Wasserstoff – ein wichtiges Industrieprodukt

Wasserstoff-Pilotanlage in Leuna, Deutschland: Linde nutzt ein innovatives Verfahren, um Rohglycerin in Wasserstoff umzuwandeln. Quelle: The Linde Group
Wasserstoff-Pilotanlage in Leuna, Deutschland: Linde nutzt ein innovatives Verfahren, um Rohglycerin in Wasserstoff umzuwandeln. Quelle: The Linde Group

 

Wasserstoff ist ein unverzichtbares Element und elementar für verschiedene Industrieprozesse wie z. B. bei der Synthese von Ammoniak und Methanol sowie bei der Metallurgie. Künftig nimmt Wasserstoff auch  bei der Umsetzung der Energiewende eine wichtige Rolle ein. Gerade im Zusammenhang mit der Effizienztechnologie Brennstoffzelle im Wärmemarkt und in der Mobilität werden große Hoffnungen in den Energieträger Wasserstoff gesetzt.

Erzeugung von umweltfreundlichen H2

Wasserstoff kommt in reiner Form auf der Erde kaum vor und wird daher durch Energieaufwand erzeugt. Ein in der Industrie oft verwendetes Herstellungsverfahren ist die Dampf-Reformation von Erdgas oder Kohlenwasserstoffen aus anderen Quellen. Der Wasserstoff wird über die unterschiedlichen Reformierungsverfahren schrittweise aus den Kohlen-Wasserstoffen-Ketten entzogen. Nebenprodukte sind u. a. Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid.

Steam-Reformer werden verwendet, um leichte Kohlenwasserstoffe wie Erdgas mit Dampf in einem Spaltofen umzuwandeln. Dadurch entsteht ein wasserstoffhaltiges Gasegemisch, das für chemische Synthesen oder zur Gewinnung von reinem Wasserstoff verwendet wird. Quelle: The Linde Group
Steam-Reformer werden verwendet, um leichte Kohlenwasserstoffe wie Erdgas mit Dampf in einem Spaltofen umzuwandeln. Dadurch entsteht ein wasserstoffhaltiges Gasegemisch, das für chemische Synthesen oder zur Gewinnung von reinem Wasserstoff verwendet wird. Quelle: The Linde Group

Mit umweltfreundlichen Wasserstoff Ökostrom im Gas-Netz speichern

Power-to-Gas

Klimafreundlicher kann Wasserstoff durch die Power-to-Gas-Technologie erzeugt werden, da Erneuerbare Energien zum Einsatz kommen. Hierbei wird Wasser mittels Elektrolyse in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zerlegt. Die notwendige Primärenergie stammt aus regenerativ erzeugter und überschüssiger Wind- und Sonnenkraft. Der so erzeugte umweltfreundliche Wasserstoff dient als chemischer Speicher und kann als Kraftstoff oder für die Rückverstromung weiterverwertet werden.

Das Power-to-Gas-Verfahren ermöglicht darüber hinaus eine anschließende Methanisierung, mit der sich aus dem Wasserstoff nachgelagert regeneratives Erdgas erzeugen lässt. Dieses wie auch der regenerativ erzeugte Wasserstoff können in das vorhandene Gas-Netz eingespeist, transportiert und gespeichert werden.

Um die Entwicklung und Forschung voranzutreiben, fördert der Bund Wasserstoff vielfältig, bspw. über Förderprojekte zur Optimierung von Power-to-Gas und Brennstoffzellen.

Erdgas-Pyrolyse

Eine Möglichkeit für die Dekarbonisierung von Methan bzw. Erdgas ist die sogenannte Erdgas-Pyrolyse: Dabei wird Methan in Wasserstoff sowie elementaren Kohlenstoff gespalten. Dieses feste Granulat lässt sich sicher lagern und später als Rohstoff wiederverwenden. Das klimaschädliche Kohlendioxid entsteht in diesem Prozess – anders als bei bisherigen Verfahren – nicht. Für die Spaltung nutzen die Wissenschaftler geschmolzenes Metall als Flüssigmedium in einem Blasensäulenreaktor. 

