Grüner Wasserstoff – was steckt wirklich dahinter?

Grüner Wasserstoff ist das Erdöl von morgen. Grüner Wasserstoff hat in der Tat das Zeug dazu, zum führenden Energieträger kommender Jahrzehnte zu werden und so fossile Rohstoffe – allen voran das Erdöl – als dominierende Treibstoffquelle abzulösen.

Grün – das bedeutet umweltfreundlich und nachhaltig. Im Zusammenhang mit einem Energieträger geht es dabei vor allen Dingen um Klimaschutz. Fossile Energieträger belasten die Umwelt durch den Ausstoß schädlicher Treibhausgase, allen voran CO2. Genau das tut grüner Wasserstoff nicht. Bei ihm steht am Ende des Verbrennungsprozesses nur Wasserdampf als Emission.

Daraus erwächst die Frage: Wenn Wasserstoff ein derart umweltfreundliches Emissionsverhalten aufweist – wozu dann die Typisierung grün? Und wenn es grünen Wasserstoff gibt – wie steht es mit weiteren Sorten?

Die Farbenlehre des Wasserstoffs

In der Tat ist Wasserstoff als Energieträger nicht grundsätzlich umweltfreundlich. Zwar entsteht bei der Verbrennung immer Wasserdampf, aber maßgeblich für die komplette Umweltbilanz ist auch das Verfahren, mit dem Wasserstoff hergestellt wird. Und da gibt es gewaltige Unterschiede.

Grauer Wasserstoff – im Grund nichts gewonnen

Als grau gilt Wasserstoff, der aus fossilen Ausgangsstoffen gewonnen wird. Das verbreitetste Verfahren ist die Umwandlung von Erdgas unter Zufuhr von Hitze in Wasserstoff und CO2. Das Verfahren trägt die Bezeichnung Dampfreformierung.

Wasserstoff auf diese Weise herzustellen, macht klimatechnisch keinen Sinn. Das gleichzeitig entstehende CO2 entweicht meist ungenutzt in die Atmosphäre, und das in erheblichem Ausmaß: Die Herstellung von einer Tonne grauem Wasserstoff verursacht den Ausstoß von zehn Tonnen Kohlendioxid.

Blauer Wasserstoff – ein Schritt in die richtige Richtung

Im Grunde gleicht das Produktionsverfahren von blauem Wasserstoff dem der grauen Variante. Auch hier erfolgt auf dem Wege der Erdgas-Dampfreformierung die Gewinnung von Wasserstoff und CO2.

Der Unterschied liegt im Umgang mit dem entstehenden CO2. Es wird nicht in die Umwelt entlassen, sondern soll unterirdisch eingelagert werden. Das Verfahren wird CCS genannt (Carbon Capture and Storage).

Blauer Wasserstoff ist vorrangig ein Angebot der Erdgaswirtschaft. Sie will auf diesem Weg ihr Geschäftsmodell noch ein wenig länger erhalten – bis grüner Wasserstoff fossile Energieträger obsolet macht. Dass der Zeitpunkt kommen wird, räumt selbst die Erdgasindustrie ein: Sie bezeichnet blauen Wasserstoff als Brückentechnologie.

Türkiser Wasserstoff – fast grün, aber mit Haken

Der blaugrüne Wasserstoff entsteht durch die thermische Spaltung von Methan, die Methanpyrolyse. Der Unterschied zu grau und blau: Neben dem Wasserstoff entsteht CO2 in fester Form, nämlich Kohlenstoff.

Der Grünanteil beim türkisen Wasserstoff hängt mit der Hitze zusammen, die für den Produktionsprozess benötigt wird. Stammt sie aus erneuerbaren Quellen, darf der Wasserstoff sich türkis nennen. Eine weitere Voraussetzung ist die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs, damit er nicht in die Atmosphäre entweichen kann.

