Klimaschutz: Was kann Wasserstoff leisten und was nicht?

Weshalb sprechen wir über Wasserstoff?

Wasserstoff wird gerne als das „Schweizer Messer” der Energiewende und der Dekarbonisierung bezeichnet, da er so vielseitig ist: Man kann ihn verbrennen um zu heizen oder Motoren anzutreiben, in Brennstoffzellen kann er Strom erzeugen und er ist in der Industrie sehr vielseitig einsetzbar. Man braucht ihn zur Herstellung von Dünger, er kann die Stahlproduktion klimafreundlicher machen und Wasserstoff macht es möglich, Erdöl in der Chemieindustrie als Rohstoff zu ersetzen. ^1,2

Aber Wasserstoff ist auf der Erde hauptsächlich in gebundener Form vorhanden, muss also zuerst hergestellt werden, bevor er eingesetzt werden kann. Dafür wird bisher vor allem fossiles Erdgas als Ausgangsstoff benutzt. Und bei dieser Form der Herstellung entsteht viel CO₂.

Alternativ kann Wasserstoff auch durch die Spaltung von Wasser (H₂O) mit Hilfe von Elektrizität hergestellt werden. Das soll in Zukunft möglichst klimafreundlich mit erneuerbarem Strom geschehen. Aber das ist sehr ineffizient. Es geht dabei viel Energie verloren. Wäre es da nicht besser, den erneuerbaren Strom direkt einzusetzen, ohne Energieverluste? Weshalb reden wir überhaupt über Wasserstoff? Weshalb preisen ihn manche als unverzichtbaren Bestandteil der Energiewende an?

Erneuerbare Energien wie etwa Windkraft und Photovoltaik liefern Strom. Daher wird versucht, so weit wie möglich unsere Energiesysteme zu elektrifizieren: weg von der Gasheizung hin zu Wärmepumpen, weg vom Auto mit Verbrennermotor hin zum Elektroauto … Während bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern wie Erdgas, Erdöl oder Kohle viel CO₂ ausgestoßen wird, kann man, zumindest theoretisch, irgendwann allen Strom durch erneuerbare Energien, also mit wenig CO₂-Ausstoß produzieren. ^3,4

Aber die Energiewende hat ein Speicherproblem: Erneuerbare Energien liefern nicht konstant Strom. Er wird nicht immer dann erzeugt, wenn er gerade gebraucht wird. Und an windigen, sonnenreichen Tagen fällt manchmal viel zu viel Strom an. Dann werden Windräder abgestellt. Muss das sein? Wäre es nicht besser, die überschüssige Stromenergie als Wasserstoff zu speichern, aus dem man bei Bedarf in Brennstoffzellen oder in Wasserstoffkraftwerken wieder Strom gewinnen kann? Oder sollte man besser auf große Batteriespeicher oder andere Lösungen setzen?

Und wie sieht es mit Wasserstoff als alternativen, klimafreundlichen Treibstoff für Frachtschiffe und Flugzeuge aus. Taugt er auch für Busse und Lastwagen? Oder sogar für Autos?

Und dann gibt es Prozesse in der Industrie, bei denen Wasserstoff als chemisches Element für chemische Reaktionen oder zur Stahlherstellung benötigt wird. Zur Zeit wird dafür hauptsächlich Wasserstoff verwendet, der aus Erdgas gewonnen wird, wobei viel klimaschädliches CO₂ freigesetzt wird. Deshalb soll für diese Industriezweige so schnell wie möglich nur noch Wasserstoff eingesetzt werden, der mit Wind- oder Solarstrom hergestellt wird. Doch wie realistisch ist das?

Wir untersuchen in diesem Artikel, welche Rolle Wasserstoff in der Energiewirtschaft der Zukunft und für die Dekarbonisierung spielen sollte. Was kann Wasserstoff, was kann er nicht? Wie gereift sind die Technologien, was fehlt noch in der Umsetzung? Bevor wir auf die möglichen Anwendungen eingehen, erklären wir aber zunächst kurz, wo Wasserstoff denn aktuell herkommt und wie das in Zukunft aussehen soll.

