Geht es um die Energieversorgung von morgen, spielt Wasserstoff eine entscheidende Rolle. Denn das Gas ist reich an Energie. Es lässt sich mit Erneuerbaren gewinnen und zumindest teilweise über die vorhandene Infrastruktur verteilen. Nachhaltig ist der Energieträger jedoch nur, wenn er eine ganz bestimmte Farbe aufweist. Gemeint ist damit nicht die Stofffarbe (Wasserstoffgas ist grundsätzlich farblos), sondern die Kennzeichnung als grüner oder blauer Wasserstoff.
Gasido.de informiert über die verschiedenen Farbmöglichkeiten und erklärt, welche tatsächlich für eine nachhaltige Energieversorgung infrage kommen.
Die Themen im Überblick
Wasserstoffwirtschaft setzt auf H2 als Energieträger der Zukunft
In nahezu allen organischen Verbindungen der Erde ist es enthalten: Das chemische Element Wasserstoff. Es steht als Erstes im Periodensystem und hat vor allem für die Energiewirtschaft von morgen eine große Bedeutung. Denn Wasserstoffgas ist ein wichtiger Energieträger sowie Energiespeicher. Er lässt sich im besten Falle komplett regenerativ herstellen und ohne schädliche Emissionen verbrauchen. Ein deutlicher Vorteil gegenüber Erdöl, Erdgas und Kohle, deren Einsatz mit immensen CO2-Emissionen verbunden ist.
Klimaerwärmung, endliche Rohstoffe und die Suche nach Alternativen
Doch ein Schritt zurück: Unsere Energieversorgung basiert heute überwiegend auf der Verbrennung von Erdgas, Erdöl und Kohle. Die Energieträger sorgen für Mobilität, Wärme und Strom, sind allerdings auch mit zahlreichen Nachteilen verbunden.
- Einer davon ist die Endlichkeit der fossilen Rohstoffe. Gas, Öl und Kohlen stehen uns nur noch eine begrenzte Zeit zur Verfügung, bevor ihre Quellen beinahe endgültig versiegen.
- Ein weiteres Problem: Bei der Verbrennung gelangen zahlreiche Schadstoffe in die Luft. Darunter Feinstaub und Kohlendioxid. Bei Letzterem handelt es sich um ein klimaschädliches Gas, das zur globalen Erwärmung beiträgt.
- Nachteilig ist darüber hinaus die hohe Abhängigkeit von anderen Staaten. Denn Erdöl, Erdgas und Kohle werden zu großen Teilen importiert, was Deutschland aktuell in eine schwierige politische Lage bringt.
Auch wenn sich Gas, Öl und Kohle vergleichsweise gut speichern und transportieren lassen. Die hier aufgeführten Gründe machen deutlich, dass ein Umdenken nötig ist.
Grüner oder blauer Wasserstoff als Antwort auf alle Energiefragen
Um CO2 einzusparen und fossile Energieträger zu schonen, setzen wir zunehmend auf regenerative Energieträger. Wir nutzen die Sonne, den Wind sowie das Wasser und versorgen uns klimaneutral. Zumindest in Deutschland kann das aber nur eine Teillösung sein. Denn Wasserkraft ist nur in Maßen nutzbar. Wind- und Sonnenenergie ebenso – zudem schwanken sie zeitweise stark. Nötig sind also transportable Energieträger, die sich genauso komfortabel verwenden lassen wie Öl und Gas. An dieser Stelle kommt grüner oder blauer Wasserstoff ins Spiel.
Klimaneutral von der Herstellung bis zum Einsatz in allen Sektoren
Grüner oder blauer Wasserstoff lässt sich klimaneutral herstellen – zum Beispiel mit der Elektrolyse aus Wasser und regenerativ erzeugtem Strom. Er lagert als Gas in Flaschen oder Wasserstofftanks und gelangt zumindest teilweise über die vorhandene Gasinfrastruktur zu seinen Verbrauchern. Klimaneutral ist neben der Herstellung auch der Einsatz. So lassen sich Strom, Wärme und Mobilität zum Beispiel mit Brennstoffzellen ganz ohne schädliche Nebenprodukte erzeugen.
Wasserstoffwirtschaft: Die Zukunft unserer Energieversorgung
Die zahlreichen Vorteile machen vor allem grünen oder blauen Wasserstoff zu dem Energieträger unserer Zukunft. Experten sprechen heute bereits von der sogenannten Wasserstoffwirtschaft, bei der H2 alle Sektoren mit Energie versorgt.
Übrigens:
Wie gut lässt sich grüner oder blauer Wasserstoff herstellen? Wie klappt die Verteilung? Wie nachhaltig ist der Einsatz in den Sektoren Strom, Wärme und Mobilität? Antworten auf diese Fragen suchen Forscher aktuell in mehreren Modellregionen in Deutschland.
