mini|Die unterschiedlichen Einsatzbereiche von sauberem Wasserstoff nach ihrer Wirtschaftlichkeit eingeordnet. Eine Wasserstoffwirtschaft bezeichnet ein Konzept einer Energiewirtschaft, das die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger zur Speicherung und Versorgung verschiedener Sektoren (z. B. Industrie und Verkehr) vorsieht.
Wasserstoff kann entweder natürlich vorkommen oder mithilfe anderer Energiequellen gewonnen werden. Natürlich vorkommender Wasserstoff ist ein Primärenergieträger, hergestellter hingegen ein Sekundärenergieträger. Eine Wasserstoffwirtschaft ist daher nur so nachhaltig wie die Primärenergien, aus denen der Wasserstoff stammt. Derzeit wird Wasserstoff überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Erdgas erzeugt; künftige Konzepte setzen auf emissionsarmen Wasserstoff aus erneuerbaren Energien oder aus Kernenergie.
Der Aufbau einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft gilt als wichtiger Baustein für die Energiewende. Seit 2020 wird in Deutschland die Nationale Wasserstoffstrategie verfolgt, um die Produktion klimafreundlicher Wasserstofftechnologien voranzutreiben.
Chronologie 1766 – Henry Cavendish entdeckt das chemische Element Wasserstoff. ca. 1800 – Entdeckung des Verfahrens der Elektrolyse. 1838 – Erfindung der Brennstoffzelle durch William Robert Grove und Christian Friedrich Schönbein. 1874 – beschrieb der Schriftsteller Jules Verne in einem Dialog seiner Romanfiguren auf die Frage, was in späteren Zeiten einmal statt Kohle verbrannt werden solle, erstmals die Vision, Wasserstoff und Sauerstoff als Energiequelle zu verwenden.Jules Verne: Die geheimnisvolle Insel. 1875. Zweiter Teil, Elftes Kapitel, S. 300 (unten in Dialogform) (2015, ISBN 978-3-8496-9386-2); Wortlaut: Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, die Bestandteile desselben, zur unerschöpflichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichtes werden. 1923 – nannte der Wissenschaftler John Burdon Sanderson Haldane in einem Aufsatz zum ersten Mal die Grundzüge einer Wasserstoffwirtschaft.John Burdon Sanderson Haldane: Daedalus oder Wissenschaft und Zukunft. Drei Masken Verlag, München 1925. 1970 – verwendete der australische Elektrochemiker John Bockris erstmals den Begriff „Wasserstoffwirtschaft“ () während einer Besprechung im General Motors Technical Center in Warren (Michigan) und prägte ihn in den Folgejahren maßgeblichJoseph J. Romm: Der Wasserstoff-Boom. 1. Auflage. Wiley-VCH Verlag, 2006, ISBN 3-527-31570-5.. 1975 – entwarf John Bockris zusammen mit dem Physiker Eduard Justi das vollständige Konzept einer Wasserstoffwirtschaft.John O. M. Bockris, Eduard W. Justi: Wasserstoff. Energie für alle Zeiten. Konzept einer Sonnen-Wasserstoff-Wirtschaft. Augustus Verlag, 1990, ISBN 3-8043-2591-2. 1980 – entwickelte der Physiker Reinhard Dahlberg unter dem Eindruck der Ölkrise das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft, in der mit Sonnenenergie Wasserstoff in Wüstengebieten erzeugt und über Pipelines zu den Verbrauchern transportiert wird. Wesentlicher Beweggrund war der Ersatz der versiegenden fossilen Rohstoffe. Dahlberg hatte aber nicht nur die technischen, sondern auch die wirtschaftlichen Aspekte seiner Wasserstoffwirtschaft betrachtet. 1989 – das Solar-Wasserstoff-Projekt Neunburg vorm Wald erforschte die Erzeugung von Wasserstoff aus Solarstrom und die Speicherung des Gases. Eine Demonstrationsanlage wird errichtet. Das Projekt endet 2000. 