Zwei Experten vom Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) haben uns bei der Ausarbeitung dieses Artikels geholfen.

Wo soll der Wasserstoff herkommen?

Bisher wird Wasserstoff zu 99%  aus fossilen Quellen hergestellt,⁵ hauptsächlich aus Erdgas (das wiederum hauptsächlich aus Methan (CH₄) besteht). Das wird chemisch gespalten, wobei Wasserstoff frei wird, aber auch sehr viel CO₂. Wegen seiner klimaschädlichen Herstellung wird dieser Wasserstoff aus fossilem Erdgas auch „grauer Wasserstoff” genannt und er soll in Zukunft nicht mehr produziert werden.

Wasserstoff kommt aber auch in Lagerstätten unter der Erde vor.^8,9,10 Bisher wurde es aber kaum beachtet, da man systematisch nur nach Erdgas und Erdöl suchte. Eines der weltweit größten Reservoire an „geologischem” Wasserstoff soll unter dem Erdboden von Lothringen in Frankreich liegen.¹¹ In der Energiebranche ist deswegen ein regelrechter „Wasserstoff-Rush” ausgebrochen, eilig werden weltweit Testbohrungen gemacht. Auf absehbare Zeit können wir allerdings nicht auf den natürlich im Erdboden kommenden Wasserstoff zählen. Denn wie ergiebig die Wasserstoff-Lagerstätten am Ende dann wirklich sein werden und wie gut man das Gas in großen Mengen fördern kann, ist noch überhaupt nicht klar.

Bleibt die Elektrolyse, also das Gewinnen von Wasserstoff aus Wasser mit Strom. Als einfachen Versuch kennen das viele noch aus der Schule:¹² In einen Behälter mit Wasser werden zwei Drähte getaucht, die mit einer Spannungsquelle wie etwa einer Batterie verbunden sind. Damit das Wasser den Strom gut leiten kann, kommt in der einfachsten Version des Versuchs noch etwas Salz dazu. Am Draht, der mit dem Minuspol verbunden ist, erkennt man dann kleine Gasbläschen, die aufsteigen und in einem umgedrehten Reagenzglas aufgefangen werden können: Das ist der Wasserstoff. Er stammt aus dem Wasser, denn das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom, das bei der Elektrolyse gespalten wird. Elektrolyse heißt übersetzt nichts anderes als „Spalten mit Strom”. Stammt der Strom dabei aus erneuerbaren Energien, entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff kaum CO₂.¹³

Abbildung 1: Die Elektrolyse. In einem Behälter wird mithilfe von Elektrizität (hier dargestellt durch ein Blitz-Ikon) Wasser (H₂O) gespalten. Dabei entsteht neben Wasserstoff (H₂, lila) nur noch Sauerstoff (O₂, rosa), die sich jeweils als Gasbläschen an Minuspol (Kathode) und Pluspol (Anode) ansammeln. (Illustration: SKIN)

Das Elektrolyse-Prinzip ist seit über 200 Jahren bekannt¹⁴ und wurde seitdem ständig weiterentwickelt, so dass heute verschiedene Verfahren zur Auswahl stehen.¹⁵ Keines ist bisher optimal, da sie entweder Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren benötigen, die Anlagen nur kurze Lebensdauern haben oder nur wenig Wasserstoff produzieren. In diesem Bereich wird deshalb viel geforscht und entwickelt, auch in Luxemburg. So gibt es mittlerweile experimentelle Elektrolyse-Verfahren mit sehr hohen Wasserstoffausbeuten¹⁶ und Versuche, Wasser direkt mit Sonnenlicht zu spalten.^17,18,19

Das ist alles vielversprechend, bisher aber noch sehr ineffizient. Aktuell muss bei den Planungen für eine Wasserstoffwirtschaft von den heute einsetzbaren Systemen ausgegangen werden, bei denen leider rund ein Drittel der eingespeisten Energie als Wärme verloren gehen. Und das schlägt sich auf der Kostenseite nieder: Mit erneuerbarem Strom hergestellter, also „grüner” Wasserstoff ist aktuell rund dreimal so teuer wie aus fossilem Erdgas hergestellter „grauer” Wasserstoff.^20,21