Grauer, gelber, grüner oder blauer Wasserstoff: Die Bedeutung
Ob der viel beschworene Energieträger die Erwartungen der Experten erfüllt, hängt vor allem von seiner Herstellung ab. Denn nur wenn diese ohne schädliche CO2-Emissionen möglich ist, handelt es sich um grünen oder blauen Wasserstoff. Was das bedeutet und welche Farben es außerdem zur Kennzeichnung des Energieträgers gibt, zeigt die folgende Übersicht.
Weißer Wasserstoff: Neben- oder Abfallprodukt in kleinen Mengen
Geht es um die Nachhaltigkeit, punktet weißer Wasserstoff. Denn diesen stellen Anbieter nicht extra her. Vielmehr handelt es sich dabei um ein Abfallstoff, der bei verschiedenen technischen oder industriellen Prozessen anfällt. Für den breiten Einsatz ist das Gas allerdings nicht geeignet. Denn anders als grüner oder blauer Wasserstoff steht es nur in vergleichsweise kleinen Mengen zur Verfügung.
Grauer Wasserstoff: Bei der Herstellung geht CO2 an die Luft über
Alles andere als nachhaltig ist grauer Wasserstoff. Denn dieser entsteht bei der Dampfreformierung fossiler Rohstoffe. Produzenten beaufschlagen Öl oder Gas dabei mit heißem Dampf. Dessen Sauerstoffgehalt führt zur Oxidation des Brennstoffs und Wasserstoffgas wird frei. Heißer Dampf für die chemische Reaktion lässt sich dabei unter anderem durch die Verbrennung von Öl, Gas oder Kohle bereitstellen. Der Prozess verbraucht insgesamt große Mengen fossiler Energieträger und geht daher mit einem immensen CO2-Ausstoß einher.
Übrigens:
Kommt Kohle zur Wasserstoffherstellung zum Einsatz, erhält der Energieträger den Farbcode braun. Weder bei grauem noch bei braunem Wasserstoff handelt es sich um einen regenerativen Energieträger.
Gelber Wasserstoff: Auch regenerative Energieträger im Einsatz
Kommen auch regenerative Energien bei der Reformierung von Biomasse, Öl, Gas oder Kohle zum Einsatz? In diesem Fall handelt es sich um gelben Wasserstoff. Auch wenn die Klimabilanz hier besser ist, entsteht dennoch Kohlendioxid. Außerdem trennen Produzenten Wasserstoffgas überwiegend von fossilen Rohstoffen ab. Diese sind endlich und in naher Zukunft weitestgehend zu ersetzen.
Blauer Wasserstoff: Abspaltung und Speicherung von CO2
Für die Herstellung von blauem Wasserstoff spalten Hersteller Kohlendioxid nach der Reformierung ab. Dazu nutzen sie heute in der Regel eines der folgenden Verfahren:
- Oxyfuel-Verfahren: Hier verbrennen Hersteller Kohle mit reinem Sauerstoff. Sie kondensieren den Wasserdampf aus, sodass nahezu reines Kohlendioxid-Gas übrig bleibt. Dieses lässt sich anschließend unter Druck verflüssigen.
- Pre-Combustion-Verfahren: Bei diesem Verfahren wandeln Energieversorger Rohstoffe wie Kohle durch die Vergasung in Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgas um. Sie trennen H2 ab und lassen Kohlenmonoxid-Gas mit Wasserdampf zu Kohlendioxid reagieren.
- Post-Combustion-Verfahren: Hierbei waschen Hersteller Kohlendioxid nach der Verbrennung aus den Rauchgasen aus. Das Verfahren kommt auch bei Erdgas und Erdöl zum Einsatz und ist bis heute am besten erforscht.
Das Abspalten von CO2 senkt den Wirkungsgrad der Wasserstoffherstellung um rund 10 Prozent. Es ist aber nötig, um das Treibhausgas für lange Zeit im Erdreich speichern zu können. Mit dem sogenannten Carbon Capture and Storage Verfahren (CCS-Verfahren), lässt sich die CO2-Emission um bis zu 90 Prozent reduzieren. Das entlastet die Umwelt und kommt dem Klima zugute. Nachteilig ist aber auch hier der Einsatz fossiler Rohstoffe, die zum einen endlich und zum anderen nicht im eigenen Land verfügbar sind.
Wichtig zu wissen:
Der Boden ist einer der größten CO2-Speicher auf der Erde. Dennoch gibt es bis heute keine Langzeiterfahrungen mit dem beschriebenen CCS-Verfahren, bei dem Energieversorger Kohlendioxid in poröse Gesteinsschichten pumpen. Experten rechnen damit, dass das Verfahren zu schwachen Erdbeben führen könnte. Sie fürchten Undichtigkeiten in den tiefen Gaslagerstätten und den unkontrollierten Austritt des Klimagases.
