Woher kommt der Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein Multitalent: Er speichert Energie, erzeugt Wärme und treibt Brennstoffzellenautos an. Doch wie und wie nachhaltig wird Wasserstoff hergestellt? Eine Übersicht. 

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Die Idee ist simpel: Überschüssiger Strom aus Wind- und Sonnenenergie wird als Wasserstoff gespeichert, transportiert und für verschiedenen Anwendungen genutzt, etwa zur Herstellung von Dünger oder Methanol und als Treibstoff in Brennstoffzellen von Fahrzeugen. Sauber, flexibel in allen Sektoren einsetzbar, leicht zu speichern und zu transportieren – worauf warten wir noch?

Ein Knackpunkt ist dabei: Wo kommt der Wasserstoff her? Wasserstoff ist auf der Erde in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden, allerdings selten in elementarer Form. Er liegt vielmehr fast nur in gebundener Form vor, zum Beispiel in Wasser oder Kohlenwasserstoffen. Daher muss er unter Einsatz von Energie hergestellt werden. 

Weltweit werden etwa 50 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr erzeugt und verbraucht, wie die Springer-Autoren um Manfred Klell im Kapitel Erzeugung aus dem Buch Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik angeben. Das entspreche mit einem Energiegehalt von knapp 6 EJ (1,7 PWh) gut einem Prozent des globalen Gesamtenergieverbrauchs. Etwa 40 Prozent des benötigten Wasserstoffs stammen aus Industrieprozessen, bei denen Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt. Etwa 60 Prozent des benötigten Wasserstoffs werden eigens erzeugt, wobei großtechnisch die Herstellung von Wasserstoff derzeit zu 95 Prozent aus fossilen Kohlenwasserstoffen erfolgt, zu fünf Prozent aus Wasser durch Elektrolyse. 

Einen Überblick über die wichtigsten H₂-Quellen und Herstellungsverfahren, die sich unter anderem hinsichtlich des CO₂-Einsparpotenzials und der aktuellen Produktionskosten unterscheiden, gibt die nachfolgende Zusammenstellung.

Wasserstoff als Nebenprodukt

Wasserstoff fällt als Nebenprodukt bei der Herstellung von Chlor mittels der Chlor‐Alkali‐Elektrolyse, aus Rohölraffinerieprozessen wie der Benzinreformierung sowie aus der Herstellung von Ethen oder Methanol an. Dieser Wasserstoff geht zum Teil ungenutzt verloren. Wie man ihn nutzen kann, zeigt zum Beispiel der Industriepark Frankfurt-Höchst. Dort fällt Wasserstoff als Nebenprodukt aus der Chlorproduktion in großen Mengen an – 50 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Mit dem Wasserstoff werden Züge, Busse und Lkw an eigens dafür errichteten Tankstellen befüllt.

Reformierung 

Das meist genutzte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Reformierung fossiler Kohlenwasserstoffe, wie die Springer-Autoren um Manfred Klell erläutern. Das wirtschaftlichste Verfahren sei die Dampfreformierung kurzkettiger Kohlenwasserstoffe, meist Methan, wobei sich hohe Wirkungsgrade bis 80 Prozent erzielen lassen. "In der partiellen Oxidation werden längere Kohlenwasserstoffe und Rückstandsöle bei Wirkungsgraden um 70 Prozent mit Sauerstoff exotherm umgesetzt. Die autotherme Reformierung ist eine Kombination der beiden genannten Verfahren", so die Autoren. Nachteilig ist, dass die Reformierungsverfahren eine aufwändige Reinigung des Produktgases erfordern und Kohlendioxid emittieren. Nach Angaben von Professor Dr. Görge Deerberg, Inhaber der Fraunhofer-Professur Umweltwissenschaften an der Fernuniversität in Hagen und stellvertretender Leiter des Fraunhofer Umsicht, fallen bei der Dampfreformierung von Erdgas in Raffinerien pro Tonne Wasserstoff neun bis fast 13 Tonnen CO₂ an, wie er in einem Vortrag erläutert. In Deutschland verursacht diese H₂-Produktionsweise 19 Millionen Tonnen CO₂.

