Bild: Shutterstock/Alexander Kirch

Europas Weg mit dem Wasserstoff

Wasserstoff soll eine zentrale Säule einer CO2-neutralen Zukunft werden. Auf dem Weg dorthin sind noch einige Hürden zu nehmen. Intensive Forschung soll dabei helfen. 

„Die Helmholtz-Gemeinschaft beforscht die komplette Wertschöpfungskette eines zukünftigen Wasserstoffsystems“, sagt Jochen Linßen. „Das fängt bei der Material- und Katalysatorentwicklung an, geht über Elektrolyse- und Brennstoffzellenkomponenten sowie Systemen bis hin zur Energiesystem- und Ressourcenanalyse.“ Linßen arbeitet am Institut für Energie- und Klimaforschung, Techno-ökonomische Systemanalyse des Forschungszentrums Jülich. Dort betrachten er und seine Kollegen das Energiesystem der Zukunft und einer der tragenden Säulen: Wasserstoff. Gerade haben sie dazu die Ergebnisse ihrer Studie „Kosteneffiziente und klimagerechte Transformationsstrategien für das deutsche Energiesystem bis zum Jahr 2050“ veröffentlicht. Darin beschreiben sie mögliche Wege für die Energiewende. „Wir haben uns angeschaut, wie das Energiesystem der Zukunft aussehen kann“, erklärt Linßen. „Dazu haben wir den Computer die kostenoptimalen Wege errechnen lassen, um bis zum Jahr 2050 die CO2 Emissionen um 95 Prozent gegenüber 1990 zu senken.“

Dem Wasserstoff, verrät er weiter, fiele dabei eine zentrale Rolle zu. Und dieser, so legen die Modelle nahe, würde sowohl national erzeugt als auch international gehandelt werden. „Wenn es in Zukunft einen Wasserstoffmarkt geben sollte“, glaubt der Wissenschaftler, „dann wird das kein rein deutscher, sondern auch ein europäischer und internationaler sein.“ Da der Wasserstoff mit regenerativen Energien erzeugt werden müsse, sieht er neben Deutschland auch große Potenziale in weiteren windreichen Ländern wie Norwegen oder Großbritannien. Aber auch Island mit seiner geothermalen Energie reiht sich in diese Liste ein. Doch während sich die regenerative Wasserstofferzeugung aus Wetter- und Regionaldaten modellieren lässt, stellt die Nachfrageseite die Wissenschaftler vor eine Herausforderung. „Das ist aktuell eine unserer Hauptaktivität“, sagt Linßen, „denn um verlässliche Trends für einen zukünftigen Wasserstoffmarkt machen zu können, müssen wir die Nachfrage sowohl zeitlich als auch räumlich möglichst genau abschätzen.“

In Wasserstoff steckt nicht nur Strom

Wie genau Wasserstoff künftig Benzin und Gas ersetzen könnte, erforscht Thomas Jordan. Er leitet die Wasserstoff-Gruppe des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Er koordiniert mehrere EU-Projekte rund um Wasserstoff. Mit internationalen Partnern hat Jordan den Kraftstoffsektor und die entsprechenden Sicherheitsaspekte im Blick. Denn in Benzin und Diesel steckt bereits heute jede Menge Wasserstoff. Er „sättigt“ die organischen Verbindungen, macht sie dadurch stabiler, dient aber vor allem dazu, das Rohöl zu entschwefeln. „Die Treibstoffherstellung ist aktuell der größte Wasserstoffverbraucher in Deutschland“, berichtet der Forscher. „Und dieser Wasserstoff wird aktuell vor allem aus Erdgas gewonnen.“

