieden. Chemisch enthält eine Tonne Wasserstoff eine Energiemenge von 33 Megawattstunden (MWh). Das entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Stromverbrauch von 11 Drei-Personen-Haushalten in einem Mehrfamilienhaus. Wasserstoff kann beispielsweise direkt genutzt werden, z. B. in Industrieprozessen oder für die Bereitstellung von Wärme- und Kälteenergie.
Ein erfolgreicher Wasserstoffhochlauf ist entscheidend für die Transformation des Energiesystems und für die Transformation industrieller Prozesse. Denn rund 1,8 Mio. industrielle und gewerbliche Kunden und zudem fast jeder zweite Haushalt in Deutschland sind an das Gasverteilnetz angeschlossen. Es muss deshalb in die künftige Wasserstoffwirtschaft eingebunden werden, um den Industriestandort Deutschland klimaneutral und zukunftsfest zu machen. Investitionen in Wasserstofftechnologien sind somit eine der Grundlagen für einen krisenresilienten und wettbewerbsfähigen deutschen Wirtschaftsstandort. Für die Akzeptanz der Gesellschaft und die Produktivität der Wirtschaft spielt die Energieversorgungssicherheit über Energieträgergrenzen hinweg und deren Entwicklungen eine maßgebliche Rolle. Die sichere Versorgung ist mit anderen Zielen zusammen zu denken. Es gilt dabei das strategische Zieldreieck aus Versorgungssicherheit, Klimaneutralität und Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen. Gasbasierte Moleküle im Energiesystem leisten einen entscheidenden Beitrag dazu.
Wasserstoff kann auf zwei Arten zum Endverbraucher gelangen: in Reinform bzw. gebunden in einem Derivat oder als Beimischung zum derzeit noch fossilen Erdgas. Verschiedene Untersuchungen, Forschungs- und Praxisprojekte an häuslichen und gewerblichen Bestandsanlagen zeigen, dass eine Wasserstoff-Beimischung von bis zu 20 Vol.-% im Erdgas oder Biomethan mit gegebenenfalls geringen Anpassungen möglich ist.
Bei einer Umstellung auf 100 Vol.-% Wasserstoff wird in der Regel ein Umstellset für die jeweilige Gasanwendung benötigt. Die erforderlichen Umstellsets befinden sich von den Herstellern in der Entwicklung und sind bereits für die kommenden Jahre als verfügbar angekündigt. Sie sollen mit geringem Arbeitsaufwand die Umstellung auf den Betrieb mit reinem Wasserstoff ermöglichen.
Die Betreiber der Transportleitungen haben ein reines 9.000 Kilometer langes sog. „H2-Kernnetz“ geplant. Rund 60 %dieser Strecke sollen durch die Umstellung bestehender Erdgasleitungen entstehen, während 40 %neu gebaut werden müssen. Die Kosten für den Aufbau des gesamten Netzes werden im Antrag mit 18,9 Mrd. Euro beziffert, wobei durch die Nutzung vorhandener Infrastruktur erhebliche Einsparungen erzielt werden können. Bis 2032 sollen die geplanten Maßnahmen umgesetzt und das Netz vollständig in Betrieb genommen werden. Das Wasserstoff-Kernnetz verbindet Produktionsstandorte, große Verbrauchszentren, Speicher sowie Importpunkte. Zu Letzteren zählen Häfen wie Wilhelmshaven oder Rostock, die als zentrale Knotenpunkte für Wasserstoffimporte über Pipelines und Schifffahrtsrouten dienen. Zudem gewährleistet das Kernnetz die Anbindung an europäische Wasserstoffkorridore, um Flexibilität für den Im- und Export zu schaffen und die Energieversorgung langfristig zu sichern. Die Planungen sind eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung das wiederrum daran angeschlossenen Wasserstoffverteilnetzes.