Vergasung

Als weiteres thermochemisches Verfahren zur Wasserstoffherstellung nennen Kell et al. die Vergasung von fossilen Kohlenwasserstoffen, meist Kohle. Das Interesse der Forschung richte sich in letzter Zeit zunehmend auf die Vergasung von Biomasse, von Holz, Torf, Klärschlamm oder organischen Abfällen, so die Autoren. Nachteilig ist hier wieder, dass das Produktgas neben Wasserstoff eine Reihe anderer Komponenten enthält und eine aufwändige Reinigung erfordert. Dazu kommt: Die Vergasung emittiert Kohlendioxid, wobei man bei Biomasse von "CO₂‐Neutralität" spricht. Die Wirkungsgrade der Vergasung variieren je nach Ausgangsstoff und sollen Werte bis 55 Prozent erreichen.

Zwischenfazit:

Die Herstellung von Wasserstoff auf Basis der Vergasung von Kohle ist dem Dampfreformierungsverfahren sowohl technisch als auch hinsichtlich der CO₂-Emission unterlegen", schreibt Springer-Autor Günter Harp im Kapitel Technologien zur Produktion von Wasserstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe aus dem Buch Zukünftige Kraftstoffe. 

Trotz deutlich günstigerer Rohstoffkosten der Kohle im Vergleich zum Erdgas sei auch die Wirtschaftlichkeit fraglich.

Thermische und chemische Spaltung

Energieintensiv ist die direkte thermische Spaltung, das sogenannte Cracken, von fossilen Kohlenwasserstoffen bei sehr hohen Temperaturen. "Beim thermischen oder katalytischen Cracken werden Kohlenwasserstoffe unter hohen Temperaturen aufgebrochen und in ihre Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Dieser Vorgang findet unter Sauerstoffabschluss statt und wird auch als Pyrolyse bezeichnet", so die Springer-Autoren Gerhard Reich und Marcus Reppich im Kapitel Wasserstoffherstellung und -speicherung aus dem Buch Regenerative Energietechnik. Da beim thermischen Cracken nur der im Ausgangsmaterial enthaltene Wasserstoff umgesetzt wird, ist die Wasserstoffausbeute im Vergleich zur Dampfreformierung relativ gering. Jedoch fällt bei diesem Verfahren hochreiner Kohlenstoff an, der in der Industrie beispielsweise für die Produktion von Leichtbaustoffen oder die Batteriefertigung genutzt werden kann.

Beim Kværner-Verfahren werden Kohlenwasserstoffe bei Temperaturen von rund 1.600 °C in einem Plasmabogen unter Energiezufuhr in Kohlenstoff (Reinstkohle) und Wasserstoff aufgespalten. Auch hier ist nachteilig, dass der Energiebedarf hierfür sehr hoch ist. Aufwändig ist auch die Gewinnung von Wasserstoff aus der chemischen Spaltung von Wasser mit (Alkali‑)Metallen oder mit Metalloxiden.

Zwischenfazit: Prinzipiell kann mit der direkten thermischen oder katalytischen Spaltung aus allen Kohlenwasserstoffen Wasserstoff und Kohlenstoff ohne Kohlendioxid als Nebenprodukt hergestellt werden. Allerdings ist der Energieeinsatz hoch und die Wasserstoffausbeute relativ gering.

Biologische und photochemische Prozesse

Erforscht werden auch Verfahren zur Wasserstoffgewinnung durch biologische und photochemische Prozesse. "Bei verschiedenen biologischen Prozessen wird Wasserstoff freigesetzt oder tritt als Zwischenprodukt auf. Bei der Photolyse gewinnen Bakterien oder Algen aus Wasser und Solarstrahlung Energie und Wasserstoff. Bei der Fermentation erzeugen Bakterien aus biologischen Stoffen Wasserstoff", erklären die Autoren Reich und Reppich. 

