Wasserstoff

Wasserstoff ist Energieträger und Grundstoff für die Zukunft. Er hat, regenerativ erzeugt, das Potenzial, eine Schlüsselrolle für eine klimaneutrale Industrie zu spielen.

Wasserstoff ist das kleinste und leichteste aller chemischen Elemente. Als Bestandteil chemischer Verbindungen, etwa in Wasser, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen, ist es zudem auch eines der häufigsten. In Reinform, d.h. als molekularer Wasserstoff (H2), hat er das Potenzial eine Schlüsselrolle für eine klimaneutrale Industrie einzunehmen. Er lässt sich energetisch wie stofflich nutzen. Zudem besitzt er eine hohe Energiedichte pro Kilogramm und bei seiner Verbrennung entstehen keine direkten CO2-Emissionen, sondern lediglich Wasserdampf. Neben dem Aufbau der nötigen Infrastruktur stellt jedoch vor allem die regenerative und zugleich wirtschaftliche Gewinnung von Wasserstoff im industriellen Maßstab eine der zentralen Herausforderungen dar, denn chemisch ungebundener, reiner Wasserstoff kommt in der Natur kaum vor.

Für klimaneutrale Produktionsverfahren in der Chemie- und Stahlindustrie ist Wasserstoff von entscheidender Bedeutung. Er kann aber auch im Mobilitätssektor fossile Energieträger ersetzen. Er lässt sich gut transportieren und kann durch Speicherung einen wesentlichen Beitrag zur Sektorenkopplung leisten. Künftig ist mit einem hohen Bedarf zu rechnen. Dieser kann aktuellen Szenarien zufolge in Deutschland bei über 600 Terawattstunden pro Jahr liegen (vgl. Diskussionspapier zur Rolle von Wasserstoff von IN4climate.NRW). Grundlage für eine klimaneutrale Industrie der Zukunft ist also die Bereitstellung von hinreichenden Mengen an Wasserstoff und die Frage, wo diese großen Mengen hergestellt werden können.

Infrastrukturkarte: ´Europa auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft`

Eine funktionierende Infrastruktur ist grundlegende Voraussetzung für eine erfolgreiche internationale Wasserstoffwirtschaft. Mit der neuen Karte „Europa auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft“ geben wir Ihnen einen ganzheitlichen Überblick über vorhandene sowie potenzielle Pipelines, Routen und Standorte.

 

Gerne dürfen Sie die Grafik unter Angabe der Quelle ©IN4climate.NRW für Ihre Zwecke nutzen.

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Der Wasserstoffbedarf wird heute vor allem durch Dampfreformierung gedeckt. Dabei reagieren Erdgas oder Biogas und Wasserdampf zu Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, wobei als Nebenprodukt Kohlenstoffdioxid entsteht. Das so gewonnene Produkt wird auch als „grauer“ Wasserstoff bezeichnet. Aufgrund der dabei erzeugten Kohlenstoffdioxidemissionen kann dieser jedoch nicht als klimaneutraler Energieträger bezeichnet werden, auch wenn bei der anschließenden Nutzung keine CO2-Mengen anfallen. „Blauer“ Wasserstoff, der meist auf Basis von Erdgas mit Abscheidung und Speicherung bzw. Nutzung des CO2 (Carbon Capture and Storage: CCS, Carbon Capture and Utilization: CCU) aus der Reformierung hergestellt wird, kann übergangsweise eine entscheidende Rolle spielen, um den Bedarf an deutlich klimafreundlicher erzeugtem Wasserstoff zu decken. Die Prozesskette des blauen Wasserstoffs erzeugt aber immer noch beträchtlichen CO2-Ausstoß – insbesondere durch die Förderung und Bereitstellung des Erdgases. Die Nutzung von blauem Wasserstoff in größeren Mengen ermöglicht jedoch den Aufbau einer leistungsfähigen Infrastruktur zu einem Zeitpunkt, zu dem „grüner“ Wasserstoff noch nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Zur Erreichung der Pariser Klimaziele müssen grauer und blauer Wasserstoff perspektivisch vollständig durch grünen ersetzt werden, der durch Elektrolyse mit Strom aus beispielsweise Wind- und Solarenergie erzeugt wird. So lässt sich eine erhebliche Emissionseinsparung erreichen.