Um Wasserstoff in großen Mengen herzustellen und  die Herstellungskosten zu senken, soll er in Zukunft zu einem großen Teil  in wind- und sonnenreichen Ländern wie Marokko, Chile, Australien oder Namibia gewonnen werden. Luxemburg strebt dafür eine Partnerschaft mit den Kapverdischen Inseln an.²² Dieser grüne Wasserstoff oder chemische Verbindungen, in denen er gespeichert ist, würde dann mit Tankschiffen oder Pipelines dorthin transportiert, wo er gebraucht wird. Wegen der Transportkosten ist allerdings noch unklar, ob er am Ende günstiger sein wird, als vor Ort hergestellter Wasserstoff. ^23,24

Wofür sollte der teure aber klimafreundliche grüne Wasserstoff eingesetzt werden?

Werden wir mit Wasserstoff-Autos fahren?

Manche Kritiker der Vision einer Wasserstoff-Energiewirtschaft vergleichen mit erneuerbarem Strom hergestellten Wasserstoff wegen seines hohen Preises mit Champagner.^25,26 Auch wenn man nicht so weit gehen will, machen die hohen Produktionskosten klar, dass man ihn gezielt einsetzen sollte. Daher stellt sich die Frage: Ist es wirklich sinnvoll, grünen Wasserstoff für den Autoverkehr zu verbrauchen?

Als vor über 20 Jahren die Vision einer klimafreundlichen Wasserstoffwirtschaft Rückenwind bekam, ahnte noch niemand den Siegeszug der Batterietechnik.^27,28,29,30 Batterien waren teuer und noch nicht so leistungsfähig wie heute. Kaum einer konnte sich die flächendeckende Einführung von E-Autos vorstellen. Um den Autoverkehr klimafreundlich zu machen, erschien deshalb  die Vorstellung sehr verlockend, in Zukunft grünen Wasserstoff zu tanken. Es wurde prognostiziert, dass heute Millionen von Wasserstoffautos auf den Straßen fahren würden.²⁸ Aktuell sind in Luxemburg allerdings nur 14 Wasserstoff-Autos angemeldet. Davon sind sechs reine Wasserstoff-Autos, die anderen Hybrid-Benzin oder -Diesel.³¹

In den letzten 10 Jahren sind Batterien über 5mal billiger geworden - inflationsbereinigt und bei selber Kapazität.³² Daher gehen die meisten aktuellen Studien nicht mehr davon aus, dass PKW mit Wasserstoff  betrieben werden sollten.^33,34  Wegen der Energieverluste beim Weg über den Wasserstoff wird dafür rund dreimal so viel^35,36,37,38 erneuerbarer Strom benötigt wie für E-Autos.²⁴ Das E-Auto ist also deutlich effizienter.

Abbildung 2: Bei einem Elektro-Auto (links) werden 1,53 MJ (MegaJoule) Energie benötigt, um 1 MJ Energie auf die Strasse zu bringen. Ein Drittel der Eingangsenergie geht also verloren. Bei einem Wasserstoff-Auto mit Brennstoffzelle werden 4,5 MJ Energie benötigt, um 1 MJ auf die Strasse zu bringen. Es gehen also fast 80% der ursprünglich eingesetzten Energie verloren. (Illustration: SKIN. Wissenschaftliche Quelle: Wallington T.J. et al., Joule, 2024) 

Batterien haben aber auch Nachteile, unter anderem eine geringe Energiedichte. Bei größeren Fahrzeugen oder über längere Strecken bedeutet das: größere und schwerere Batterien. Könnte Wasserstoff hier eine Alternative sein?