Treibstoffe, die für ihre Herstellung grünen Strom nutzen und damit ganz auf Erdöl und Erdgas verzichten, nennt man e-Fuels. Sie werden direkt aus Wasserstoff und Kohlendioxid in großtechnischen Anlagen chemisch zusammengesetzt. Geschieht dies mit Energie aus regenerativen Quellen, erneuerbar produziertem Strom und CO2 aus der Atmosphäre, sind sie CO2-neutral. „Mit Designkraftstoffen ließe sich die gegenwärtige Infrastruktur weiternutzen“, erklärt der Forscher, denn sie sind flüssig und könnten Leitungen und Tankstellen nutzen, in denen heute Benzin oder Diesel fließt. „Bei Autos mit recht kurzer Nutzungsdauer ist das zwar nicht besonders relevant. Bei längerfristig genutzten Mobilitätssystemen wie Schienenfahrzeugen oder Flugzeugen sähe das aber ganz anders aus. Denn deren Nutzungs- und Investitionsstrategie unterscheidet sich sehr stark vom Pkw-Markt.“

Doch Jordan und seine Kollegen schauen sich nicht nur den Mobilitätssektor an. Sie wollen zum Beispiel auch wissen, wie sich Wasserstoff CO2-frei auf anderen Wegen als über Elektrolyse herstellen lässt und wie sich mit ihm diverse Produkte der Chemieindustrie oder auch Stahl auf kosteneffiziente Weise „grün“ machen lassen. Bei der traditionellen Stahlherstellung wird Kohle genutzt, um Eisenerz aufzuschließen. Der Kohlenstoff trennt den Sauerstoff vom Eisenoxid. Das nennt sich Reduktion. Übrig bleiben reines Eisen und jede Menge Kohlendioxid. „Die Stahlindustrie ist ein sehr großer CO2-Emittent“, erklärt der Wissenschaftler. „Aber die Reduktion kann auch durch Wasserstoff erfolgen. Übrig bliebe dann nur Wasserdampf. Und der könnte sogar noch energetisch genutzt werden.“

Wasserstoff haucht totem Gas neues Leben ein

Das Potenzial von Wasserstoff in Industrieprozessen bestätigt auch Ralf Peters: „In der Industrie wird CO2 nicht nur durch die Energieerzeugung freigesetzt. Oftmals ist es auch prozessbedingt und entsteht bei der Herstellung verschiedenster Substanzen“, sagt der Wissenschaftler, der die Abteilung Kraftstoffsynthese und Systemtechnik des Forschungszentrums Jülich leitet. „Einen Teil davon kann man direkt durch Wasserstoff ersetzen – wie zum Beispiel bei der Stahlherstellung. Es gibt aber eine gewisse Menge an Kohlenstoff, die lässt sich nicht ersetzen und da kommt CCUS ins Spiel.“

Die Abkürzung steht für Carbon Capture Utilization and Storage. Kohlendioxid, das im Prozess entsteht, wird hierbei abgeschieden, aufgefangen und entweder gespeichert oder als Rohstoff wiederverwendet. Welche Potenzial hier verborgen liegen, untersucht er im europäischen Projekt Align CCUS. „Kohlendioxid ist ein totes Gas. Es reagiert nicht von allein. Mit Wasserstoff und dem richtigen Knowhow lassen sich daraus aber wieder Grundstoffe für die Industrie gewinnen“, sagt Peters. Im Projekt arbeitet er gemeinsam mit seinen Kollegen an der Effizienz dieses „Klimagasrecyclings“. „Gerade im Bereich der Nutzung des abgeschiedenen CO2 ist Deutschland gut aufgestellt“, sagt der Wissenschaftler. „Das hat mit unseren hohen CO2-Einsparungszielen von 80 beziehungsweise 95 Prozent zu tun.“ Diese, so erklärt er, würden eine sehr breite Nutzung von Wasserstoff erfordern. Und das geht nur, wenn die Sektoren Strom, Wärme, Mobilität und Industrie miteinander gekoppelt werden. Das Schlagwort heißt hier Power to X. Überschüssige erneuerbare Energie werden hier nicht nur gespeichert, sondern auch Kraftstoffe und Grundstoffe für die Industrie verwandelt. „Das war zu Anfang ein sehr deutsches Thema“, meint Peters. „Doch mittlerweile ist das Interesse daran in ganz Europa hoch. Und ich denke, hier liegt auch der Schlüssel zu einer erfolgreichen Dekarbonisierung.“

Lesen Sie mehr auf unserer Themenseite Wasserstofftechnologien

31.08.2020 , Kai Dürfeld

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