Eine weitere „Farbe“ des Wasserstoffs wird in Fachkreisen zuletzt intensiv diskutiert: Sogenannter „türkiser“ Wasserstoff nimmt eine Zwischenposition ein. Dieser wird durch die Pyrolyse (vereinfacht: Erhitzung unter Abwesenheit von Sauerstoff) von Methan hergestellt. Dabei fällt statt Kohlenstoffdioxid fester Kohlenstoff an, der anders als CO2 problemlos gespeichert oder sogar vielfältig genutzt werden kann. Diese Technologie ist bisher jedoch nicht in großskaligen, industriellen Dimensionen umsetzbar. Es umgeht zwar die Schwierigkeiten im Kontext von CCU/CCS-Verfahren (geringe Akzeptanz, Risiken der Speicherung, zusätzlicher Energiebedarf etc.), nicht aber das vom blauen Wasserstoff bekannte Problem der emittierten CO2-Vorkettenemissionen zur Bereitstellung des Erdgases (als Methanquelle).

Bei der Elektrolyse zur Produktion von grünem Wasserstoff werden chemische Verbindungen durch Stromzufuhr aufgetrennt. So wird in diesem Fall Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. An der positiv geladenen Elektrode (Anode) entsteht dabei Sauerstoff, an der negativ geladenen Elektrode (Kathode) Wasserstoff. Um die Vermischung der beiden Produkte zu vermeiden, werden die beiden Elektrodenkammern durch eine für Ladungsträger durchlässige Membran getrennt. Die sogenannte alkalische Elektrolyse ist ein bereits seit Jahrzehnten großtechnisch etabliertes Verfahren. Alternative Elektrolysetechniken, wie zum Beispiel die PEM-Elektrolyse oder die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEL), werden bereits für den Einsatz im industriellen Maßstab hochskaliert bzw. getestet. So errichten derzeit beispielsweise Shell und ITM Power in einem europäischen Konsortium mit weiteren Partnern in der Shell Rheinland Raffinerie den weltweit größten PEM-Wasserstoff-Elektrolyseur. Der Elektrolyseur aus dem Projekt REFHYNE wird eine Kapazität von zunächst zehn Megawatt haben und rund 1.300 Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr bereitstellen. Dieser soll vor Ort grauen ersetzen, der bisher für die Verarbeitung von Produkten der Raffinerie genutzt wird und dessen Herstellung zu einem erheblichen Teil der CO2-Emissionen des Raffineriestandorts beiträgt.

Alkalische Elektrolyse

PEM-Elektrolyse

Hochtemperatur-Elektrolyse

Entscheidend für die treibhausgasneutrale Gewinnung durch Elektrolyse ist die Herkunft des Stroms. Der enorme Bedarf an Strom aus erneuerbaren Quellen wird zukünftig die Standortwahl für Elektrolyseure bestimmen. Es ist deshalb wahrscheinlich, dass grüner Wasserstoff zum überwiegenden Teil in der Nähe der erneuerbaren Stromerzeugung produziert werden wird. Hier sind zum Beispiel Regionen im Norden Deutschlands und angrenzenden europäischen Ländern mit guten Bedingungen für die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien relevant. Perspektivisch ist davon auszugehen, dass ein Weltmarkt für grünen Wasserstoff heranwachsen wird, und dass Wasserstoff auch aus Regionen im weiter entfernten Ausland mit sehr günstigen Produktionsbedingungen nach Deutschland importiert werden wird.

Im Hinblick auf die Integration von Erneuerbaren Energien in den Energiemix birgt die vergleichsweise gute Speichermöglichkeit von Wasserstoff die Chance, flexibel auf die schwankende Erzeugung von Wind- und Sonnenenergie reagieren zu können. Ziel ist die Herstellung durch Elektrolyse in Zeiten hoher Verfügbarkeit von Erneuerbarer Energie, die anschließende Speicherung und schließlich die Nutzung zur Rückverstromung oder Wärmeerzeugung in Zeiten geringen Angebots von Erneuerbaren Energien. Das ermöglicht die Verstetigung der fluktuierenden Strombereitstellung aus Erneuerbaren Energien und deren Integration ins Stromsystem. Um Wasserstoff effizient speichern zu können, gibt es verschiedene Möglichkeiten. In seiner Reinform, als H2-Molekül, kann er gasförmig unter Hochdruck oder aber bei Umgebungsdruck und extrem tiefer (kryogener) Temperatur von maximal -253 Grad Celsius in verflüssigter Form gelagert und transportiert werden. Das flüssige Erzeugnis hat eine höhere Dichte und somit einen höheren Energiegehalt pro Volumeneinheit. Es benötigt daher weniger Speicherraum. Dies macht den Transport effizienter und kann den Energieaufwand für die Kühlung relativieren.

