Wasserstoff ist ein Gas und auf der Erde reichlich vorhanden, allerdings fast ausschließlich in chemischen Verbindungen (Wasser, Säuren, Kohlenwasserstoffen, etc.). Wasserstoff wird gewonnen, indem man Wasser (H2O) in Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H2) aufspaltet. Allerdings braucht es viel Energie, um das Molekül H2 abzuspalten. Geschieht dies mit Hilfe elektrischen Stroms, spricht man von Elektrolyse.

Innovative Herstellungsverfahren

Für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse kann Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne verwendet werden. Dieses Verfahren zur Herstellung des sogenannten „grünen Wasserstoffs“ wird auch als Power-to-Gas bezeichnet und ist eine der Power-to-X-Technologien (PtX-Technologien), bei denen Strom genutzt wird, um zum Beispiel Gase (Power-to-Gas), Wärme (Power-to-Heat) oder flüssige Energieträger (Power-to-Liquid) herzustellen. PtX-Technologien gelten als wichtige Lösung, um die Klimaziele einzuhalten und den Ausstoß von Treibhausgasen zu verringern.

Bei der Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse werden vier Technologien unterschieden: Die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran Elektrolyse (PEM), die Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur (AEM) und die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL). Die alkalische Elektrolyse ist bereits seit über einem Jahrhundert bekannt und kommerziell nutzbar, die PEM-Elektrolyse stellt eine deutlich jüngere Technologie dar, die ebenfalls kommerziell einsatzbereit ist. Gegenüber der AEL bietet die Technologie noch viel Potenzial für technische Entwicklungen und Kosteneinsparungen. Entwicklungsresultate bei der AEM-Elektrolysetechnologie zeigen ihre Eignung, Wasserstoffproduktion aus regenerativem Strom in Zukunft massentauglich zu machen. Die HTEL befindet sich noch in der Pilotphase, ihr wird für die Zukunft eine zunehmende Bedeutung zugerechnet.

Auch der durch CO2-Abscheidung und -Speicherung (sogenannte Carbon-Capture-and-Storage, CCS) produzierte „blaue“ Wasserstoff kann für eine Übergangszeit einen Beitrag zur CO2-Reduzierung leisten. Der „blaue“ Wasserstoff gilt als CO2-neutral, wenn bei der Herstellung kein CO2 in die Atmosphäre entweicht.

„Grauer“ Wasserstoff hingegen ist nicht CO2-neutral: Bei der Herstellung fällt in jedem Fall CO2 an, da er aus fossilen Energiequellen wie beispielsweise Erdgas gewonnen wird oder in der Industrie entsteht.

„Türkiser“ Wasserstoff wird durch die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt. Anstelle von CO2 entsteht dabei neben Wasserstoff fester Kohlenstoff. Bei der Herstellung von türkisem Wasserstoff muss deshalb kein gasförmiges Kohlendioxid unterirdisch gespeichert werden. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energie-quellen und eine dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Weitere Verfahren zur Herstellung von dekarbonisiertem Wasserstoff befinden sich derzeit in der Entwicklungsphase und zeigen bereits erste Erfolge. Insbesondere die Pyrolyse von Erdgas, das heißt die Aufspaltung von Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff (Karbonpulver), bietet ein großes Entwicklungspotenzial. Durch sie könnte Wasserstoff in großem Maßstab und zu Kosten für die Nutzer bereitstellen, die unterhalb des Elektrolyse-Wasserstoffs liegen.

Sektorkopplung bringt große Vorteile

Ein wichtiges Element in der Wasserstoffstrategie ist die sogenannte Sektorkopplung. Sie dient der engeren Verzahnung und Vernetzung von Strom und Wärme, Verkehrssektor und Industrie. Wasserstoff kommt dabei als zentrales Kopplungselement zwischen Strom und Gas eine besondere Rolle zu.

Die Sektorkopplung bringt gleich mehrere große Vorteile. Durch sie kann auch in vielen Bereichen der Industrie, die sich schlecht elektrifizieren lassen, Strom aus erneuerbaren Energien indirekt zum Einsatz kommen. Auf diese Weise ermöglicht sie es, dass mithilfe erneuerbarer Energien alle Sektoren ihre CO2-Emissionen verringern können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass durch Effizienzgewinne der Energieverbrauch insgesamt gesenkt werden kann. Das alles führt zu einer Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen und dient somit dem Klimaschutz. Zudem kann die Nachfrage nach elektrischer Energie deutlich flexibler gestaltet werden und so ein Ausgleich zu den Angebotsschwankungen bei erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Biomasse) geschaffen werden.

„Grauen“ durch „grünen“ Wasserstoff in der Industrie ersetzen

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 – derzeit meist noch aus fossilen Quellen erzeugter – Wasserstoff beispielsweise bei der Entschwefelung der Vorprodukte von Benzin und Diesel eingesetzt. Dieser „graue Wasserstoff“ kann dort ohne aufwendige Anpassungen zumindest teilweise durch „grünen Wasserstoff“ ersetzt werden. CO2-frei erzeugter Wasserstoff wird künftig verstärkt auch in der Stahlherstellung und der Metallverarbeitung eingesetzt werden. Dies geschieht bereits in Pilotprojekten in der Stahlindustrie zur Direktreduktion von Eisenerz anstelle des Treibhausgasintensiven Hochofenprozesses.