Doch selbst für Busse und LKW sehen Experten den Wasserstoffantrieb kritisch.³⁹  Die bisherigen Tests waren durchwachsen und es zeigte sich, dass Wasserstoffbusse hohe Kosten verursachen.^40,41 In Europa sieht eine Studie des Internationalen Transport Forums der OECD keine nennenswerte Zukunft für Wasserstoff-Busse und LKW.³³  Auch die beschränkte Reichweite von batteriebetriebenen LKW  sei für die meisten Einsatzzwecke kein Hindernis. Zumindest in Europa könnten sie in Zukunft in der gesetzlich vorgeschriebenen Lenkpause aufgeladen werden, wenn ein entsprechendes Ladenetz aufgebaut wird, wie es etwa in Deutschland geplant ist.^42,43,44

Obwohl Wasserstoff-Fahrzeuge mit Brennstoffzelle deutlich sparsamer im Verbrauch sind, experimentieren ein paar LKW-Hersteller mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren für Trucks.⁴⁵ Kritiker werfen ihnen vor, damit auf eine nicht zukunftsfähige Technik zu setzen, um weiterhin ihr Verbrenner-Knowhow zu nutzen.⁴⁵

Werden wir mit Wasserstoff-Flugzeugen in den Urlaub fliegen?

Fliegen muss klimafreundlicher werden, das ist allen klar. Dafür muss unter anderem das klimaschädliche Kerosin ersetzt werden. In einem aktuellen Report hat die Internationale Energieagentur die zivile Luftfahrt aber mit „not on track” gerügt,⁴⁶ das heißt, dass sie anders als andere Verkehrs-Sektoren wie etwa im PKW-Bereich nicht genug unternimmt, um ihren CO₂-Ausstoß zu verringern.

Überraschenderweise zeichnet sich wegen der rasanten Entwicklung der Batterietechnik auch im Flugverkehr ab, dass viele Flüge mit Batterie-betriebenen Flugzeugen durchgeführt werden könnten.^.47,48,49 Für Langstreckenflugzeuge mit mehreren Hundert Passagieren wird das allerdings auf absehbare Zeit nicht möglich sein⁴⁹ und diese sind für die meisten CO₂-Emissionen verantwortlich.⁴⁸ 

Deshalb wird für den Flugverkehr grüner Wasserstoff ins Spiel gebracht. Er soll in Zukunft  statt Kerosin für den klimafreundlichen Antrieb sorgen. Das Problem dabei ist aber, dass der benötigte Wasserstoff nur in großen zylindrischen oder kugelförmigen Druckbehältern mit an Bord genommen werden könnte, anders als heute Kerosin, das in Tanks in den Tragflächen kommt. Dafür müssen neue Flugzeuge entwickelt werden, in denen die Wasserstofftanks wertvollen Platz für Passagiere und Fracht wegnehmen.^50,51  Und das Betanken und Starten würde sich wegen des Explosions-Risikos von den Sicherheitsvorkehrungen her Raketenstarts wie in Cape Canaveral annähern.^{52,53,54,55,56} Trotz dieser Schwierigkeiten experimentiert aktuell Airbus mit Konzepten für Wasserstoff-Flugzeuge. Dabei wird in den nächsten Jahren getestet, welche Antriebstechnik besser ist: Den Wasserstoff an Bord in einer Brennstoffzelle in Strom umwandeln, der dann die Motoren der Propeller antreibt oder ihn direkt in Turbinen verbrennen.^57,58,59

Einfacher wäre es, wenn für Flugzeuge geeigneter Treibstoff klimafreundlich produziert werden könnte, da so an Flugzeugen und an der Betankungstechnik auf Flughäfen nichts geändert werden müsste. Dafür käme auch wieder grüner Wasserstoff in Frage. Er kann mit erneuerbarem Strom als Energiequelle chemisch mit CO₂ aus der Luft oder aus Industrieabgasen verbunden werden, um daraus sogenannte E-Fuels zu machen. Das E steht dabei für „elektrisch”, da sie nicht aus Öl sondern mit Strom hergestellt werden. Das Problem dabei sind die großen Energieverluste bei der Herstellung von E-Fuels: Ihre Energiebilanz ist noch schlechter als die von grünem Wasserstoff: Über vier Fünftel des eingesetzten Stroms gehen bei ihrer Herstellung verloren!^60,61 Und wir bräuchten viel mehr Strom: Um die aktuelle Flugzeugflotte in Europa zwischen 2050 und 2100 klimafreundlich zu betreiben, bräuchten wir 1,3 mal so viel Strom wie heute jedes Jahr in der EU produziert wird. Aber trotz der erheblichen Energieverluste, die man bei der Herstellung von E-Fuels in Kauf nehmen muss, sind sie ein möglicher Weg zum Fliegen mit klimafreundlichen Kraftstoffen. Statt mit Wasserstoff können E-fuels auch aus Biomasse hergestellt werden. In beiden Fällen wird aber das Flugticket in Zukunft deutlich teurer sein.^62,62,63

Werden auch Schiffe mit Wasserstoff fahren?