Das Manko beim türkisen Wasserstoff

Das große Manko beim türkisen Wasserstoff ist, wie bei den Varianten grau und blau, der Grundstoff Erdgas. Unabhängig davon, wie umweltverträglich der Produktionsprozess und die Nachbehandlung des entstehenden Kohlendioxids auch verlaufen – am Anfang steht immer die Förderung von Erdgas, und die ist meist energieintensiv und umweltbelastend.

Ein weiterer Negativfaktor auf der Sollseite von Wasserstoff auf der Basis fossiler Grundstoffe ist das Methan. Es ist das zweitwichtigste Treibhausgas, das zur Erderwärmung beiträgt. Die Erdgasförderung und -verarbeitung ist immer mit Methan-Emissionen verbunden – ein Problem, das sich auch durch fortschrittliche Verfahren nicht beseitigen lässt.

Grüner Wasserstoff – der Stein der Weisen, wenn die Bedingungen stimmen

Grüner Wasserstoff lässt sich auf zwei unterschiedliche Arten gewinnen. Die bisher verbreitetste ist die Elektrolyse von Wasser. Sie liefert reinrassigen Öko-Wasserstoff, hat aber zwei empfindliche Nachteile – doch davon später mehr.

Ein Verfahren mit großer Zukunft ist die Gewinnung grünen Wasserstoffs aus organischen Rest- und Abfallstoffen, vorzugsweise Backabfällen der Lebensmittelindustrie. Wenn es ein Verfahren zur Erzeugung klimaneutraler Energie ohne negative Nebeneffekte gibt, dann dieses.

Beiden Verfahren gemeinsam ist die Vorgabe, dass die zur Produktion erforderliche Energie aus erneuerbaren Quellen kommen muss. Auf diese Weise entsteht kein CO2, das in die Atmosphäre entweichen kann oder aufwendig zurückgehalten werden muss.

Wasserstoff als Schlüsselelement der Sektorkopplung

Die Sektorkopplung

Ein Begriff, der noch weitgehend unbekannt ist, aber für die Energiewende entscheidende strategische Bedeutung hat, ist die Sektorkopplung. Sie beschreibt die Vernetzung der drei tragenden Säulen der Energiewirtschaft: Elektrizität, Mobilität und Wärmeversorgung. Die Sektorkopplung ermöglicht den Energieaustausch zwischen den drei Bereichen, die bisher weitgehend isoliert agieren.

Sektorkopplung ist ein Postulat des Klimaschutzplans der Bundesregierung. Nur so rückt das angestrebte Ziel der Reduzierung von Treibhausgasemissionen um 80 bis 95 Prozent bis 2050 in greifbare Nähe. Erst durch die Kopplung wird eine sinnvolle Nutzung der volatilen Energie möglich, also der nachhaltigen Energiemengen, die zwar erzeugt wurden, aber im Augenblick keine Abnehmer finden.

Das Ergebnis ist eine Entlastung des Stromsektors, und das bei einer spürbaren Senkung der Gesamtkosten. Beispielsweise lässt sich der Bau zusätzlicher Windanlagen vermeiden, die nur dem Zweck dienen, gelegentliche Spitzenlasten auszugleichen.

Wirking der Sektorkopplung

Die Sektorkopplung eröffnet für die freien Energiemengen eine Vielzahl von Nutzungspfaden in den drei Sektoren. Eines der Ziele ist es, die Infrastrukturen bei Strom und Gas kooperativ zu nutzen – und da kommt grüner Wasserstoff ins Spiel.

Eine der zukunftsträchtigen Technologien bei der Sektorkopplung ist das Power-to-Gas-Verfahren. Es hat zum Ziel, überschüssige elektrische Energie in einen gasförmigen Energieträger umzuwandeln – vorzugsweise grünen Wasserstoff. In dieser Form lässt sich die Energie einfach und übere längere Zeiträume hinweg speichern.

Für die weitere Nutzung ist nicht immer die Rückverwandlung in Strom erforderlich. Grüner Wasserstoff eignet sich auch zur direkten Nutzung, beispielsweise in Brennstoffzellen und in Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung. Daneben lässt sich grüner Wasserstoff über das Gasleitungsnetz direkt zum Endverbraucher transportieren, beispielsweise zur Beheizung und Warmwasserversorgung von Gebäuden.