Türkiser Wasserstoff: Methanpyrolyse für festen Kohlenstoff
Wie bei der Herstellung von blauem Wasserstoff, trennen Energieversorger auch bei der Produktion von türkisem H2 Kohlenstoff ab. Der große Unterschied: Bei der sogenannten Methanpyrolyse, bei der Methan unter großer Hitze in seine Bestandteile zerlegt wird, entsteht fester Kohlenstoff. Dieser ist anders als Kohlenstoffdioxid-Gas nicht flüchtig. Er lässt sich einfacher speichern oder sogar weiter verwenden.
Grüner Wasserstoff: Elektrolyse mit erneuerbarem Strom
Die Herstellung von grünem Wasserstoff kommt komplett ohne fossile Rohstoffe und klimaschädliche Abgase aus. Denn sie basiert auf einer elektrochemischen Reaktion. Bei der sogenannten Elektrolyse spalten Produzenten Wasser mithilfe von Strom in Sauerstoff und Wasserstoffgas auf. Beide Gase lassen sich anschließend auffangen und weiter verwenden. Damit der Energieträger tatsächlich grün und klimaneutral ist, darf bei der Herstellung nur Strom aus regenerativen Energien-Anlagen zum Einsatz kommen. Gemeint sind große Photovoltaik-, Windkraft- und Wasserkraftwerke.
Übrigens:
Experten gehen davon aus, dass die Wasser-Elektrolyse in Zukunft mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent möglich sein wird. Bedenkt man, dass die Photovoltaik etwa 20 Prozent der auftreffenden Strahlungsenergie in Strom umwandelt, ist der Prozess ganzheitlich betrachtet mit großen Verlusten behaftet. Da Solar- und Windkraft ohne Verbrauchskosten nutzbar sind, wirkt sich das allerdings „nur“ auf die Anschaffungskosten aus. So sind regenerative Energien-Anlagen und Elektrolyseure ausreichend groß zu dimensionieren.
Durchaus wichtig zu wissen ist, dass grüner Wasserstoff auch rot, pink oder violett werden kann. Der Fall ist das immer dann, wenn die Elektrolyse zumindest teilweise mit Atomstrom erfolgt. Der Energieträger ist damit zwar immer noch CO2-frei. Es bleibt allerdings radioaktiver Abfall und die Gefahr, die von Atomkraftwerken ausgeht.
Güner oder blauer Wasserstoff: Was ist wirklich nachhaltig?
Sind die verschiedenen Wasserstofffarben und deren Bedeutung bekannt, stellt sich die Frage: Welcher Stoff ist wirklich nachhaltig? Worauf sollten wir in Zukunft setzen und welche Wege sind nicht zukunftsfähig? Um eine Antwort zu finden, fassen wir die wichtigsten Daten in der folgenden Tabelle noch einmal zusammen.
| Wasserstoff Farbe | Herstellung | Eigenschaften |
|---|---|---|
| Weiß | Abfallprodukt | nur in kleinen Mengen |
| Grau | Reformierung fossiler Rohstoffe mit Erdgas, Erdöl oder Kohle | Einsatz fossiler Rohstoffe als Energieträger und Ausgansstoff; hohe CO2-Emissionen |
| Gelb | Reformierung fossiler Rohstoffe mit regenerativen Energien | Einsatz fossiler Rohstoffe als Energieträger und Ausgansstoff; hohe CO2-Emissionen |
| Blau | Verschiedene Herstellungsverfahren mit Erdgas, Erdöl oder Kohle, Abspaltung und Speicherung von CO2 | Speicherung auf lange Zeit unsicher und riskant |
| Türkis | Aufspalten von Methan und Abspalten von festem Kohlenstoff | Einsatz fossiler Rohstoffe als Energieträger und Ausgansstoff; sichere CO2-Abscheidung |
| Grün | Wasser-Elektrolyse mit regenerativ erzeugtem Strom | keine fossilen Rohstoffe, keine CO2-Emissionen |
| Rot | Wasser-Elektrolyse (teilweise) mit Atomstrom | keine fossilen Rohstoffe, keine CO2-Emissionen, Atommüll und Risiko von Atomunfällen |
Die Übersicht zeigt: Geht es um nachhaltige Energieträger, kommen weißer, grauer, gelber und roter Wasserstoff grundsätzlich nicht infrage. Türkiser, blauer und grüner Wasserstoff sind hingegen klimaneutral. Hier zeigt ein detaillierter Vergleich, welcher Energieträger in Zukunft besser geeignet ist.
