Wie erzeugt man Wasserstoff?

Das häufigste Element in unserem Universum, ist Wasserstoff, der in nahezu allen natürlichen Verbindungen in gebundener Form vorliegt. Er besitzt die kleinste atomare Masse von allen Elementen: Er ist 14-mal leichter als die Luft, nicht toxisch, korrosiv oder radioaktiv, er entzündet sich nicht von selbst und brennt mit farbloser Flamme, ohne Rückstände zu bilden. Hier können Sie erfahren, wie Brennstoffzellen funktionieren!

Wasserstoff (H2) tritt wie eben erwähnt, ausschließlich in gebundener Form auf, beispielsweise mit Sauerstoff (O2) als Wasser (H2O). Auch Methan (CH4) – wichtigster Inhaltsstoff des Erdgases – sowie Erdöl sind bedeutende hydrogenhaltige Komponenten, die sogenannten Kohlenwasserstoffverbindungen. Daneben beinhalten über die Hälfte der bisher nachgewiesenen Mineralien Wasserstoff. In der Atmosphäre der Erde ist Wasserstoff in Form von Wasserdampf vorhanden.

Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Bei Wasserstoff handelt es sich um einen natürlichen chemischen Stoff, der energetisch verwertet werden kann. Er lässt sich als Energiespeicher und -träger lagern und befördern sowie zur Umwandlung von Energie einsetzen. Außerdem ist Wasserstoff ein bedeutendes industrielles Produkt. Da aber Wasserstoff auf der Erde nicht allein, sondern lediglich in Form von Verbindungen auftritt, ist es notwendig, ihn mit Hilfe elektrischer Energie aus wasserstoffhaltigen Ausgangsmaterialien herauszulösen. Zu den möglichen Ausgangsstoffen gehören:

Das Erdgas, mit seiner Hauptkomponente Methan, sonstige Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel Erdöl oder auch Biomasse, Wasser und weitere hydrogenhaltige Komponenten. Diese Substanzen werden mit Hilfe von Chemikalien, Elektrizität, Wärme oder Solarenergie zerlegt, um reinen, nicht gebundenen Wasserstoff zu produzieren. Die aktuellen Konzepte berücksichtigen verstärkt die Wasserstofferzeugung mit erneuerbaren Energien. Dies ermöglicht eine klimaneutrale Wasserstoffherstellung. Insgesamt lässt sich Wasserstoff aus unterschiedlichen Verfahren gewinnen.

Das Elektrolyseverfahren

Wird für die Produktion von grünem Wasserstoff genutzt. Bei einer Wasserelektrolyse wird mit elektrischem Strom Wasser in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Hierbei wandert der Wasserstoff an den negativ geladenen Pol und der Sauerstoff zum positiv geladenen Pol. Die verwendete Elektroenergie wird dabei in chemische Energie umgesetzt und im Wasserstoff gelagert. Kommt der für die Elektrolyse erforderliche Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle, entsteht grüner Wasserstoff. Daneben existieren noch weitere Methoden zur Erzeugung von grünem Wasserstoff wie etwa die Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie die Reformierung von Biogas. Alle diese Prozesse sind grundsätzlich klimaneutral.

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Reformierungsprozesse: Blauer oder grauer Wasserstoff aus Erdgas

In der Industrie wird Wasserstoff heute überwiegend aus Erdgas gewonnen, indem man zum Beispiel Dampf zuführt (Dampfreformierung). Durch diese chemische Umsetzung werden Wasserstoff und Kohlendioxid produziert. Man spricht hier von grauem Wasserstoff. Sofern das nach der Wasserstoffgewinnung entstehende CO2 abgeschieden und in einer geologischen Speicherstätte deponiert oder wieder genutzt wird, bezeichnet man dies als blauen Wasserstoff. Auch dieser ist völlig klimaunschädlich, solange das abgetrennte CO2 nicht in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Methan-Pyrolyse: Wasserstoff in Türkis

Bei der Methan-Pyrolyse wird das Erdgas, beispielsweise Methan, unter Wärmezufuhr zerlegt. Hierbei wird Wasserstoff und fester Kohlenstoff gebildet. Um den Prozess möglichst klimaneutral zu halten, ist es notwendig, die Energie für den Hochtemperatur-Reaktor aus regenerativen Energieträgern zu beziehen. Zusätzlich muss der anfallende Kohlenstoff dauerhaft gespeichert werden. Dieser kann beispielsweise in der Bau- oder Werkstoffindustrie sowie im Straßenbau eingesetzt werden.