Sektorkopplung erfordert einen regulatorischen Rahmen. Damit zukunftsträchtige Geschäftsmodelle entstehen können, ist von Regierungsseite die zügige Entwicklung eines tragfähigen gesetzlichen Regelwerks erforderlich, einschließlich normativer und steuerlicher Standards. Steht die gesetzliche Grundlage, kann die Sektorkopplung ihre volle synergetische Effizienz entwickeln.

So entsteht grüner Wasserstoff

Wie zuvor erwähnt, gibt es zwei Methoden, um grünen Wasserstoff zu gewinnen. Hier ein näherer Blick auf beide Verfahren:

Elektrolyse

Das Ziel der Elektrolyse zur Gewinnung von grünem Wasserstoff ist die Aufspaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Als Energiequelle zur Einleitung des Prozesses kommt elektrischer Strom zum Einsatz.

Das Kriterium, das Wasserstoff bei der Elektrolyse grün werden lässt, sind demnach die Quellen, aus denen der Strom stammt. Kommt er aus nachhaltigen Produktionsverfahren, darf sich das Endergebnis grün nennen.

Soll grüner Wasserstoff in Zukunft eine Schlüsselrolle in der klimaneutralen Klimapolitik spielen, kommt es darauf an, Kapazitäten im großindustriellen Rahmen zu schaffen, die dennoch alle Anforderungen an Nachhaltigkeit und Klimaneutralität erfüllen.

Auf diesem Weg bietet sich Elektrizität aus Windkraftanlagen oder Solarfarmen an. Wird sie zur Herstellung von grünem Wasserstoff genutzt, trägt das zur Entlastung der Stromnetze bei – insbesondere in den Phasen der Hochlast-Produktion – und schafft gleichzeitig stabile Speicherkapazitäten für elektrischen Strom – eben in der Form von grünem Wasserstoff.

Hohe Kosten und hoher Wasserverbrauch als Achillesferse

Zu den Produktionskosten des grünen Wasserstoffs

Eines der großen Mankos bei der Produktion von grünem Wasserstoff per Elektrolyse – insbesondere im großindustriellen Maßstab – sind die erheblichen Kosten. Sie entstammen teilweise dem aufwendigen Prozessablauf und teilweise den Anforderungen an die Nachhaltigkeit, die grüner Wasserstoff erfüllen muss.

Die Produktionskosten von grünem Wasserstoff setzen sich im Wesentlichen aus diesen Posten zusammen:

• Stromkosten
• Investitionsausgaben (CAPEX)
• Wasserkosten
• Betriebskosten
• Transport und Verteilung

Den Löwenanteil nehmen erwartungsgemäß die Stromkosten in Anspruch. Nach einer Studie des Beratungsunternehmens Prognos werden diese Kosten bis 2050 in etwa gleich bleiben. Da über diesen Zeitraum hinweg aber die anteiligen Investitionsausgaben sinken, steigt der Anteil der Stromkosten bis auf rund 65 Prozent.

Schwer voraussagbar ist der Kostenanteil für Wasser. Da die klimatischen Veränderungen weltweit zu drastischen Engpässen bei der Wasserversorgung führen können, lässt sich ein sprunghafter Anstieg in diesem Bereich nicht ausschließen.

Weitere Kostenfaktoren für den grünen Wasserstoff

Bei Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser spielen auch die Transport- und Verteilungskosten eine wesentliche Rolle. Wirtschaftliche Elektrolyse lässt sich vor allem in Großanlagen verwirklichen, die vielfach weit vom Verbrauchsort entfernt sind, oft über Länder- oder Kontinentgrenzen hinweg. Das kann zu einer spürbaren Verteuerung des Endprodukts führen.