Türkiser und blauer Wasserstoff hängt von fossilen Energieträgern ab
H2 mit der Farbkennzeichnung Türkis oder Blau lässt sich klimaneutral produzieren. Es ist allerdings immer auch von fossilen Energieträgern abhängig. Denn diese kommen als Ausgangs- und/oder Brennstoff zum Einsatz. Da Erdgas, Erdöl und Kohle endlich sind, ist eine nachhaltige Wasserstoffherstellung in der Regel nicht möglich.
Eine Ausnahme:
Kommt Biogas aus einer Biogasanlage zum Einsatz, lässt sich fossilfreies Wasserstoffgas herstellen. Möglich ist das mit dem sogenannten Chemical Looping Verfahren. Dieses basiert auf der Dampfreformierung von Biogas, bei der CO2 und H2 entstehen. Das Kohlendioxid ist allerdings auch hier zu speichern.
Grüner Wasserstoff: Komplett ohne CO2, aber nicht ohne Nachteile
Nur grüner Wasserstoff ist wirklich nachhaltig. Denn an seiner Herstellung sind keine fossilen Rohstoffe beteiligt. Es entsteht kein CO2 und auch andere Schadstoffe fallen nicht an. Der Energieträger ist nahezu unendlich produzierbar und komplett unschädlich für Umwelt und Klima. Zumindest in der Theorie. Denn für Deutschland ergeben sich bei der Verfügbarkeit einige Herausforderungen. So sind ganzjährig große Energiemengen nötig, um grünen Wasserstoff herzustellen. Wind, solare Einstrahlung und vor allem Platz sind allerdings begrenzt, wodurch eine autarke Versorgung kaum möglich sein wird. Und wenn doch, wären die Kosten aktuell noch viel zu hoch.
Wir müssten grünen Wasserstoff daher aus Afrika oder Australien importieren und über Pipelines oder mit Schiffen ins eigene Land transportieren. Möglich ist das in tiefkalt verflüssigter Form oder als Derivat – also umgewandelt in einen Übergangsstoff wie Ammoniak. Da Ersteres besonders energieintensiv ist, sehen Forscher in der Umwandlung die Vorzugslösung.
Importierter grüner Wasserstoff ist zwar vergleichsweise günstig, dafür aber mit einigen Nachteilen behaftet. Darunter die Abhängigkeit von anderen Staaten, der zusätzliche Energiebedarf für Aufbereitung und Transport, der Verbrauch fossiler Energien und der Ausstoß von CO2 auf dem Seeweg.
FAQ: Häufig gestellte Fragen zu den Wasserstoff Farben
Welche Vorteile bietet die Wasserstoffwirtschaft und warum ist sie nötig?
Geht es um Mobilität, Strom und Wärme, versorgen wir uns heute überwiegend mit fossilen Rohstoffen. Zum Einsatz kommen Erdgas, Erdöl und Kohle, die überwiegend aus anderen Ländern stammen. Während die Importabhängigkeit Deutschland in eine schwierige politische Lage bringt, sind fossile Rohstoffe nur noch eine begrenzte Zeit verfügbar. Ihr Einsatz geht zudem mit immensen CO2-Emissionen einher. Dieser schadet der Umwelt und verstärkt die globale Erwärmung. Die Wasserstoffwirtschaft, bei der H2 Erdöl, Erdgas und Kohle ersetzt, soll das ändern. Denn das Gas lässt sich CO2- sowie fossilfrei herstellen.
Was unterscheidet blauen und grünen Wasserstoff voneinander?
Bei den verschiedenen Farben handelt es sich um Kennzeichnungen für Herkunft und Produktion. Blauer Wasserstoff entsteht beispielsweise bei der Dampfreformierung fossiler Rohstoffe. Produzenten fangen das dabei entstehende CO2 auf, um es für eine lange Zeit im Erdreich zu speichern. Grüner Wasserstoff entsteht ohne CO2 bei der Elektrolyse von Wasser. Die nötige Energie kommt dabei aus Solar-, Wind- und Wasserkraftwerken.
Welcher Energieträger ist nachhaltig und zukunftsfähig?
Wirklich nachhaltig ist nur grüner Wasserstoff. Denn dieser lässt sich komplett ohne fossile Rohstoffe und CO2 herstellen. Der Energieträger ist nahezu unendlich verfügbar. Er lässt sich sauber verbrauchen und zumindest teilweise im eigenen Land produzieren.
Lässt sich grüner Wasserstoff autark in Deutschland herstellen?
Grundsätzlich ja – zum Beispiel mit großen Windparks an der Küste. Während der Platz begrenzt ist, sind die Kosten der Wasserstoffherstellung hierzulande allerdings sehr hoch. Experten gehen daher davon aus, dass Deutschland seinen zukünftigen Wasserstoffbedarf zu höchstens 30 Prozent selbst decken kann. Mindestens 70 Prozent des Energieträgers sind zu importieren.