Wer sich an die Knallgasprobe in der Schule erinnert, der hat vermutlich auch noch die wesentlichen Eigenschaften von Wasserstoff im Kopf: geruchlos, farblos und im Periodensystem links oben auf der Position 1 angesiedelt. Da sehr viel Energie in ihm steckt, gilt Wasserstoff als Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Zukunft. Eine Herausforderung dabei: Auf der Erde kommt Wasserstoff in der Regel nur in gebundener Form vor – meist in Form von Wasser (H2O). Um reinen Wasserstoff zu erhalten, muss dieser aus bestehenden Verbindungen getrennt werden. Dazu wird Energie benötigt und in diesem Zusammenhang kommen nun die Farben ins Spiel: Sie bezeichnen die unterschiedlichen Arten der Wasserstofferzeugung. Bei einigen Produktionsverfahren entsteht CO2, andere Herstellungswege verwenden Energie aus erneuerbaren Quellen und erzeugen damit klimaneutralen Wasserstoff.
Wer sich an die Knallgasprobe in der Schule erinnert, der hat vermutlich auch noch die wesentlichen Eigenschaften von Wasserstoff im Kopf: Geruchlos, farblos und im Periodensystem links oben auf der Position 1 angesiedelt. Da sehr viel Energie in ihm steckt, gilt Wasserstoff als Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Zukunft. Eine Herausforderung dabei: Auf der Erde kommt Wasserstoff in der Regel nur in gebundener Form vor – meist in Form von handelsüblichem Wasser (H2O). Um reinen Wasserstoff zu erhalten, muss dieser aus bestehenden Verbindungen – wie H2O – getrennt werden. Dazu wird Energie benötigt und in diesem Zusammenhang kommen nun die Farben ins Spiel: Sie bezeichnen die unterschiedlichen Arten der Wasserstofferzeugung. Bei einigen Produktionsverfahren entsteht CO2, andere Herstellungswege verwenden Energie aus erneuerbaren Quellen und erzeugen damit nahezu klimaneutralen Wasserstoff.
Grauer Wasserstoff wird über das Verfahren der sog. Dampfreformierung aus fossilem Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund 10 Tonnen CO2 pro Tonne Wasserstoff. Das CO2 wird in die Atmosphäre abgegeben. Ziel ist es, grauen Wasserstoff perspektivisch zu ersetzen.
Blauer Wasserstoff wird ebenfalls aus fossilem Erdgas per Reformierungsverfahren gewonnen – analog zum grauen Wasserstoff. Blauer wird jedoch als kohlenstoffarmer Wasserstoff eingestuft, da der Großteil des dabei entstehenden CO₂ mit dem Einsatz der Carbon-Capture-and-Storage-Technologie (CCS) abgeschieden und anschließend unterirdisch gespeichert wird.
Türkiser Wasserstoff wird aus fossilem Erdgas mittels Pyrolyse produziert. Hierbei fällt fester Kohlenstoff als Nebenprodukt an, der entweder gelagert oder für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. Hierdurch gelangt kein CO₂ in die Atmosphäre.
Erneuerbarer (grüner) Wasserstoff wird durch Elektrolyse erzeugt, bei der Wasser mit Strom aus Erneuerbaren Energien (z. B. Wind- oder Solarenergie) und unter Einhaltung nachhaltiger Strombezugskriterien in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dabei entstehen keine CO₂-Emissionen. So kann also der Strom aus Wind und Photovoltaik in Form von Wasserstoff gespeichert werden und durch dieses Verfahren für viele Anwendungen genutzt werden, in denen Strom nicht direkt oder nur schwierig einsetzbar ist.
Neben grünem Wasserstoff kann auch elektrolytisch erzeugter Wasserstoff mit niedrigem CO₂-Fußabdruck erzeugt werden, wenn dafür zwar keine erneuerbaren, aber anderweitig kohlenstoffarme Stromquellen genutzt werden.
Weißer Wasserstoff wird in unterirdischen Vorkommen gebildet, oft durch geochemische Prozesse tief in der Erde. Deren wirtschaftliche Förderbarkeit kann derzeit noch nicht abschließend beurteilt werden.
Ausgezeichnet mit dem Innovationspreis Gas 2020: Die effiziente Anlagenkombination aus Plasmalyseanlage, Wasserstoff-Gas-Brennwert und Photovoltaik.
