Wasserstoff: Anwendungen und Transport im Gasnetz
Bereits heute wird Wasserstoff auf verschiedene Weise genutzt, z. B. in industriellen Prozessen oder im Verkehrssektor. Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft, denn in ihm lassen sich große Mengen erneuerbarer Energien speichern Das Element ist in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden, jedoch fast ausschließlich in chemischen Verbindungen. Es kann jedoch aus diesen Verbindungen gelöst oder klimafreundlich mithilfe regenerativ erzeugten Stroms wie Windenergie produziert werden. Wasserstoff muss also erzeugt werden und ist wie Strom eine Sekundärenergie. Wasserstoff eignet sich für Anwendungen in der Industrie, in der Wärme- und Stromerzeugung oder in der Mobilität.
Erzeugung von Wasserstoff
Für die Herstellung von Wasserstoff existieren mehrere Verfahren. Je nach Erzeugungsart trägt der Wasserstoff unterschiedliche Namen wie grüner, blauer oder türkiser Wasserstoff. Das Element ist natürlich farblos. Die Farbkennzeichnungen geben Auskunft über die Produktionsart des Wasserstoffs.
Grüner Wasserstoff: Power-to-Gas
Entsteht Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen oder aus Biomethan, spricht man von grünem bzw. erneuerbarem Wasserstoff.
Im Elektrolyseur wird Wasser (H2O) durch Anlegen einer elektrischen Spannung in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten. Dabei bilden die Protonen an der Kathode (Minuspol) Wasserstoffmoleküle, die aufsteigen und aufgefangen werden sollen. In ca. 40 Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland wird bereits grüner Wasserstoff erzeugt.
- Für Produktion von Wasserstoff existieren mehrere Verfahren. Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen: Wind oder Photovoltaik.
- Im Elektrolyseur wird Wasser (H2O) durch Anlegen einer elektrischen Spannung in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten. Dabei bilden die Protonen an der Kathode (Minuspol) Wasserstoffmolekülre, die aufsteigen und aufgefangen werden sollen.
- Sogenannter blauer Wasserstoff wird aus Erdgas (CH4) gewonnen. Hierfür kommen mehrere Verfahren infrage, zum Beispiele die Pyrolyse oder die Dampfreformierung.
- Bei der Dampfreformierung wird mithilfe von Wasserdampf der im Erdgas enthaltene Wasserstoff vom Kohlenstoff getrennt und so reiner Wasserstoff gewonnen. Das bei der Dampfreformierung anfallende Kohlenstoffmonoxid wird zu Kohlendioxid (CO2) überführt.
- Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas in einem Hochtemperaturreaktor in seine Bestandteile Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H2) zerlegt.
- Kohlenstoffdioxid bzw. Kohlenstoff können in tiefliegenden geologischen Strukturen eingelagert oder zum Beispiel in industriellen Prozessen genutzt werden. Dadurch wird eine Freisetzung in der Atmosphäre vermieden.
- Der Wasserstoff kann direkt oder über das vorhandene Gasnetz zu den Anwendern transportiert und dort verbraucht werden, zum Beispiel in Brennstoffzellen-Heizungen, in Fahrzeuge oder in der Industrie.
Blauer Wasserstoff: Abscheidung von CO2
Wird das bei der Herstellung von grauem Wasserstoff anfallende CO2 abgeschieden und dauerhaft in beispielsweise geologischen Lagerstätten eingelagert (CCS – Carbon Capture an Storage), spricht man von blauem oder dekarbonisierten Wasserstoff. Mit blauem Wasserstoff lassen sich industrielle Bereiche wie z. B. die Stahlindustrie zügig dekarbonisieren.
Türkiser Wasserstoff: Methanpyrolyse
Auch türkiser Wasserstoff entsteht aus Erdgas. Bei der Methan-Pyrolyse wird Erdgas in einem Hochtemperaturreaktor in seine Bestandteile Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H2) zerlegt. Der Kohlenstoff fällt als festes Granulat an und kann als Rohstoff wiederverwendet werden.
Da Wasserstoff eine wichtige Rolle für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende spielt, fördert die Bundesregierung die weitere Erforschung der Methan-Pyrolyse.
Bei der Plasmalyse wird Methan mittels eines Plasmas in seine Komponenten Wasserstoff und Kohlenstoff aufgespalten. Auch hier fällt fester Kohlenstoff an, der als Industrierohstoff verwendet werden kann. Wird anstatt Erdgas Biomethan für den Plasmalyseprozess verwendet, kommt es zu einer negativen CO2-Bilanz – der Umgebung wird also sogar noch CO2 entzogen.
Best Practice Gas-Anwendung: Methan-Plasmalyse im Hotel
Die Energieversorgung durch erneuerbare Energien ist gerade für Nichtwohngebäude im urbanen Umfeld aufgrund der volatilen Verfügbarkeit, der Speicherproblematik und der Investitionskosten schwer realisierbar. Die Dekarbonisierung von Erdgas bietet einen komplett neuen Ansatz. Das Mercure Hotel MOA Berlin verwöhnt seine Gäste mit einer ganz besonderen Wärme: Diese ist nicht nur emissionsfrei erzeugt worden, die Herstellung dieser Wärme entzieht der Atmosphäre sogar CO2. Möglich wird dies durch eine neuartige Anlagenkombination bestehend aus Methan-Plasmalyse, Wasserstoff-Gas-Brennwertkesseln und Photovoltaik unter Verwendung von erneuerbarem Biomethan.
