Wasserstoff herstellen - die Produktion im Überblick.

Vor allem, wenn er aus regenerativ erzeugtem Strom produziert wird, gilt Wasserstoff als ein Energieträger der Zukunft. Aber auch andere Produktionsmethoden haben auf globaler Ebene nach wie vor ihre Berechtigung. Ganz gleich, wie klimaneutral sie sind und mit welcher Farbe der Wasserstoff nach der Produktion bezeichnet ist: seine chemischen Eigenschaften bleiben gleich.

Wer Wasserstoff herstellen möchte, kann im industriellen Maßstab auf verschiedene Produktionsmethoden zurückgreifen. Je nach Verfahren und genutzter Energiegewinnung, werden dem Wasserstoff verschiedene Farben zugewiesen, die sich auf die jeweilige Klimabelastung beziehen.

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energiequellen (wie z.B. Sonnen- und Windenergie) zum Einsatz kommt. Unabhängig von der genutzten Elektrolyse-Technologie bleibt die Herstellung von grünem Wasserstoff völlig kohlenstofffrei. Die Produktionsmethode ist somit klimaneutral.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen durch Dampfreformierung gewonnen. Das dabei in die Atmosphäre freigesetzte CO2 trägt zum Treibhauseffekt bei. So entstehen bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff etwa 10 Tonnen CO2.

Blauer Wasserstoff entsteht auf die gleiche Weise wie grauer Wasserstoff. Das entstehende CO2 wird jedoch abgetrennt und dauerhaft gespeichert – Carbon Capture and Storage (CCS) nennt sich die verwendete Technologie. Mit ihr gelangt das bei der Dampfreformierung erzeugte CO2 nicht in die Atmosphäre, was die Methode ebenfalls klimaneutral macht. Die Langzeitwirkungen der Speicherung sind noch unbekannt.

Türkiser Wasserstoff wird durch die thermische Spaltung von Methan erzeugt (Methanpyrolyse). Bei diesem Prozess entsteht fester Kohlenstoff. Damit türkisfarbener Wasserstoff klimaneutral ist, muss die dem Hochtemperaturreaktor zugeführte Wärme aus erneuerbaren Energiequellen stammen und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden bleiben.

Da Wasserstoff in der Natur nur in Form chemischer Verbindungen vorkommt, muss er mit Energie als Katalysator aus wasserstoffreichen Ausgangsstoffen abgespalten werden. Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe wie Erdöl, Biomasse, natürlich Wasser und weitere wasserstoffhaltige Verbindungen kommen dafür in Frage. Mittels elektrischer, chemischer oder thermischer Energie lassen sich die Bestandteile der Stoffe trennen und man gewinnt: reinen Wasserstoff.

Das Funktionsprinzip der Elektrolyse ist einfach: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung im Elektrolyseur wird Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten. Das funktioniert folgendermaßen:

• In seiner einfachsten Form enthält ein Elektrolyseur eine Kathode (negative Ladung), eine Anode (positive Ladung) und eine Membran
• Das gesamte System enthält außerdem Pumpen, Entlüftungen, Lagertanks, eine Stromversorgung, Separator und weitere Komponenten
• Elektrizität wird an der Anode und Kathode über die Protonenaustauschmembran (PEM) geleitet und bewirkt die Aufspaltung von Wasser in seine Teilmoleküle Wasserstoff und Sauerstoff
• Die Wasserstoffmoleküle werden aufgefangen und gesammelt

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Der durch die Elektrolyse erzeugte Wasserstoff kann in einem anschließenden Prozessschritt auch in Methangas umgewandelt werden (CCU: Carbon Capture and Utilization). Dieses Methangas lässt sich in das Gasnetz einspeisen und zum Verbraucher transportieren. Alternativ wird es auch in Gasspeichern gelagert. Bei der Herstellung von synthetischem Methan (SNG) fallen Wasser und Wärme als Nebenprodukte an.

Fast die Hälfte des heute produzierten Wasserstoffs wird noch mit der herkömmlichen Methode der Dampfreformierung von Erdgas erzeugt. Bei diesem Verfahren wird Erdgas mit Hilfe von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) aufgespalten. Das dabei entstehende CO2 kann gespeichert (CCS: Carbon Capture and Storage) oder in weiteren industriellen Prozessen genutzt werden (CCU: Carbon Capture and Utilization).

Die Methanpyrolyse ist eine grundlegend neue Technologie, bei der Erdgas oder Biomethan in einem Hochtemperaturreaktor direkt in die Bestandteile Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten werden. Der Prozess erfordert vergleichsweise wenig Energie. Der hierbei entstehende und als Feststoff gebundene Kohlenstoff lässt sich anschließend im industriellen Maßstab weiterverarbeiten. Das Verfahren kann auch Biomasse als Ausgangsstoff nutzen. Und wird es mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, entstehen überhaupt keine Treibhausgase.

Eng verbunden mit der Produktionsmethode, wie Wasserstoff hergestellt wird, sind auch die Power-to-X-Technologien. Dabei handelt es sich um Bezeichnungen für energiewirtschaftlicher Konzepte, die in Zukunft eine nachhaltige Rolle spielen:

• Power-to-X-Verfahren wandeln Strom, Wasser und CO2 in andere Produkte um
• Bei Power-to-Gas entstehen gasförmige Stoffe wie Wasserstoff oder Methan
• Power-to-Chem produziert Chemikalien zur industriellen Weiterverarbeitung
• Mit Power-to-Fuel entstehen synthetische Kraftstoffe (sogenannte E-Fuels)

Die Herstellung von gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffen setzt sich somit aus zwei Produktionsketten zusammen: der Herstellung von Wasserstoff (Power-to-Gas) und der Herstellung von Methan (Power-to-Liquid).

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• Abnahmeprüfungen (nach BetrSichV oder DVGW-Regelwerk), Konformitätsbewertungen und Baumusterprüfungen von H2-Erzeugungsanlagen
• Genehmigungen für Power-to-Gas-Anlagen (nach BImSchG)
• Leistungsnachweise für Wirkungs- bzw. Nutzungsgradgarantien
• Zertifizierung „Grüner Wasserstoff“
• ISO 14001-Zertifizierung: Ein Nachweis für betriebliches Umweltmanagement und Nachhaltigkeit
• Zertifizierung Energiemanagementsystem nach ISO 50001