Auch im Vergleich zu den anderen Wasserstoff-Arten steht grüner Wasserstoff aus Elektrolyse kostenmäßig nicht besonders günstig da. Laut einer Untersuchung durch den wissenschaftlichen Dienst des Deutschen Bundestags ist grüner Wasserstoff aus Elektrolyse mit einem Preis zwischen 15 und 18 Cent pro Kilowattstunde etwa doppelt so teuer wie blauer Wasserstoff und rund dreimal so teuer wie grauer Wasserstoff.

Die Preisentwicklung für grünen Wasserstoff

Auch die Preisentwicklung bei den Erzeugungskosten für grünen Wasserstoff aus Elektrolyse zeigen wenig Ermutigendes. Ausgehend von einem aktuellen Wert bei rund 17 Cent pro Kilowattstunde wird der Preis laut Prognose bis 2020 auf etwa 12 Cent sinken, um sich dann ab 2040 bei rund 8 Cent einzupendeln.

Das mag bei einer augenscheinlichen Halbierung eindrucksvoll erscheinen. Als Preisentwicklung über einen Zeitraum von dreißig Jahren hinweg signalisiert die Kurve allerdings eine eher geringe Tendenz, wirklich verbraucherfreundliche Werte zu erreichen. Insbesondere in Hinblick auf die Alternative – Wasserstoff aus Rest- und Abfallstoffen – scheint sich für Elektrolyse-Wasserstoff das Bild vom Champagner unter den Energieträgern zu bewahrheiten.

Wasser – das Krisengut der Zukunft

So, wie bereits heute die Diskussion um die Nutzung von Anbaufläche zur Erzeugung von Energiepflanzen entfacht ist – mehr dazu im nächsten Abschnitt – so wird sich Wasser voraussichtlich auch in den industriell voll erschlossenen Zonen vom quasi kostenlos verfügbaren Massengut zur wertvollen – und kostspieligen – Ressource entwickeln. Ob in einem derartigen Szenario noch riesige Mengen des lebensnotwendigen Stoffs für die Aufspaltung zu Wasserstoff zur Verfügung stehen werden, ist ungewiss.

Der Wasserbedarf für die Elektrolyse von Wasserstoff ist enorm. Um eine Tonne Wasserstoff per Aufspaltung zu gewinnen, sind neun Tonnen Wasser erforderlich. Das ist allerdings ein eher theoretischer Wert. Da sich Rohwasser in den meisten Fällen nicht für die Elektrolyse eignet, ist eine vorherige Aufbereitung erforderlich, die den Bedarf weiter steigert – im ungünstigen Fall um das Doppelte.

Und Wasser aus dem Meer? Nach allem, was Wissenschaftler über die Zukunft der Erde wissen, wird Meerwasser immer in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Doch auch hier gibt es Nachteile.

Meerwasser-Entsalzungsanlagen müssen in Küstennähe stationiert sein. Das verursacht längere Transportwege zu Regionen im Landesinneren. Zudem ist die Meerwasserentsalzung ein zusätzlicher, nicht unwesentlicher Kostenfaktor, vom zusätzlichen Energiebedarf ganz abgesehen.

Grüner Wasserstoff aus Rest- und Abfallstoffen

Wer bei Rest- und Abfallstoffen an Müllhalden und stinkenden Unrat denkt, hat das ungeheure Potenzial dieser wertvollen Ressource noch nicht erkannt. Rest- und Abfallstoffe sind ein Wertstoff – nicht mehr und nicht weniger.

Bei der Produktion von grünem Wasserstoff ist der Einsatz von Rest- und Abfallstoffen das eindrucksvolle Beispiel einer Win-Win-Situation. Wichtig ist dabei die Unterscheidung von der Verwendung von Biomasse, also nachwachsender Rohstoffe wie Energiepflanzen oder Stroh. Hier stellen sich wieder Nachteile ein, die denen bei der Elektrolyse ähneln.

Energiepflanzen wie das Miscanthusgras galten lange Zeit als die ideale Lösung für eine nachhaltige Energieproduktion. Äußerst energiehaltig, anspruchslos bei der Anpflanzung, robust und auch auf nährstoffarmen Böden überlebensfähig – das schien den Traum vom klimaneutralen Treibstoff in greifbare Nähe zu rücken.