Wie beim Flugverkehr stellt sich auch im Schiffsverkehr die Frage, mit welchem klimafreundlichen Antrieb in Zukunft übers Wasser gefahren werden soll. Und es stellt sich wie immer beim Vergleich von Batterie- versus Wasserstoffantrieb ein ähnliches Bild dar: Ganz klar am energieeffizientesten ist man mit Strom und Batterie unterwegs. Für Schiffsreichweiten bis 1500 km ist das mittlerweile nach Berechnungen von Forschern schon heute eine wirtschaftliche Lösung.^64,65 Weltweit stechen deshalb immer mehr Fähren mit Batterieantrieb in See.⁶⁶ Bei fallenden Batteriepreisen wird sich die Reichweite von Batterieschiffen noch vergrößern. Aber auch hier bleiben die langen Strecken das Problem. Dafür kommen als klimafreundlicher Schiffstreibstoff neben grünem Wasserstoff vor allem E-Fuels wie E-Methanol oder E-Ammoniak in Frage,⁶⁷ die mit Hilfe von Strom aus CO₂ und Wasserstoff hergestellt werden. Sie stehen in Konkurrenz zu aus Biomasse hergestellten klimafreundlichen Kraftstoffen.

E-Methanol hat den Vorteil, dass es dafür schon Schiffsmotoren gibt, die gleichzeitig auch herkömmlichen Treibstoff verbrennen können.⁶⁸ E-Methanol muss allerdings mit etwas mehr Sicherheitsvorkehrungen gehandhabt werden.^67,69 Für die weitere Zukunft wird aber auch E-Ammoniak als wichtiger klimaneutraler Schiffstreibstoff angesehen,⁶⁷ unter anderem, da es insgesamt am kostengünstigsten sein könnte.⁷⁰ Es ist chemisch nichts anderes als auf herkömmlichem Weg hergestelltes Ammoniak. Das stechend riechende und giftige Gas wird routinemäßig in der Chemieindustrie aus grauem Wasserstoff gewonnen, also aus Wasserstoff, der aus fossilem Erdgas hergestellt wurde. Ammoniak ist vor allem wichtig, um Dünger zu produzieren. Es kann aber auch in Schiffsmotoren verbrannt werden oder in Brennstoffzellen Strom erzeugen, der einen elektrischen Schiffsmotor antreibt. Ungeklärte Fragen sind dabei unter anderem noch der Schadstoffausstoß, da Ammoniak zwar kein CO₂ erzeugt, dafür aber klimaschädliche Stickoxide.⁷¹
Im Schiffsverkehr ist also noch nicht klar, welchen Stellenwert in Zukunft Batteriebetrieb, grüner Wasserstoff, E-Methanol oder E-Ammoniak haben werden.

Strom mit grünem Wasserstoff für die Dunkelflaute speichern?

Eine weitere wichtige Anwendung, die für grünen Wasserstoff ins Spiel gebracht wird, ist die Stabilisierung des Strom-Netzes.⁷² Die Frage ist nämlich, wie wir in der klimafreundlichen Zukunft sicherstellen können, dass die Stromversorgung nicht zusammenbricht, wenn mal gleichzeitig kein Wind weht und keine Sonne scheint - die gefürchteten „Dunkelflauten”. Bisher setzt man dafür Gas-Kraftwerke ein, die schnell hoch oder runtergefahren werden können oder Pumpspeicherkraftwerke wie das in Vianden, in denen Wasser in höher gelegene Speicherseen gepumpt wird, wenn zu viel Strom im Netz ist. Umgekehrt wird dann bei Strommangel das Wasser wieder ins Tal abgelassen, um Turbinen zur Stromproduktion anzutreiben.