Angelehnt an das natürliche Vorbild des biologischen Katalysators Hydrogenase "könnten in Zukunft synthetische oder technische Einheiten besonders in Kombination mit der artifiziellen Photosynthese in biomimetische oder bioinspirierte Systeme entwickelt werden", so die Springer-Autoren Christina Marx und Thomas Happe im Kapitel Alternative biologische und biotechnologische Verfahren zur Wasserstoffherstellung des Buchs CO2 und CO – Nachhaltige Kohlenstoffquellen für die Kreislaufwirtschaft. Ein anderer Ansatz befasse sich mit der lebenden Zelle zur H₂-Produktion. Auch könne das gezielte Genetic oder Metabolic Engineering genutzt werden, um Organismen für außerordentliche Wasserstoffproduktionsraten zu optimieren. Wichtig sei auch die Weiterentwicklung der Kultivierungssysteme, damit Wasserstoffproduktionssysteme ökonomisch kompetitiv werden. 

Die biologischen Verfahren zur Wasserstoffherstellung befinden sich noch im Konzept- oder Laborstadium. Konkrete Forschungsbeispiele sind: Forscher der Ruhr-Universität Bochum und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung arbeiten daran, mithilfe von Bakterien Sonnenlicht in Wasserstoff umzuwandeln. Jülicher Forscher haben hingegen eine Mehrfachsolarzelle aus Silizium entwickelt, die sich vergleichsweise kostengünstig produzieren lässt und Wasserstoff nach dem Prinzip der "künstlichen Photosynthese" direkt mit Sonnenlicht erzeugt.

Elektrolytische Wasserspaltung 

Wasserstoff lässt sich auch mithilfe der elektrochemischen Wasserspaltung in der Elektrolyse nahezu emissionsfrei herstellen, wenn der benötigte Strom aus Wind‑, Wasser‑ oder Sonnenenergie stammt. Hierzu existieren drei Verfahrensprinzipien, die sich durch die Wahl des Elektrolyten unterscheiden. 

Bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) wird Kalilauge als Elektrolyt verwendet. Vorteile alkalischer Elektrolyseure sind ihre Einsatzfähigkeit, Robustheit und Lastwechselbeständigkeit, wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erklärt. Die Elektroden kämen ohne den Einsatz teurer Edelmetalle aus. Nachteilig sei, dass die erzielbaren Stromdichten begrenzt seien. 

Bei PEM-Elektrolyseuren werden saure Polymerelektrolytmembranen als Elektrolyten verwendet. Daher erfordern sie laut ZSW den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren. Vorteile von PEM-Elektrolyseuren seien die sehr hohe Stromdichten und ihre Lastwechselbeständigkeit. 

Die dritte Elektrolyseurtechnologie setzt einen keramischen Elektrolyten bei hohen Temperaturen ein und heißt deshalb Hochtemperaturelektrolyse (HTEL). Dies ermögliche grundsätzlich eine erhebliche Reduktion des Bedarfs an elektrischer Energie, erfordere jedoch eine Wärmequelle bei hohen Temperaturen, so das ZSW. Bereits heute befindet sich die AEL, aber auch zu weiten Teilen die PEM-Elektrolyse in einem technisch ausgereiften Zustand. Die HTEL wird aktuell nur in geringem Umfang von der Industrie verfolgt. 

Zwischenfazit: Problematisch bei der Elektrolyse ist, dass das Verfahren und die anschließende Wasserstoffverflüssigung sehr energieintensiv ist beziehungsweise die Energieverluste bei der Herstellung von Wasserstoff wie auch die Kosten dafür hoch sind. Anlagen zur Nutzung des Überschussstroms können auch nur wenige Stunden im Jahr betrieben werden, was die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen fraglich erscheinen lässt. 

Die elektrolytische Spaltung von Wasser hat auf absehbare Zeit in Deutschland keine Chance sich gegenüber dem Dampfreformierungsverfahren durchzusetzen", prognostiziert Springer-Autor Günter Harp. 