Die Energieversorgung durch Erneuerbare Energien ist gerade für Nichtwohngebäude im urbanen Umfeld aufgrund der volatilen Verfügbarkeit, der Speicherproblematik und der Investitionskosten schwer realisierbar. Ein neuer Ansatz ist der Einsatz kohlenstoffarmer Gase und innovativer Technologien zur Minderung von CO₂-Emissionen. Das Mercure Hotel MOA Berlin verwöhnt seine Gäste mit einer ganz besonderen Wärme: Denn die Herstellung dieser Wärme entzieht der Atmosphäre sogar CO2. Möglich wird dies durch eine neuartige Anlagenkombination bestehend aus Methanplasmalyse, Wasserstoff-Gas-Brennwertkesseln und Photovoltaik unter Verwendung von Biomethan.
Wird der Wasserstoff aus Biomethan gewonnen und wie beim Hotel MOA Berlin in einem Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzelle zur Wärmeerzeugung verwendet, entsteht eine CO2-Senke. Die Energiegewinnung des MOA Berlin soll der Atmosphäre so jährlich 1.700 Tonnen Kohlenstoffdioxid entnehmen.
Die Graforce GmbH hat die Anlagenkombination, bestehend aus der Plasmalyseanlage, Wasserstoff-Gas-Brennwertkesseln und Photovoltaik für das Mercure Hotel MOA Berlin entwickelt und wurde dafür in der Kategorie „Effiziente Energiekonzepte“ mit dem Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft 2020 ausgezeichnet.
Die Power-to-Gas-Technologie bietet die Möglichkeit, Strom aus Erneuerbaren Energien durch die Umwandlung in Gas in die Gasinfrastruktur einzuspeisen oder direkt zu nutzen. So lässt sich der Strom speichern, verteilen und für verschiedene Energienutzungsbereiche zur Verfügung stellen. Die Technologie ist also das verbindende Element zwischen Strom- und Gasinfrastruktur. Aufgrund seiner vielfältigen spartenübergreifenden Einsatzmöglichkeiten und der verschiedenen zum Einsatz kommenden Technologien wird das Power-to-Gas-Verfahren als Systemlösung bezeichnet.
Die Effizienz der Power-to-Gas-Technologie hat sich stetig verbessert. So kann der Einsatz kohlenstoffarmer Energieträger beschleunigt und grüner Wasserstoff marktfähig gemacht werden. Der erneuerbar produzierte Wasserstoff ermöglicht die Substitution von Wasserstoff aus fossilen Einsatzstoffen und kann z. B. in Kraftstoffraffinerien, in der chemischen Industrie, aber auch in Stahlwerken (zur Direktreduktion) eingesetzt werden. Ebenso kann erneuerbar erzeugtes Methan fossiles Erdgas in Industrieprozessen ersetzen.
Weiterer Vorteil der Power-to-Gas-Technologie: In windreichen Zeiten erzeugter, aber nicht abgenommener Strom kann genutzt und in andere Sektoren übertragen werden. Damit wird Power-to-Gas zu einer Schlüsseltechnologie der Sektorkopplung: In der Industrie, als Kraftstoff für Busse oder LKW, zum Heizen oder wiederum zur Stromerzeugung ist der grüne Wasserstoff ebenso geeignet wie synthetisches Erdgas. Gerade Verkehrs- und der Wärmebereich werden durch die klimaneutralen Gase ebenfalls grüner, der CO2-Ausstoß sinkt. Power-to-Gas sorgt zudem für Stabilität im Energiesystem und für Versorgungssicherheit, weil die Abhängigkeit von der fluktuierenden Einspeisung der Erneuerbaren Energien abgepuffert werden kann. Windräder müssen also nicht mehr abgeregelt werden, die Stromnetze werden gleichzeitig entlastet.
Die Power-to-Gas-Technologie hat in Deutschland längst die Abteilungen für Forschung und Entwicklung verlassen: Bereits 2011 startete das erste Pilotprojekt. Mittlerweile listet die „Deutschlandkarte Wasserstoff und Biogas“ des BDEW rund 200 kleinere und größere Power-to-Gas-Anlagen bundesweit auf. Zukunftsszenarien und -studien skizzieren, dass diese Zahl weiter ansteigt und voraussichtlich ab 2030 Wasserstoff und synthetisches Erdgas in signifikanter Menge erzeugt wird.