Für die Stromspeicherung könnte aber auch grüner Wasserstoff einspringen: In Zeiten von Stromüberfluß wird er mit Elektrolyse hergestellt und unter hohem Druck gespeichert. Das kann in überirdischen Tanks geschehen oder unterirdisch und ebenfalls unter Druck wie etwa in den Hohlräumen von alten Salzbergwerken oder erschöpften Erdgas oder Erdöl-Lagerstätten.^21,73,74 Wenn Strom benötigt wird, kann der Wasserstoff in Gaskraftwerken wieder in Strom verwandelt werden. So plant es aktuell Deutschland,⁷⁵ auch wenn die Technik von Wasserstoffgaskraftwerken noch nicht erprobt ist. Alternativ könnte der Wasserstoff auch mit  Brennstoffzellen wieder in Strom verwandelt und ins Netz eingespeist werden.

Der wichtigste Vorteil von Wasserstoff für die Stromspeicherung: Anders als in heutigen Batterien kann der Strom langfristig, also über Monate hinweg gelagert werden, um saisonale Schwankungen im Strombedarf auszugleichen. Sein Nachteil für kurzfristige Stromspeicherung: es geht bis zu 4mal mehr Energie verloren,⁷⁶ als wenn man große Batteriespeicher verwenden würde.

In der Energiebranche wird daher aktuell davon ausgegangen, dass Wasserstoff zwar einen Teil zum Ausgleich des Stromverbrauchs beitragen wird, dass aber gleichzeitig die Stromspeicherung mit Batterien und wie bisher üblich mit Wasserkraft erfolgen wird.^77,78

Ist Heizen mit Wasserstoff eine gute Idee?

Wasserstoff ist ein Gas, das beim Verbrennen Hitze freisetzt, ähnlich wie das bisher in Gasthermen verwendete Erdgas. Daher liegt die Idee nahe, mit grünem Wasserstoff zu heizen, um das klimaschädliche Erdgas zu ersetzen. Dafür müsste aber die Versorgungs-Infrastruktur wie etwa Pipelines, Kompressoren und Verteilerstationen stark angepasst oder erneuert werden, da Wasserstoff andere Anforderungen an sie stellt als Erdgas. Um die Klimabilanz zumindest teilweise zu verbessern, könnte man dem fossilen Erdgas bis zu rund 20% grünen Wasserstoff beimischen. Das hätte den Vorteil, die vorhandenen Gas-Pipelines vermutlich weitgehend unverändert nutzen zu können.^79,80

Für’s Heizen ist die direkte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen mit Wärmepumpen aber wesentlich energieeffizienter als der Umweg über die Produktion von Wasserstoff und sein anschließendes Verbrennen. Dabei werden nämlich rund 80% der Prozent des eingesetzten Stroms verschwendet.^24,81 Deshalb wurden die Wasserstoff-Heizpläne weitgehend ad acta gelegt.²¹

Grüner Wasserstoff für die Industrie?

Ein Großverbraucher, der heute schon viel grauen Wasserstoff nutzt, also den klimaschädlich aus Erdgas hergestellten Wasserstoff, ist die Industrie. Eine wichtige Anwendung ist dabei die Erzeugung von Hitze durch das Verbrennen des Wasserstoffs. Die Frage ist hier wieder, ob das Verbrennen des kostbaren grünen Wasserstoff wirklich die sinnvollste Option ist. Mittlerweile werden Wärmepumpen immer leistungsfähiger, so dass sie auch für Anwendungen, die hohe Temperaturen benötigen, eingesetzt werden können, wie beispielsweise in der Nahrungsmittel-, der Papier- oder in der Chemieindustrie. Das wäre wesentlich energieeffizienter, als grünen Wasserstoff zu verbrennen.

