Wasserstoff für Deutschland

Wasserstoff ist ein chemisches Element, das im Periodensystem unter der Abkürzung H geführt wird.

Es ist das leichteste und zugleich häufigste Element im Universum. Seine Energiedichte ist sehr hoch: Wasserstoff enthält aufs Gewicht bezogen dreimal so viel Energie wie Benzin. Anders als bei Kohle oder Öl entsteht bei seiner Verbrennung kein klimaschädliches Treibhausgas, sondern nur Wasserdampf. Das macht Wasserstoff als sauberen Energieträger unverzichtbar, wenn Deutschland wie geplant bis 2045 klimaneutral werden soll.

Wasserstoff findet sich auf der Erde in vielen Verbindungen mit anderen chemischen Elementen. Dazu zählen Wasser (H₂O) und Erdgas (CH₄). Um Wasserstoff zu erzeugen, müssen diese Verbindungen aufgespalten werden. Dafür gibt es unterschiedliche elektrochemische oder thermische Methoden wie Elektrolyse, Pyrolyse oder Dampfreformierung. Je nach Verfahren wird der dabei gewonnene Wasserstoff als grün, grau, blau oder türkis bezeichnet. 

Wasserstoff ist ein farbloses Gas, das immer ohne umweltschädliche Emissionen verbrennt. Trotzdem ist Wasserstoff nicht gleich Wasserstoff: Die Bezeichnung als grün, grau, blau oder türkis gibt Auskunft über die eingesetzten Energien und Verfahren bei seiner Erzeugung und damit auf seine Klimaneutralität. 

Grüner Wasserstoff wird meistens im Elektrolyseverfahren hergestellt. Dabei wird Wasser (H₂O) unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dieses Verfahren wird auch als Power-to-Gas bezeichnet. Andere grüne Verfahren arbeiten auf Basis biogener Stoffe wie Schmutzwasser aus Kläranlagen. Ihnen allen ist gemeinsam, dass die Atmosphäre nicht mit zusätzlichem Kohlenstoffdioxid belastet wird. Grüner Wasserstoff ist damit komplett klimaneutral.

Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung hergestellt. Fossile Energieträger wie Erdgas (CH₄) werden dabei in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid getrennt. Pro Tonne Wasserstoff entweichen dabei zehn Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre. Als grau wird Wasserstoff auch dann bezeichnet, wenn er mittels Elektrolyse aus konventionellem Strom hergestellt wird. 

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff hergestellt. Das Kohlenstoffdioxid gelingt jedoch nicht in die Atmosphäre. Stattdessen wird es abgeschieden und in unterirdischen Lagerstätten gespeichert. Diese Technologie wird als Carbon Capture and Storage (CCS) bezeichnet. Es entweichen keine direkten Emissionen in die Atmosphäre, die Umweltfolgen der Speicherung im Boden sind jedoch unklar. Blauer Wasserstoff gilt deshalb nur als begrenzt klimaneutral.

Türkiser Wasserstoff ist das Ergebnis von Verfahren, bei denen fester Kohlenstoff anfällt. Das gängigste ist die Methanpyrolyse, bei dem Erdgas in Wasserstoff und Kohlenstoff gespalten wird. Der Kohlenstoff wird nicht gespeichert, sondern als Rohstoff weiterverwendet. Türkiser Wasserstoff gilt als weitgehend klimaneutral, wenn die Pyrolyse selbst mit erneuerbaren Energien betrieben wird.

Manche Farbcodes für Wasserstoff verwenden noch weitere Unterscheidungen. Stammt der Strom zur Elektrolyse aus Kernenergie, wird der Wasserstoff oft als pink, rot oder violett bezeichnet.  

Wasserstoff ist ein sehr vielseitiger Energieträger. Mit Wasserstoff lassen sich Schmelzereien betreiben und Strom erzeugen, er treibt Lastkraftwagen und Busse an. Er ist so wandelbar und flexibel, dass aus ihm sogar neue Kraftstoffe entstehen können. Für manche Aufgaben bietet er sich ganz besonders an: Immer dann, wenn der Einsatz von Ökostrom technisch oder wirtschaftlich an seine Grenzen kommt. Das ist in der Industrie oder bei schweren Transportmitteln der Fall.

Deutschland ist ein Energieimportland und wird es auch bleiben. Das gilt auch für das Molekül H₂. Im Jahr 2030 müssen bis zu 70 Prozent des Wasserstoffbedarfs aus dem Ausland gedeckt werden; im Jahr 2050 sind es bis zu 80 Prozent. Deshalb muss Deutschland jetzt rasch Energiebrücken bauen, ganz konkret: Wasserstoffbrücken. 

Die Bundesregierung setzt dafür unter anderem auf internationale Kooperationen – etwa mit Australien, Kanada und der MENA-Region (Nahost und Nordafrika) – also Regionen mit reichlich Wind oder Sonnenschein. 

Für den Transport im Inland sind Wasserstoffnetze die effizienteste Wahl. Sie transportieren Wasserstoff in seinem natürlichen Zustand, also in Gasform. Für den Überseetransport nach Deutschland wird Wasserstoff dagegen verflüssigt. Das geschieht durch starke Abkühlung auf -253 °C. Dadurch schrumpft das Volumen auf ein Sechstel und die Schiffe können entsprechend größere Mengen an Wasserstoff transportieren. Vor der Einspeisung in das deutsche Gasnetz muss der Wasserstoff dann wieder in Gasform gebracht werden.

Eine andere Möglichkeit ist, den Wasserstoff für den Schiffstransport in flüssigen Ammoniak umzubauen. Ammoniak ist eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, die in der Düngemittelproduktion genutzt wird. Die Vorteile: Ammoniak wird schon bei -33 °C flüssig, der Energieaufwand zur Verflüssigung ist also viel geringer als bei reinem Wasserstoff. Außerdem ist die Energiedichte bei Ammoniak höher und die Container sind kostengünstiger.

Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) ist ein Sammelbegriff für organische, kohlenstoffhaltige Substanzen, die mit Wasserstoff reagieren. Dadurch wird das LOHC zum Speicher für Wasserstoff:  Das LOHC wird mit den Wasserstoffatomen „beladen“ (hydriert) und später wieder „entladen“ (dehydriert). In der LOHC-Technologie steckt großes Potenzial, sie wird bisher jedoch nur stationär eingesetzt. Denn die LOHC-Stoffe selbst werden teilweise als gewässergefährdend eingestuft und sind nur schwer biologisch abbaubar.