Übersicht eines zukünftigen klimaneutralen Industrienetzwerks, basierend auf grünem Wasserstoff als Hauptenergieträger und Grundstoff für die Verwertung unvermeidbarer Emissionen

Um die künftig zu erwartenden enormen Bedarfe an grünem Wasserstoff flexibel bedienen zu können, sind Speicherstätten mit hohen Kapazitäten erforderlich. Denkbar ist die Speicherung in Kavernen – natürliche oder künstlich geschaffene unterirdische Hohlräume mit Speicherkapazitäten in der Größenordnung von bis zu 100 Millionen Kubikmetern – die für die Speicherung von Erdgas bereits erprobt sind. Unabhängig vom Vorkommen solcher Hohlräume ist die Speicherung in Röhrenspeichern möglich, die jedoch deutlich kleinere Mengen fassen.

Um eine leistungsfähige Infrastruktur aufzubauen, sind neben der effizienten Speicherung ausreichender Mengen auch leistungsfähige Transportwege essenziell. Wichtige Verbrauchsschwerpunkte müssen über Pipelines mit den großskaligen Elektrolysestandorten oder Speicherstätten verbunden werden. Da der Beimischung von Wasserstoff ins Erdgasnetz technische Grenzen gesetzt sind und viele industrielle Verbraucher reinen Wasserstoff benötigen, muss hierfür ein spezielles Transportnetz aufgebaut oder das bestehende Gasnetz umgestellt werden. Auch der Transport auf Schienen, Straßen oder Schifffahrtswegen ist möglich – unter Hochdruck, in flüssiger oder chemisch gebundener Form (beispielsweise durch Methanol, Ammoniak oder Liquid-Organic-Hydrogen-Carriers (LOHC).

Die Schaffung einer Wasserstoffinfrastruktur eröffnet umfangreiche Möglichkeiten das Gas als Schlüsselelement für die klimaneutrale Industrie der Zukunft einzusetzen. CO2-frei erzeugter Wasserstoff kann als Energieträger in vielen Anwendungen fossiles Erdgas ersetzen. Dabei entstehen bei seiner Verbrennung keine lokalen CO2-Emissionen, sondern Wasserdampf. Darüber hinaus ist er auch Grundstoff für die chemische Industrie und ein mögliches Reduktionsmittel in der Stahlindustrie. Unvermeidbare Treibhausgasemissionen industrieller Prozesse, wie beispielsweise in der Zementindustrie, können mit Hilfe von Wasserstoff chemisch gebunden und in den Wertschöpfungsprozess zurückgeführt werden. Als Energiequelle für den Betrieb von Brennstoffzellen kann er auch zur Defossilisierung des Verkehrs- und des Wärmesektors beitragen und die Sektoren Energiewirtschaft, Verkehr, Industrie und Wärme intelligent miteinander verbinden. Bereits heute ist er einer der zentralen Grundstoffe in der Industrie und als solcher elementar für verschiedene Prozesse und hochwertige Produkte. So wird Wasserstoff etwa zur Metallverarbeitung, zur Härtung von Fetten oder auch bei der Herstellung von Düngemitteln (bzw. von Ammoniak) und der Entschwefelung von Kraftstoffen eingesetzt.

Künftig wird Wasserstoff vor allem auch in solchen Bereichen zum Einsatz kommen, in denen die direkte Nutzung oder die zeitliche Kopplung von Verfügbarkeit und Verbrauch von Strom schwieriger, technisch nicht möglich oder nicht kosteneffizient ist. Szenarioberechnungen weisen ihm beispielsweise in Teilen des Mobilitätssektors großes Potenzial zu. Dabei kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine marktwirtschaftliche Option darstellen. Das Thema Wasserstoff und auf Wasserstoff basierende synthetische Energieträger werden im Güterverkehr, im ÖPNV, im Schiffs-, nicht-elektrifizierten Schienen- und Flugverkehr einer weitgehend treibhausgasneutralen Welt voraussichtlich eine zentrale Rolle spielen. Erste Berührungspunkte im Individualverkehr (Wasserstofftankstellen) und im öffentlichen Nahverkehr (Wasserstoffbusse) existieren bereits.