Für das direkte Verbrennen von Wasserstoff bleiben noch Anwendungen übrig, bei denen sehr hohe Temperaturen benötigt werden, wie in der Glas-, Keramik- oder Zementindustrie. Wobei in den meisten dieser Fälle laut einer aktuellen Studie die Hitze auch direkt mit Strom erzeugt werden könnte.⁸² Selbst hohe Temperaturen kann man energieeffizient erreichen, indem Strom durch elektrische Widerstände fließt, wie etwa  in Toastern nur eben in sehr viel größerem Maßstab. Außerdem kommen dafür  Induktionsöfen, Elektrolichtbögen oder  durch elektrischen Strom erzeugtes Hochtemperaturplasma in Frage.⁸²

Wasserstoff wird in der Industrie aber nicht nur zur Erzeugung von Hitze gebraucht, sondern auch als Rohstoff für chemische Prozesse. Er wird für das Cracken von Rohöl in Raffinerien benötigt oder für chemische Prozesse, in denen Wasserstoffatome in andere Moleküle eingebaut werden müssen wie etwa für die Herstellung von Düngern. Für diese Anwendungen gibt es zum Umstieg auf grünen Wasserstoff keine Alternative.

Und es kann sein, dass die Stahlindustrie in Zukunft einen hohen Bedarf an grünem Wasserstoff haben wird. Zur Zeit wird - stark vereinfacht - Stahl aus Eisenerz und Koks erzeugt. Koks wird wiederum aus Kohle hergestellt. Bei der Stahlherstellung reagiert der Kohlenstoff aus dem Koks mit dem Eisenerz, wobei Stahl entsteht und große Mengen an CO₂ frei werden. Um diese CO₂-Emissionen zu vermeiden, kann Wasserstoff eingesetzt werden, der an Stelle des Kohlenstoffs mit dem Eisenerz reagiert. Dabei entsteht statt CO₂ nur Wasserdampf. Alternativ kann die chemische Reaktion zu Stahl aber auch mit elektrischem Strom statt mit Wasserstoff durchgeführt werden. Ob das geht, untersucht ArcelorMittal gerade in Pilotprojekten, allerdings noch nicht im industriellen Maßstab.⁸³

Wo ist grüner Wasserstoff unersetzbar?

Wie fällt also das Zwischenfazit für die grüne Wasserstoff-Zukunft aus? Für die meisten in diesem Artikel behandelten Anwendungsfälle gibt es Alternativen, die je nach Stand der Technik und Kosten besser oder schlechter als grüner Wasserstoff sind. Deshalb gehen die Prognosen darüber, wie viel grünen Wasserstoff wir in Zukunft brauchen, stark auseinander.⁸⁴ Es ist auch nicht das erste Mal, dass Wasserstoff einen sogenannten Hype Cycle durchläuft, also dass sich nach anfänglicher Begeisterung wieder Ernüchterung einstellen kann.^28,30 Es gibt aber Bereiche, in denen es auch in Zukunft keine Alternative zu grünem Wasserstoff geben wird: Das sind die Industriezweige, die heute schon in großen Mengen grauen Wasserstoff nutzen, der nicht durch Elektrizität ersetzt werden kann, wie etwa in der chemischen Industrie. Weltweit sind das aktuell rund 100 Millionen Tonnen pro Jahr.⁸⁵ Allein in Europa ist der graue Wasserstoff in der Industrie verantwortlich für 70 bis 100 Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr. In Luxemburg für über 5000 Tonnen CO₂ pro Jahr.²² Hier gibt es zum Umstieg auf grünen Wasserstoff keine Alternative. Das ist auch der Grund, warum sich die EU vorgenommen hat, diesen grauen Wasserstoff bis 2030 durch grünen Wasserstoff zu ersetzen. Nach heutigem Stand der Projekte für grünen Wasserstoff ist das leider ein unrealistisches Ziel.^86,87

Auch weltweit sind die COP-28-Pläne für die Produktion von grünem Wasserstoff bis 2030 kaum realistisch.