Insgesamt haben kurz- bis mittelfristig Anwendungsbereiche Priorität, in denen der Einsatz von Wasserstoff schon heute nahe an der Wirtschaftlichkeit ist, die relativ unabhängig von anderen Voraussetzungen sind oder in denen keine sinnvollen alternativen Optionen zur massiven CO2-Minderung bestehen. Langfristig kann „grüner“ Wasserstoff auch bei der Umstellung auf CO2-neutrale Herstellung beispielsweise in der Zement- sowie in der Glas- und Keramikindustrie in Kombination mit einer Kohlenstoffquelle (CCU) eine wichtige Rolle spielen.

Gemeinsam mit wichtigen Beteiligten – insbesondere energieintensiven Industriebereichen wie Chemie und Stahl – sollen in branchenspezifischen Dialogformaten langfristige Dekarbonisierungsstrategien auf Basis von CO2-freiem Wasserstoff entwickelt werden. Die Bundesregierung unterstützt die Zusammenarbeit von Wissenschaft und innovativen Unternehmen. Vorbilder sind hier zum Beispiel Carbon2Chem und die Kopernikus-Projekte. Diese Erfahrungen kann Deutschland nutzen, um international sichtbare „Showcase“-Initiativen mit Exportpotenzial zum „grünen“ Wasserstoff aufzulegen.

Eine zusätzliche Option im Verkehr

Im Verkehr ist Wasserstoff vor allem in den Bereichen eine Alternative, in denen voraussichtlich batteriebetriebene Antriebslösungen technisch nicht sinnvoll sind und daher auch zukünftig auf gasförmige oder flüssige Kraftstoffe angewiesen sind. Die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen kann unter anderem im ÖPNV (Busse, Züge), im Straßenschwerlastverkehr (Lkw) oder in der Logistik (Gabelstapler, Flurförderzeuge) die Elektromobilität ergänzen und den Ausstoß von CO2 und anderen Luftschadstoffen massiv senken. Im Pkw-Bereich hat die Brennstoffzelle gute Perspektiven im Einsatz auf langen Strecken.

Innovationen im Wärmemarkt

Die Brennstoffzellentechnologie ermöglicht die Nutzung von grünem Wasserstoff im Heizbereich. Mit dem Programm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien (NIP) fördert das Bundeswirtschaftsministerium den Einbau solcher Heizungen in privaten Wohngebäuden, kleinen und mittleren Unternehmen sowie kommunale Gebietskörperschaften.

Mit großen Erzeugungsanlagen die Kosten senken

Die deutsche Industrie verfügt bei der Erzeugung und Weiterverarbeitung von Wasserstoff bereits über ein breites Know-how. Allerdings ist die Erzeugung von CO2-freiem Wasserstoff – das heißt aus erneuerbaren Energien – noch nicht wirtschaftlich. Um die Entwicklung voranzutreiben und eine Kostendegression zu erreichen, müssen Erzeugungsanlagen im industriellen Maßstab aufgebaut und eine entsprechende Größenordnung in der Herstellung von CO2-freiem Wasserstoff mit einem deutlich wachsenden Absatzmarkt erreicht werden.

Mehr als fünf Millionen Arbeitsplätze

Das alles ist nicht nur energiepolitisch und zur Erreichung der Klimaziele von großer Bedeutung. Es geht mittel- bis langfristig um einen Milliardenmarkt, um neue Wertschöpfungspotenziale und viele zukunftsfähige Arbeitsplätze.
Eine europäische Studie schätzt, dass bis 2050 in der Wasserstoff-Industrie europaweit über 5,4 Millionen Arbeitsplätze und ein Jahresumsatz von 800 Milliarden Euro entstehen können.

Europäische und globale Zusammenarbeit

Europa hat ein vitales Interesse an einer sicheren und zukunftsfähigen Versorgung mit gasförmigen Energieträgern und ist entschlossen, deren Dekarbonisierungspotenziale zu erschließen. Dementsprechend hat die Bundesregierung am 10. Juni 2020 die Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Am 8. Juli 2020 folgte die EU-Wasserstoffstrategie der EU-Kommission.

Während der deutschen EU-Ratspräsidentschaft wurde ausgelotet, wie der Rahmen für einen künftigen Binnenmarkt für Wasserstoff, insbesondere aus erneuerbaren Quellen, aussehen kann. Im Fokus stand die Frage, welche Weichen für die Entwicklung eines Binnenmarktes für Wasserstoff gestellt werden müssen und was das für die nationale und europäische Infrastruktur bedeutet. Neben den richtigen Rahmenbedingungen ist auch die internationale Kooperation wesentliche Voraussetzung zum Aufbau eines globalen Marktes für wettbewerbsfähigen Wasserstoff. Denn allein mit nationaler Produktion lässt sich der Bedarf an grünem Wasserstoff nicht decken. Deutschland ist heute ein großer Importeur von Energie und wird dies auch in Zukunft bleiben. Deshalb sind grenzüberschreitende Lieferketten auch für Wasserstoff von großer Bedeutung. Hierzu wird Deutschland unter anderen die bestehenden bilateralen Energiepartnerschaften und -dialoge nutzen und sich an dem EU-Forum zur Förderung von „Important Projects of Common European Interest (IPCEI)“ im Bereich Wasserstoff beteiligen. Zudem verbessert das „Pentalaterale Energieforum“ die regionale Zusammenarbeit zwischen Belgien, Deutschland, Frankreich, Luxemburg, Niederlande, Österreich und der Schweiz.