Insbesondere eine klimaneutrale Grundstoffindustrie ist ohne den Einsatz von Wasserstoff aus heutiger Sicht nicht vorstellbar. So kann etwa die Primärstahlerzeugung durch seinen Einsatz weitgehend CO2-frei werden. Auch in der chemischen Industrie kann er einen bedeutsamen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Beispielsweise ermöglicht die Umstellung der Ammoniakerzeugung auf grünen Wasserstoff eine Reduktion von Treibhausgasemissionen in einem signifikanten Umfang, da hier jährlich mehrere Millionen Tonnen eingesetzt werden. Zudem wird Wasserstoff zukünftig als „Feedstock“ benötigt, um kohlenstoffhaltige Grundstoffe ohne fossile Rohstoffe herzustellen. Dies ist möglich, wenn der für die Kohlenwasserstoffe benötigte Kohlenstoff zum Beispiel aus Biomasse, Abfällen oder CO2 gewonnen wird. Wasserstoff kann zudem zur Erzeugung von Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau für energieintensive Branchen eingesetzt werden.

Zahlreiche Unternehmen, die sich im Rahmen von IN4climate.NRW für eine klimaneutrale Industrie der Zukunft engagieren, forschen und erproben bereits Wasserstofftechnologien, die den Einstieg in eine Wasserstoffzukunft ermöglichen. So befassen sich die Projekte mit einer CO2-freien Stahlproduktion, der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse im industriellen Maßstab, dem Aufbau der Transportinfrastruktur durch die Umwidmung von Erdgaspipelines, dem Einsatz von grünem Wasserstoff in Raffinerien und dem Voranbringen der Sektorenkopplung.

Beispielsweise beginnt thyssenkrupp in der Stahlproduktion damit, in einem Hochofen in Duisburg Kohlenstaub durch Wasserstoff zu substituieren. Parallel soll an der Stahlproduktion durch das alternative Verfahren der Direktreduktion mit Wasserstoff geforscht werden. Air Liquide übernimmt die Versorgung des Hochofens mit Wasserstoff, der zunächst mit Tanklastern, später durch Ergänzung des bestehenden unternehmenseigenen Pipelinenetzes erfolgt. Die erste Projektphase wird vom Land NRW im Rahmen von IN4climate.NRW mit 1,6 Millionen Euro gefördert. Die zweite Projektphase ist vom BMWi Mitte Juli 2019 im Rahmen der Reallaborausschreibung als eines von 20 Projekten zur Förderung angenommen worden. Zudem arbeitet thyssenkrupp bereits seit einigen Jahren unter anderem im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes Carbon2Chem an Technologien, die Wasserstoff und Industrieemissionen in synthetisch-chemischen Produkten verwerten. Mit dem Carbon2Chem-Ansatz sollen 20 Millionen Tonnen des jährlichen deutschen CO2-Ausstoßes der Stahlbranche künftig wirtschaftlich nutzbar gemacht werden. Durch die verschiedenen Maßnahmen strebt thyssenkrupp langfristig eine nahezu CO2-neutrale Stahlproduktion an. Perspektivisch werden dafür sehr große Wasserstoffmengen in einer Größenordnung von zirka sieben Milliarden Kubikmeter pro Jahr in der Endausbaustufe 2050 benötigt.

Trotz der aktuellen Aktivitäten von Bund und Ländern steht die Industrie auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft der Zukunft derzeit noch einer Reihe regulatorischer und ökonomischer Hindernisse gegenüber. Im Rahmen von IN4climate.NRW wurde ein Diskussionspapier erarbeitet, das die zentralen Bedarfe für eine klimaneutrale Industrie auf Basis von Wasserstoff zusammenfasst und sich mit konkreten Forderungen an die Entscheidungsträger richtet.

Glossar

Zentrale Begriffe rund um die klimaneutrale Industrie und innovative Zukunftstechnologien kurz erläutert.

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