Wo wird in Deutschland Wasserstoff produziert?

In Deutschland sind bereits über 30 Elektrolyseure zur Erzeugung von grünem Wasserstoff in Betrieb. Der Großteil dieser Anlagen sind Demonstrations- und Forschungsprojekte. An den Unternehmen der Energieindustrie ist Wasserstoff praktisch nicht vorbeigegangen. Die Technologie ist die wichtigste Grundlage der Energieumstellung und ein wesentlicher Impulsgeber für Neuerungen. Zahlreiche Mitgliedsunternehmen des BDEW engagieren sich schon heute in einer Vielzahl von Projekten: Sie produzieren Wasserstoff in diversen Prozessen, prüfen Transport und Speicherung und nutzen ihn in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Vor allem in der Wärmebereitstellung für Haushalte, als flexibler Energiespeicher für Strom aus regenerativen Energien, als Treibstoff im Verkehr oder als Energieträger für die Industrie kann mit Wasserstoff zielgerichtet der Ausstoß von CO2 gesenkt werden.

Die folgenden Konzerne haben seit Jahren mit Pilot- und Forschungsprojekten entsprechende Erfahrungswerte sammeln können oder überzeugende Projektideen erarbeitet, die sich in der Umsetzung befinden. Das Ziel ist es, diese Neuerungen bereits mittelfristig in die Marktpraxis zu übertragen und den Weg der Energieumstellung Schritt für Schritt fortzusetzen.

Mainzer Stadtwerke AG

Der Mainzer Energiepark ist ein national und international anerkanntes Zukunftsprojekt im Bereich der Branchenkupplung und Speicherung von Energie. Als Forschungsprojekt der Linde Group, von Siemens und den Mainzer Stadtwerken startete im Juli 2015 die weltgrößte Elektrolyseanlage ihrer Art mit Förderung durch die deutsche Bundesregierung. Nach 2-jähriger Forschungsbegleitung ist der Energiepark inzwischen in den Regelbetrieb übergeleitet worden. Sowohl für die Mainzer Stadtwerke wie auch für Linde war es am Ende der Forschungszeit entscheidend, dass die Elektrolyseanlage sowohl aus technischer Sicht perfekt arbeitet, aber auch wirtschaftlich geführt werden kann.

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So erzeugt die Power-to-Gas-Anlage grünen Wasserstoff beispielsweise mit erneuerbarem Strom aus umliegenden Windkraftanlagen der Mainzer Stadtwerke. Am besten passt sich der Elektrolyseur an den fluktuierenden Ökostrom an, ist in wenigen Sekunden betriebsbereit und in 2 Minuten auf Höchstleistung. Die Maximalleistung liegt bei rund 6 Megawatt. So kann der Energiepark die Strommenge von bis zu drei 2-MW-Windrädern übernehmen.

Der hochreine Wasserstoff, der in Mainz erzeugt wird, findet sowohl bei industriellen Anwendern als auch an den öffentlichen Wasserstoff-Tankstellen Anwendung. Auch die ersten beiden Brennstoffzellenbusse in Mainz und Wiesbaden werden mit Wasserstoff betrieben. Zusätzlich wird einer benachbarten Gasleitung, die ein Stadtviertel mit Erdgas zum Heizen und Kochen beliefert, bis zu 10 Prozent Wasserstoff zugemischt. Für die Abnehmer ändert sich nichts, der Preis bleibt gleich. Lediglich das Gas wurde etwas umweltfreundlicher.

ZEAG Energie AG – Branchenkopplung mit der Weltraumfahrt

Das Projekt H2ORIZON ist ein gemeinsames Vorhaben der ZEAG Energie AG und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Weiterentwicklung der Wasserstofftechnik bis zur Marktfähigkeit. In Europa ist das DLR eines der größten Wasserstoffanwender. Am Standort Lampoldshausen bei Heilbronn, an dem die Elektrolyse-Anlage steht, liegt in unmittelbarer Umgebung einer der größten Windkraftanlagen Baden-Württembergs, welche die ZEAG unterhält.