Dieser Prozess ermöglicht es der energieintensiven Industrie, ihre CO2-Emissionen schon bei der Herstellung einer der Kernkomponenten auf ein Minimum zu reduzieren. Das Verfahren lässt sich auch bei Biogas (Biomethan) oder synthetischen, kohlenstoffbasierten Gasen für die Herstellung von Wasserstoff nutzen. In diesen Fällen werde der Umgebung sogar CO2 entzogen. 

Bedeutung von Wasserstoff

Wie kann eine forcierte Elektrifizierung technologieoffen durch den Einsatz von gasbasierten Technologien und grünem Gas ermöglicht werden?

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Gas-Infrastruktur nutzen

Die Einspeisung von reinem Wasserstoff ins Erdgas-Netz ist nicht neu: Bis Mitte des 20. Jahrhunderts waren dem damaligen Stadtgas gut 50 Prozent Wasserstoff beigemischt – Stadtwerke und Netzbetreiber blicken somit auf langjährige Erfahrungen zurück.

Eine eigene flächendeckende Infrastruktur für Wasserstoff bspw. mit Verteilernetz, Speichern und Tankstellen gibt es nicht. Und es braucht auch keine, da es bereits das bundesweite Gas-Netz gibt, das auch dem Wasserstoff zur Einspeisung und Speicherung zur Verfügung steht. Wie Erdgas kann Wasserstoff unter hohem Druck zusammengepresst oder in flüssiger Form gespeichert werden. Das über 500.000 Kilometer lange Gas-Netz bietet gewaltige Speichermöglichkeiten für regenerativ erzeugten Wasserstoff. Dies unterstreicht das Potenzial für grünes Gas in Deutschland, denn schon ein Anteil von 1 Prozent Wasserstoff am jährlichen deutschen Gas-Verbrauch entspricht einem Energiegehalt von 9,3 TWh.

Die Gas-Infrastruktur ist das einzige schon jetzt verfügbare Speichersystem in Deutschland, das diese Menge an Energie aufnehmen und auch wieder abgeben kann – es ist schon heute wasserstoffkompatibel. Zudem verbindet die Gas-Infrastruktur alle Sektoren – Industrie, Haushalt, Gewerbe und Verkehr – miteinander.

Linde-Fahrer befüllt seinen Trailer mit Flüssigstickstoff, Quelle: The Linde Group
Linde-Fahrer befüllt seinen Trailer mit Flüssigstickstoff, Quelle: The Linde Group

Steckbrief Wasserstoff

Das Element Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1 im Periodensystem und ist das einfachste Atom. Auf die Masse bezogen hat Wasserstoff von allen Brennstoffen mit 33,33 kWh/kg den höchsten Energiegehalt. Im Vergleich: 

  • Methan: 13,9 kWh/kg
  • Benzin: 12,0 kWh/kg
  • Diesel: 11,9 kWh/kg
  • Rohöl: 11,6 kWh/kg

Ein Liter Wasserstoff enthält etwa so viel Energie wie drei Liter Benzin. Damit entspricht:

  • 1 Nm³ Wasserstoff etwa 0,34 l Benzin
  • 1 l flüssiger Wasserstoff etwa 0,27 l Benzin
  • 1 kg gasförmiger Wasserstoff etwa 2,75 kg Benzin

Wasserstoff ist das leichteste Element und etwa 14-mal leichter als Luft. Es ist farb- und geruchlos und besitzt weitere vorteilhafte Eigenschaften: 

  • nicht explosiv im Freien
  • nicht selbstentzündlich
  • nicht zerfallsfähig (wie. z. B. Acetylen)
  • nicht oxidierend und nicht brandfördernd
  • nicht giftig
  • nicht ätzend
  • nicht wassergefährdend
  • nicht radioaktiv
  • nicht krebserzeugend

Da Wasserstoff immer chemisch gebunden und nicht in Reinform vorkommt, muss dieser erst erzeugt werden und gilt daher als Sekundärenergieträger. Für die Nutzung als Treibstoff wird Wasserstoff entweder stark komprimiert oder verflüssigt. Beim Einsatz von Wasserstoff entstehen keine direkten, lokalen CO2-Emissionen, sondern nur Wasserdampf.

Dr. Norbert Azuma-Dicke
Leiter Public Affairs
Tel.: 030 4606015-70

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