Die Idee ist bestechend: Landwirte bauen auf ungenutzten Nebenflächen Miscanthus an, erzielen ein interessantes Zusatzeinkommen und leisten ihren Beitrag zur Energiewende. Dem steht allerdings die gute Rentabilität bei Energiepflanzen im Weg – gepaart mit dem natürliche Gewinnstreben des Menschen. Es ist abzusehen, dass die Landwirte zunehmend den Anbau von Nahrungspflanzen zurückfahren, um für das profitable Geschäft mit den Energiepflanzen mehr Raum zu schaffen.

Grüner Wasserstoff aus Abfallstoffen entsteht quasi nebenher

Produktion von grünem Wasserstoff in Brennereianlagen

Die sinnvollste Methode, grünen Wasserstoff aus Rest- und Abfallstoffen zu gewinnen, ist die Produktion in Brennereianlagen, wie sie die GEP weltweit in Betrieb stellt.

GEP-Anlagen sind in sich geschlossene nachhaltige Systeme, die alle Komponenten des Produktionsprozesses selbst herstellen, bis hin zum für den Betrieb erforderlichen grünen Strom. Industriebrennereien dieses Zuschnitts liefern im ersten Prozessschritt Bioethanol, gewonnen aus Reststoffen, meist Backabfällen aus der Lebensmittelindustrie. Dabei entstehen Gärreste – und die sind der Ausgangspunkt für die Produktion von grünem Wasserstoff.

Das passiert mit dem im Gärrest enthaltenen Ammoniak

Der im Gärrest enthaltene Ammoniak wird abgeschieden und hoch konzentriert. Mit Hilfe eines speziellen Verfahrens erfolgt nun die Aufspaltung in Wasserstoff und Stickstoff. Hier spielt der ebenfalls aus Reststoffen erzeugte grüne Strom aus Eigenproduktion eine entscheidende Rolle.

Resultat: Wasserstoff, der in jeder Hinsicht grün ist

Der so gewonnene und in Tanks bereitgehaltene Wasserstoff ist in jeder Hinsicht grün – mehr noch als per Elektrolyse erzeugter Wasserstoff. Das hat nicht zuletzt damit zu tun, was mit den verbleibenden Gärresten geschieht: Sie durchlaufen einen intensiven Konzentrationsprozess und geben auf dem Weg der Umkehrosmose alles Wasser ab, das noch in den Resten enthalten war.

Wasserstofferzeugung in der Brennerei ist das kostengünstigste und sauberste Verfahren

Damit wird die Produktion von grünem Wasserstoff über Rest- und Abfallstoffen zum unbestreitbaren Sieger im Rennen um das umweltfreundlichste und klimaneutralste Verfahren: Statt durch aufwendige Verfahren hohe Kosten zu verursachen, ist die Wasserstofferzeugung in der Brennerei zu erheblich geringeren Kosten zu haben. Statt gigantische Mengen von Wasser zu verbrauchen, endet der Produktionsprozess in einer GEP-Anlage mit einem Überschuss zurückgewonnenen Wassers.

Keine Standortprobleme

Auch Standortprobleme wie bei Großanlagen für die Elektrolyse oder Meerwasser-Entsalzungsanlagen existieren beim Wasserstoff aus der Brennerei nicht – im Gegenteil:

So gut wie jede Gemeinde hat ein massives Problem mit organischen Rest- und Abfallstoffen, die ungenutzt auf den Müll wandern. Eine Brennereianlage kann den gesamten Bestand an organischen Abfallstoffen aus Brotfabriken und der Lebensmittelindustrie in grüne Energie umwandeln. GEP-Anlagen sind daher in jeder Stadt überall auf der Welt begehrte Nachbarn – nicht nur als Arbeitgeber, sondern auch im Interesse der Umwelt.

Nicht umsonst sehen zahlreiche Energieexperten und Investoren im grünen Wasserstoff aus der Brennerei den Energieträger der Zukunft.