Kleines Molekül mit großem Potenzial: die wichtigsten Fakten zu Wasserstoff
Erneuerbaren Strom speicherbar machen und als Gas nutzen
Nicht jeder Wasserstoff ist jedoch „grün“. Derzeit wird der Großteil durch die sogenannte Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen – ein Prozess, der erhebliche Mengen CO₂ freisetzt. Langfristig soll der überwiegende Teil des verwendeten Wasserstoffs grüner Wasserstoff sein. Dieser wird durch Elektrolyse erzeugt, bei der Wasser mit Strom aus Erneuerbaren Energien (z. B. Wind- oder Solarenergie) und unter Einhaltung nachhaltiger Strombezugskriterien in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dabei entstehen keine CO₂-Emissionen. Der Übergang zu grünem Wasserstoff ist essenziell, um die Klimabilanz dieses Energieträgers zu verbessern.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist jedoch energieintensiv und bislang noch mit hohen Kosten verbunden. Hier liegt eine der größten Herausforderungen: Die Kosten für erneuerbaren Strom und Elektrolysetechnologien müssen sinken, um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen.
Der Transport von Wasserstoff erfordert spezielle Tanks, Transportmittel wie beispielsweise Schiffe und Pipelines – teilweise ist auch eine Umstellung von Erdgaspipelines möglich. Die Betreiber der Transportleitungen haben ein reines 9.000 Kilometer langes sog. „H2-Kernnetz“ geplant. Rund 60 %dieser Strecke sollen durch die Umstellung bestehender Erdgasleitungen entstehen, während 40 %neu gebaut werden müssen.
Der Aufbau einer globalen Wasserstoffwirtschaft erfordert enorme Investitionen – aber auch internationale Kooperationen. Länder wie Deutschland, Japan oder Südkorea treiben den Ausbau voran und setzen dabei auf strategische Partnerschaften. Trotz der Herausforderungen gibt es bereits beeindruckende Fortschritte. In der Mobilität setzt etwa der Schwerlastverkehr sowohl auf Strom wie auch auf Wasserstoff. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen bieten Brennstoffzellen-LKW eine größere Reichweite und kürzere Betankungszeiten. Auch in der Stahl- und Chemieindustrie zeigt Wasserstoff großes Potenzial, fossile Brennstoffe zu ersetzen.
Trotz technologischer Reife und klarem Willen am Markt bremst aktuell die Regulierung den Wasserstoffhochlauf. Insbesondere für erneuerbaren Wasserstoff führen überkomplexe Vorschriften und kurzfristig greifende Vorgaben zu Mehrkosten, die den Einsatz von Wasserstoff unattraktiv machen. Auch die absehbaren Rahmenbedingungen für kohlenstoffarmen Wasserstoff deuten bereits jetzt erhebliche Zusatzkosten an.
Die Lücke zwischen Angebotspreis und Zahlungsbereitschaft der Abnehmer kann politisch verringert werden. Mit klaren, praxistauglichen Regeln könnten die Produktionskosten sinken und der Förderbedarf deutlich reduziert. Dadurch ließe sich die Nachfrage schneller aktivieren.
Die Infrastruktur für Wasserstoff ist mit dem Wasserstoff-Kernnetz auf Hochdruckebene bereits in der Umsetzung. Im Verteilnetz- und insbesondere im Speicherbereich fehlen bisher die politischen Rahmenbedingungen.
Ausführliche Informationen: https://www.bdew.de/energie/wasserstoff/
Wasserstoff kann in verschiedenen Anwendungen in Gewerbebetrieben eingesetzt werden:
Die Vision einer Wasserstoffwirtschaft steht noch am Anfang, doch die Weichen sind gestellt. Mit technologischen Innovationen, politischem Willen und einer internationalen Zusammenarbeit kann Wasserstoff tatsächlich das Rückgrat eines sauberen, nachhaltigen Energiesystems werden. Entscheidend ist die Frage, wie schnell sich die technischen und wirtschaftlichen Hürden überwinden lassen – die Grundlagen für die Transformation im Energiesektor sind bereits gelegt.
Alles über die Umstellung von L-Gas auf H-Gas und die betroffenen Gebiete
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