Das liege laut Harp zum einen am hohen CO₂-Fußabdruck des Stroms in Deutschland. Laut Professor Deerberg entstehen im aktuellen Strommix  pro Tonne Wasserstoff bis zu 23,3 Tonnen CO₂ sowie acht Tonnen Sauerstoff. Zum anderen liege es laut Harp an den hohen Bruttostromkosten. Elektrolyseanlagen gelten hier als normale Stromverbraucher und sind deshalb mit allen Nebenkosten des Stroms belastet. Das führe zu einer Verdreifachung der Wasserstoffkosten gegenüber der Dampfreformierung. Nur an Standorten mit geringem CO₂-Fußabdruck des Stroms habe die Elektrolyse einen Vorteil gegenüber der Wasserdampfreformierung.  

Genaue Zahlen nennt Professor Dr. Peter Kurzweil: "Die Kosten je Kilogramm Elektrolysewasserstoff übertreffen die konventionellen Gewinnungsverfahren. Alkalische Systeme erreichen 4,5 EUR/kg H₂ und PEM-Anlagen etwa 9 EUR=kg H₂ gegenüber der Dampfreformierung von Erdgas mit 0,75 EUR=kg H₂", schreibt Kurzweil im Kapitel Elektrolyse von Wasser aus dem Buch Elektrochemische Speicher. 

Um die Wasserelektrolyse marktfähig zu machen, seien weitere Forschungen an Materialien wie alternativen Katalysatoren und Membranen erforderlich, so die Springer-Autoren Bernd Pitschak, Jürgen Mergel und Martin Müller im Kapitel Elektrolyse-Verfahren aus dem Buch Wasserstoff und Brennstoffzelle. Zudem ließe sich die Erzeugung von Ökostrom in Länder verlagern, die diesen in großen Mengen zu günstigen Preisen erzeugen könnten. Dazu wären dort Windräder und Solaranlagen nötig, die ausschließlich Strom für die Elektrolyseure produzieren.

Weitere, nachhaltige Prozesse

Die Springer-Autoren Christina Marx und Thomas Happe nennen im Kapitel Konventionelle Verfahren zur Wasserstoffherstellung des Buchs CO2 und CO – Nachhaltige Kohlenstoffquellen für die Kreislaufwirtschaft noch weitere, alternative Wege und Technologien, um Wasserstoff durch nachhaltigere Prozesse zu erzeugen. Diese sind: Membranreaktoren, Chemical Looping, trockene Reformierung oder Methanzerlegung. Diese Technologien könnten laut Marx und Happe in den nächsten Jahrzehnten marktreif werden und die hergebrachten Technologien ersetzen. 

Besser "grün" als "grau"

Die Springer-Autoren Marx und Happe gehen davon aus, "dass die bereits vorhandene oder fast schon kommerzialisierte Wasserspaltung sowie die Biomassevergasung einen immer größeren Beitrag zur weltweiten Wasserstoffproduktion leisten werden", wie sie im Kapitel Konventionelle Verfahren zur Wasserstoffherstellung schreiben. Die Wasserelektrolyse mit erneuerbarem Strom bietet ein großes Zukunftspotenzial, denn sie ist sehr gut für die Kopplung mit fluktuierender Windenergie oder Solarenergie geeignet. Doch noch ist die "grüne" Erzeugungsart teurer als die "graue" aus Erdgas oder Erdöl. Gründe dafür sind die geringen Mengen, Elektrolyseure, die in der Breite noch nicht serienreif sind, der noch nötige Forschungsbedarf an Materialien, aber auch der Vergleich zu einem sehr niedrigen Ölpreis. Alleine die Skaleneffekte lassen eine deutliche Kostenreduktion erwarten. Wenn sich einzelne Projekte bis hin zur Massenherstellung entwickeln, steigt die Nachfrage und die Preise sinken. Ob sich Wasserstoff in großem Stil mithilfe biologischer und photochemischer Prozesse produzieren lässt, bleibt abzuwarten. Sicher ist: In den "kommenden Jahrzehnten [ist] mit einem völlig anderen Szenario hinsichtlich der Wasserstoffproduktionsprozesse zu rechnen", so Marx und Happe.