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Wie wird eigentlich Wasserstoff hergestellt?

Grüner Wasserstoff soll zum Beispiel energieintensiven Branchen wie der Stahl- oder Chemieindustrie zur Klimaneutralität verhelfen. Doch wie entsteht das eigentlich farblose Gas genau?

^{Darum geht´s: Grüner Wasserstoff kann nicht nur die Wirtschaft revolutionieren, sondern auch die Energiewende voranbringen.}

Grün, Blau, Grau, Türkis: Warum das eigentlich farblose Gas plötzlich Farbe bekommt? Die Antwort liegt in den unterschiedlichen Arten der Wasserstoff-Gewinnung. Je nach Herstellungsverfahren und dem dabei hauptsächlich verwendeten Energieträger (Primärenergieträger) wird ihm eine „Farbe“ zugeordnet. Ein Begriff taucht dabei immer wieder auf: Elektrolyse. Die Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem durch elektrische Energie eine chemische Reaktion angeregt wird. Bei der Wasserelektrolyse wird dabei Wasser unter Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Diese Reaktion findet in einem sogenannten Elektrolyseur, genauer gesagt in der sogenannten Elektrolysezelle, statt.

Elektrolyseure spielen also eine entscheidende Rolle für die Energiewende, da sie überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Wasserstoff umwandeln, wodurch er langfristig gespeichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Das wird auch Sektorkopplung genannt und ist besonders wichtig, wenn über einen längeren Zeitraum weder viel Windenergie noch Sonnenenergie verfügbar ist.

^{Nur grüner Wasserstoff ist auf Dauer nachhaltig}

Kommt der Strom für die Wasserstoff-Elektrolyse also aus Erneuerbaren Energien wie Wind oder Sonne (sogenannten grünen Energien), darf sich der Wasserstoff mit dem Zusatz „grün" schmücken. Wird Wasserstoff auf diesem Weg gewonnen, entsteht bei seiner Herstellung kein schädliches CO₂ und er kann dabei helfen, zum Beispiel Industrieprozesse und Mobilitätsanwendungen klimafreundlicher zu gestalten.

Langfristig ist nur CO₂-freier Wasserstoff, der mit Hilfe Erneuerbarer Energien erzeugt wurde, nachhaltig. Auch der sogenannte blaue Wasserstoff kann aber zumindest für eine Übergangsfrist einen Beitrag zur CO₂-Reduzierung leisten. Er wird aus Kohlenwasserstoffen (vor allem aus Erdgas) hergestellt, wobei auch CO₂ entsteht. Das CO₂ wird nahezu vollständig abgefangen und unterirdisch gelagert (sogenannte Carbon-Capture-and-Storage, CCS). Blauer Wasserstoff ist also CO₂-reduziert, da bei seiner Herstellung zwar CO₂ entsteht, aber der maßgebliche Teil nicht in die Atmosphäre entweicht.

„Grauer" Wasserstoff macht den aktuell überwiegenden Teil der globalen Wasserstoffproduktion aus und kommt schon jetzt in Deutschland vor allem in der Chemieindustrie im großen Stil zum Einsatz. Bei seiner Herstellung wird das CO₂ nicht wie bei blauem Wasserstoff abgeschieden und gespeichert, sondern in die Atmosphäre abgegeben, wo es den Treibhausgaseffekt verstärkt. Auch grauer Wasserstoff wird aus fossilen Energiequellen wie Erdgas gewonnen, das unter Hitze in Wasserstoff und CO₂ umgewandelt wird (Dampfreformierung).

Türkiser Wasserstoff hat wieder eine andere Entstehungsgeschichte. Er 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.

^{Ein Blick ins Innere des Elektrolyseurs}

Eine Elektrolyse-Zelle besteht aus zwei Elektroden, die durch den Elektrolyten und meist einen Separator getrennt und elektrisch isoliert sind. Die Elektroden fungieren als Schnittstellen zwischen dem Stromkreis und dem Elektrolyten. An ihren Oberflächen findet die chemische Reaktion statt, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Der Elektrolyt ermöglicht durch Ionenfluss einen stofflichen Energietransfer zwischen den Elektroden. Katalysatoren auf der Oberfläche der Elektroden erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit und steigern damit die Effizienz des Elektrolyseprozesses.

In großtechnischen Elektrolyseuren sind dabei zahlreiche Elektrolysezellen in sogenannten „Stacks“ gebündelt. Im industriellen Anlagenbau werden für einen reibungslosen Prozessablauf weitere Komponenten wie Leistungselektronik (Transformatoren und Gleichrichter), Wassermanagementsysteme (Pumpen, Verdichter und Wasseraufbereitungsanlagen), Wasserstofferzeugungs- und -Reinigungssysteme (Trockner und Reinigungseinrichtungen), Wärmemanagement (Wärmetauscher, Kühlsystem) sowie Sicherheitstechnik (Ventile, Mess- und Regeltechnik) benötigt.

Für die technische Umsetzung der Wasserelektrolyse stehen derzeit vor allem vier Technologien im Fokus, von denen die ersten beiden technologisch am besten ausgereift und am Markt etabliert sind: die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM), die Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse (AEM) und die Festoxid-Elektrolyse (SOEC).

Den Fahrplan für den Aufbau einer Wasserstoff-Wirtschaft - die Nationale Wasserstoffstrategie – sowie Infos zu Fördermöglichkeiten und die Wasserstoff-Importstrategie finden Sie im BMWK-Wasserstoff-Dossier.