Diese Windkraft nutzt die ZEAG, um Wasserstoff zu gewinnen, zu speichern und für unterschiedliche Zwecke bereitzustellen. Eine Teilmenge des gewonnenen Wasserstoffs wird über eine Gasmischstrecke in ein Blockheizkraftwerk zur Strom- und Wärmeproduktion geleitet. Dieses Blockheizkraftwerk ist Bestandteil einer modernen Heizzentrale zur Standortversorgung.

Ein weiterer Teil beliefert die betriebseigene Stromtankstelle für die Fahrzeuge. Vor allem jedoch werden flüssiger und gasförmiger Wasserstoff für Triebwerksversuche, zum Beispiel für die Ariane-Trägerraketen, benötigt. Damit gelingt hier nicht nur die Branchenkopplung zum Bereich Wärme und Verkehr, sondern auch zur Weltraumfahrt.

Jährlich können bis zu 100 Tonnen grüner Wasserstoff erzeugt und bereitgestellt werden. Hierfür setzt die ZEAG eine PEM-Elektrolyse-Anlage ein, die insbesondere auf die variierende Stromversorgung durch einen Windenergiepark ausgerichtet ist. Den Probelauf im Jahr 2020 bestand die Anlage mit Bestnoten und ist jetzt im regulären Einsatz.

Die Power-to-Gas-Anlagenlösung in Ibbenbüren der Westenergie AG

Bereits seit dem Jahr 2015 arbeitet Westenergie in Ibbenbüren, Nordrhein-Westfalen, an einem PEM-Elektrolyseur, der regenerativen Strom in Wasserstoff verwandelt. Die Abkürzung PEM bedeutet Proton Exchange Membrane und bezeichnet ein Elektrolyse-Verfahren, welches erhöhte Effizienz und hohe Flexibilität bei Laständerungen ermöglicht. Die zur Speicherung von erneuerbarem Strom eingesetzte Anlagenlösung erzielt einen Auslastungsgrad von bis zu 75 Prozent in der gesamten Speicherkette. Dies wird durch die Verwendung der bei der Umwandlung von Strom in Gas und von Gas in Strom anfallenden Abwärme realisiert.

Bei der Wasserstofferzeugung wird die Abwärme aus dem Elektrolyseur teilweise in der angrenzenden Gasdruckregel- und Dosieranlage zum Vorwärmen des Erdgases eingesetzt. Im Blockheizkraftwerk wird das Erdgas im Zuge der Kraft-Wärme-Kopplung wieder in Elektrizität zurückverwandelt. Die entstehende Wärmemenge wird dem örtlichen Fernwärmenetz bereitgestellt. Die eingespeiste Wasserstoffmenge im Gasnetz wird über den dena-Biogasregister verfolgt und dem Blockheizkraftwerk in Ibbenbüren vertraglich über Bilanzkreisgeschäfte zugeordnet. Dort wird der Wasserstoff physikalisch in Strom umgesetzt, wodurch die Stromspeicherungskette vervollständigt wird. Aus dem Wasserstoff und dem im Elektrolyseur produzierten Kohlendioxid kann mit einer Methanierungs-Anlage synthetisches Methan gewonnen werden.

Im Vergleich zu Wasserstoff kann dieses Gas uneingeschränkt in das vorhandene Gasnetz eingespannt werden. Dieses Teilprojekt mit dem Namen „ORBIT“ hat das Ziel, die biologische Methanisierung als leistungsfähige Energiespeicher- und Sektorkopplungstechnologie für die Zukunft weiterzuentwickeln. Abschließend eine Liste weiterer Standorte in Deutschland, die Wasserstoff produzieren.

•  ENERTRAG AG

•  Energiedienst AG

•  Avacon Netz GmbH und DVGW

•  Enercity AG und Gasnetz Hamburg GmbH

•  EWE AG

•  GP JOULE GmbH

•  Initiative GET H2

• E.ON SE

• Hansewerk Natur GmbH & INNIO

• Reallabor Westküste 100

•  Shell und ITM Power

•  EWE AG

•  Initiative AquaVentus

•  Gasnetz Hamburg GmbH

•  Energiepark Bad Lauchstädt