1994 – befasste sich die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit der Wasserstoffgewinnung in der Wüste. Der von Solarzellen betriebene 350-kW-Elektrolyseur erbrachte damals den Nachweis, dass die Produktion von speicher- und transportierbarem Wasserstoff möglich ist. Die verfügbaren Solar-Ressourcen könnten auf einem Prozent der Landfläche Saudi-Arabiens dieselbe Energiemenge liefern, wie jährlich als Rohöl exportiert wird. 1999 – nahm die Isländische Regierung das Ziel einer Wasserstoffwirtschaft (unter dem Vorbehalt von Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit) in ihr Regierungsprogramm auf. (Quelle: Deutscher Wasserstoffverband Stand: 21. Oktober 1999; PDF; 32 kB) Der Fokus Islands lag dabei besonders auf Wasserstoffantrieben für Fahrzeuge und die Fischereiflotte, um unabhängig vom Öl zu werden. Das Land besitzt keine abbaubaren fossilen Brennstoffe, ist aber reich an stromerzeugender Wasserkraft und Geothermie. Zur Förderung dieses Ziels wurde das Unternehmen Icelandic New Energy gegründet. 2002 – beschrieb der Ökonom Jeremy Rifkin das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft in seinem Buch Die Wasserstoff-Revolution. Für Rifkin sind die negativen Auswirkungen auf die Wirtschaft durch steigende Ölpreise und der Endpunkt der fossilen Brennstoffe als „prekärster Augenblick der postindustriellen Geschichte“ ein wichtiger Beweggrund.Jeremy Rifkin: Die H2-Revolution. Campus Verlag, Frankfurt am Main 2002, ISBN 3-593-37097-2. 2003 – kritisierte der bisherige Wasserstoff-Befürworter Ulf Bossel die geringe Wirtschaftlichkeit einer WasserstoffwirtschaftUlf Bossel: The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak? (PDF; 246 kB). 15. April 2003, aufgerufen am 11. September 2013. 2006 – analysierte Joseph J. Romm die Aussichten einer Wasserstoffwirtschaft in den USA und äußerte: „Wenn einige Leute so tun, als liege die Wasserstoffwirtschaft schon in Reichweite, so meinen sie damit lediglich ein ökonomisches System, in dessen Mittelpunkt Wasserstoff aus Erdgas und anderen schadstoffreichen fossilen Brennstoffen steht.“ 2007 – nahm das Europäische Parlament auch unter der Beratung durch Jeremy Rifkin eine Erklärung an, in der die Schaffung einer Wasserstoffinfrastruktur bis zum Jahr 2025 gefordert wird. Als Begründung werden in der Erklärung die globale Erwärmung und die zunehmenden Kosten der fossilen Brennstoffe aufgeführt. 2008 – Gründung der deutschen Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW)Sven Geitmann, Eva Augsten: Wasserstoff und Brennstoffzellen: Die Technik von gestern, heute und morgen, Hydrogeit Verlag, 4. komplett überarbeitete Auflage, Oberkrämer 2021, ISBN 978-3-937863-51-1, S. 225; aus der Chronologie des Wasserstoffs in diesem Buch von S. 220 bis 225 2014 – Toyota stellte das erste einsatzbereite Wasserstoffauto mit Brennstoffzellentechnik in größerer Serienproduktion vor, mit dem Toyota Mirai. 2017 – Japan beschloss als erstes Land der Welt eine nationale Wasserstoffstrategie, weitere Länder folgten dem Beispiel etwas später. 2020 – Die Europäische Union stellte ihre Wasserstoffstrategie im Rahmen des European Green Deal vor. 2020 – Im Juni beschließt die damalige deutsche Bundesregierung eine nationale Wasserstoffstrategie. 2023 – Die deutsche Bundesregierung beschließt den Aufbau eines landesweiten Wasserstoff-Kernnetzes.
Gewinnung von Wasserstoff
Die Internationale Energieagentur (IEA) führt eine Datenbank, die alle seit dem Jahr 2000 weltweit in Betrieb genommenen Wasserstoffprojekte zur Energieerzeugung oder zur Verringerung von Treibhausgasemissionen erfasst. Als emissionsarm gelten dabei Projekte, bei denen Wasserstoff durch Elektrolyse mit Strom aus emissionsarmen Quellen wie erneuerbaren Energien oder Kernenergie erzeugt wird. Auch Wasserstoff aus Biomasse oder aus fossilen Energieträgern mit CO2-Abscheidung und -Speicherung bzw. -Nutzung (CCUS) wird berücksichtigt, sofern die Vorkettenemissionen gering sind, die Abscheidung umfassend erfolgt und das abgeschiedene CO2 dauerhaft gespeichert wird.