Heizen ohne Emissionen
Wird der Wasserstoff aus Biomethan gewonnen, wie beim Hotel MOA Berlin und in einem Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzelle zur Wärmeerzeugung verwendet, entsteht sogar eine CO2-Senke. Die Energiegewinnung vom MOA Berlin wird so nicht nur CO2-neutral, sondern der Atmosphäre sollen so jährlich 1.700 t CO2 entnommen werden.
Sieger beim Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft 2020
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.
Grauer Wasserstoff: Dampfreformierung
Grauer Wasserstoff wird über die Dampfreformierung aus Erdgas oder anderen Kohlenwasserstoffen gewonnen. Bei der Dampfreformierung wird zunächst ein Synthesegas (Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und Restkohlenwasserstoffe) produziert. Kohlenmonoxid kann über eine Konvertierungsreaktion mit Wasser weiter zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. Wasserstoff wird aus dem Gasgemisch durch Absorption, Adsorption oder mittels Membranen abgetrennt. Es handelt sich um das aktuell wirtschaftlichste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff. Wird zur Dampfreformierung Biomethan verwendet, entsteht grüner Wasserstoff, da diese CO2-frei ist.
Faktenblatt Biomethan
Erneuerbares Biogas kann auf Erdgasqualität aufbereitet und als Biomethan in die vorhandene Gasinfrastruktur eingespeist werden.
Potenzial Wasserstoff
Wasserstoff macht es möglich, regenerativ erzeugte Energie in bedeutenden Mengen zu speichern und gilt als Energieträger der Zukunft.
Power-to-Gas
Mittels Elektrolyse lässt sich regenerativ erzeugter Strom in Wasserstoff und optional in einem weiteren Schritt in Methan umwandeln.
Vielfältige Anwendungen für Wasserstoff
Bereits heute ist Wasserstoff unverzichtbar für verschiedene industrielle Prozesse. Künftig soll er in weiteren Bereichen eingesetzt werden: Der Allrounder eignet sich zum Heizen, zur Stromerzeugung, im Verkehrssektor, in Industrie und Gewerbe, in Brennstoffzellen oder in speziellen Kraftwerken.
In Brennstoffzellen läuft der Elektrolyseprozess in umgekehrter Richtung ab und es entstehen dabei Strom, Wärme und als Nebenprodukt Wasser. Brennstoffzellen sind sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen verfügbar. Bereits in zahlreichen Gebäuden sorgen Brennstoffzellen hocheffizient für Strom und Wärme. Dabei wird der Wasserstoff in den Geräten bisher aus Erdgas gewonnen, das über die Gasleitung ins Haus kommt. Derzeit werden Geräte entwickelt, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden.
Dekarbonisierung der Industrie
In der Industrie sollen künftig bei vielen Prozessen CO2-frei erzeugter Wasserstoff oder Folgeprodukte wie zum Beispiel Ammoniak oder Methanol zum Einsatz kommen. In Raffinerien wird Wasserstoff – derzeit meist über die Dampfreformierung erzeugt – beispielsweise bei der Entschwefelung der Vorprodukte von Benzin und Diesel eingesetzt. Dieser graue Wasserstoff kann dort ohne aufwendige Anpassungen zumindest teilweise durch blauen und grünen Wasserstoff ersetzt werden. Dekarbonisierter und erneuerbarer Wasserstoff werden künftig verstärkt auch in der energieintensiven Stahlherstellung und der Metallverarbeitung eingesetzt werden, denn hier sind die CO2-Einsparpotenzial besonders hoch.
Wasserstoff im Gasnetz
Das über 540.000 km lange Gasnetz und die 47 Gasspeicher bieten somit eine gute Speichermöglichkeit für Wasserstoff. Und die Einspeisung in das Gasnetz ist nicht neu: Bis in die 90er-Jahre des 20. Jahrhunderts hinein wurde in Deutschland Stadtgas produziert und im Gasnetz transportiert. Stadtgas bestand zu ca. 50 Prozent aus Wasserstoff. Heute ist es allerdings nicht unbegrenzt möglich, reinen Wasserstoff einzuspeisen, da es u.a. durch die Veränderung der brenntechnischen Eigenschaften zu Anpassungsbedarf bei einigen angeschlossenen Anwendungen führen kann. Für eine uneingeschränkte Einspeisung ist eine Methanisierung des Wasserstoffs notwendig.
Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) befindet sich derzeit in der Weiterentwicklung der technischen Regeln für Erzeugung, Einspeisung, Beimischung, Transport, Verteilung und Speicherung von Wasserstoff im Gasnetz. Ziel ist es, die bestehende Gasinfrastruktur schrittweise für einen höheren Wasserstoffanteil anzupassen. Das künftige Regelwerk soll 20 Volumenprozent Wasserstoffeinspeisung ermöglichen, da diese nach dem heutigen Kenntnisstand technisch machbar sind. Alternativ gibt es reine Wasserstoffnetze, zum Beispiel im Ruhrgebiet sowie im mitteldeutschen Chemiestandort bei Leuna für industrielle Anwendungen.
Biomethan kann bereits jetzt ohne Einschränkungen über die bestehende Gasinfrastruktur zu den Verbrauchern transportiert werden. Alle Informationem zu Wasserstoff stehen Ihnen auch in unserem Faktenblatt Wasserstoff zur Verfügung.