Die weltweite Wasserstoffnachfrage betrug 2023 rund 97 Millionen Tonnen und stieg damit um etwa 2,5 % gegenüber dem Vorjahr. Sie entfiel überwiegend auf Raffination und die chemische Industrie und wurde fast vollständig durch fossil erzeugten Wasserstoff gedeckt. Die Produktion von emissionsarmem Wasserstoff blieb mit unter einer Million Tonnen gering. Trotz des Fortschritts bleibt der Ausbau gebremst, da sich die meisten Projekte noch in der Planungsphase befinden und Unsicherheiten bei Nachfrage, Finanzierung und Regulierung bestehen.
Zu den technologischen Ansätzen der Wasserstoffproduktion gehören der Dampfreformierung von Methan (SMR) und die Niedertemperatur-Elektrolyse, die beide etabliert sind, sowie Hochtemperaturelektrolyse, thermochemische Wasserspaltung und Hybridverfahren, die sich noch in frühen Entwicklungsstadien befinden. Bei der SMR-Reaktion wird Methan mit Wasserdampf unter Wärmezufuhr zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Die Elektrolyse von Wasser, insbesondere mit Strom aus Wind- oder Kernenergie, ist der wichtigste Prozess für emissionsarmen Wasserstoff. Die thermochemische Wasserspaltung nutzt eine Abfolge chemischer Reaktionen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen; höhere Temperaturen verbessern die thermische Effizienz, führen jedoch zu korrosiven Bedingungen. Hybridverfahren kombinieren thermochemische und elektrochemische Reaktionen zur Wasserstoffgewinnung.
Wasserstoff aus erneuerbaren Energien
Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien, vor allem aus Wind- und Solarenergie, erzeugt. Er gilt als zentraler Baustein einer klimaneutralen Energieversorgung. Seit den 2000er-Jahren hat sich die weltweite Investition in erneuerbare Energien und zugehörige Technologien stark erhöht – zwischen 2003 und 2012 etwa verzehnfacht. Mit dem raschen Wachstum dieser Energien rückte Wasserstoff zunehmend in den Fokus als Möglichkeit, überschüssigen Strom zu speichern und die Schwankungen von Wind- und Solarenergie auszugleichen.
Es wird davon ausgegangen, dass Wind- und Solarenergie die Hauptlast in einem regenerativen Energiesystem decken werden,Sarah Becker u. a.: Features of a fully renewable US electricity system: Optimized mixes of wind and solar PV and transmission grid extensions. In: Energy. Band 72, 2014, S. 443–458, S. 443, doi:10.1016/j.energy.2014.05.067. einige Studien verzichten sogar vollständig auf den Einsatz von Biomasse.Mark Z. Jacobson, Mark A. Delucchi: Providing all global energy with wind, water, and solar power, Part I: Technologies,energy resources,quantities and areas of infrastructure, and materials. In: Energy Policy. Band 39, 2011, S. 1154–1169, doi:10.1016/j.enpol.2010.11.040.
In einer Stromwirtschaft mit einem hohen Anteil variabler Erzeuger wie Wind- und Solarstrom werden zusätzliche Langfristspeicher zum Ausgleich benötigt. Hierfür kommen vor allem chemische Speicher wie die Wasserstoffherstellung, ggf. in Verbindung mit nachgeschalteter Methanisierung oder Umwandlung in Ammoniak, in Frage. Bei der Wasserstoffherstellung, -speicherung und anschließender Rückverstromung liegt der Wirkungsgrad derzeit (2013) bei maximal 43 %, bei der Methanisierung bei 39 %.Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 8., aktualisierte Auflage. München 2013, S. 373. Sterner et al. geben Wirkungsgradspannen zwischen 34 und 44 % für die Kette Wasserstofferzeugung, Speicherung und Rückverstromung an., S. 18. Fraunhofer IWES. Abgerufen am 14. November 2014. Es wird davon ausgegangen, dass perspektivisch elektrische Gesamtwirkungsgrade bis maximal 49 bis 55 % erreicht werden.Dan Gao, Dongfang Jiang, Pei Liu, Zheng Li, Sangao Hu, Hong Xu: An integrated energy storage system based on hydrogen storage: Process configuration and case studies with wind power. In: Energy. Band 66, 2014, S. 332–341, doi:10.1016/j.energy.2014.01.095.
Dieses Verfahren wurde seit Oktober 2011 in einem Pilotprojekt bei Enertrag im brandenburgischen Prenzlau eingesetzt. Nicht benötigter Strom wurde mit einem 500 kW Druck-Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt und steht so für Wasserstofftankstellen zur Verfügung oder wird bei Bedarf in einem Hybridkraftwerk wieder verstromt.