Abbildung 3: Blaue Balken: Weltweite emissionsarme Wasserstoffproduktion der letzten 9 Jahre in Millionen Tonnen. (Die Werte für 2023 werden auf der Grundlage der Daten vom März 2024 geschätzt). Lila Balken: Das im COP28-Pfad vorgesehene Ziel für 2030. Quelle: IEA (2024), CC-BY 4.0⁹⁰

„Grauen” Wasserstoff in der Industrie schnellstmöglich durch „grünen” zu ersetzen ist auch die erste Priorität der luxemburgischen Wasserstoffstrategie.²² Und das Hauptziel des vor kurzem gelaunchten Projekts „LuxHyval” ist es, diesen „grünen” Wasserstoff so weit wie möglich lokal herzustellen.

Zurück in die Gegenwart

Technische Hürden: Warum ist Wasserstoff so schwer zu handhaben?

Bei all den Plänen für den Einsatz von grünem Wasserstoff fragt man sich: Warum sind die Wassserstoff-Visionen nicht schon längst Wirklichkeit geworden?

Auf der einen Seite bremst die schlechte Energieeffizienz von grünem Wasserstoff im Vergleich zum direkten Einsatz von Strom. Sie ist der Grund dafür,  dass es in vielen Fällen bessere und kostengünstigere Lösungen gibt, bei denen weniger erneuerbarer Strom verschwendet wird. Auf der anderen Seite ist einer der weiteren Gründe für den sehr schleppend verlaufenden Ausbau der Wasserstoffwirtschaft, dass Wasserstoff unter chemischen und physikalischen Gesichtspunkten ein sehr spezieller Stoff ist.

Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universum, über 90% der bekannten Materie besteht daraus.⁹¹ Auf der Erde ist es seltener, kommt aber in vielen chemischen Verbindungen vor, davon am häufigsten in Wasser. Reiner Wasserstoff besteht aus zwei miteinander verbundenen Wasserstoffatomen und ist das kleinste Molekül.⁹² Deshalb entwischt es leicht durch die feinsten Zwischenräume und Anlagen mit Wasserstoff lassen sich nur mit hohem Aufwand dicht halten. Es reagiert außerdem mit vielen Stahlsorten und Dichtungsmaterialien und macht sie spröde und brüchig. Außerdem ist es im Gemisch mit Luft sehr explosiv. Diese technischen Herausforderungen verhindern aber nicht, dass die Industrie seit langer Zeit routinemäßig Wasserstoff nutzt. Sie machen aber die Verwendung von Wasserstoff sehr viel aufwändiger als die von anderen Gasen wie etwa Erdgas. Das ist unter technischen Gesichtspunkten im  Vergleich zu Wasserstoff ein harmloser Langweiler. Es ist deshalb kein Wunder, dass Wasserstofftankstellen wegen technischer Probleme häufig außer Betrieb sind.⁹³ Da macht auch die im September 2023 in Bettemburg eingeweihte erste Luxemburger Wasserstofftankstelle keine Ausnahme: Sie hat immer noch nicht ihren Regelbetrieb aufgenommen (Stand 1. Oktober 2024).

Es gibt noch eine weitere physikalische Eigenschaft, mit der die Wasserstoff-Energiewirtschaft kämpfen muss: Es ist ein sehr leichtes Gas. Das heißt, dass man bei normalem Luftdruck für dieselbe Energiemenge ein sehr viel größeres Volumen benötigt, als zum Beispiel mit Erdgas oder flüssigen Kraftstoffen. Deswegen sind Wasserstofftanks nur sinnvoll, wenn sie Wasserstoff unter hohem Druck von bis zu 1000 bar speichern. Das ist tausendfacher Atmosphärendruck oder rund 400mal mehr Druck als in einem Autoreifen! Etwas platzsparender ist es, den Wasserstoff als  verflüssigtes Gas zu speichern. Es muss dafür aber auf unter minus 253 Grad Celsius⁹⁴ heruntergekühlt werden, was nur rund 20 Grad Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt!⁹⁵ All das macht die Handhabung von Wasserstoff sehr aufwändig, was sich auch in den Kosten niederschlägt.

Fazit

Wenn wir auf Erdöl, Gas und Kohle verzichten wollen, brauchen wir neben viel Strom aus erneuerbaren Energien auch grünen Wasserstoff. So richtig fortgeschritten sind wir in der Umsetzung aber noch nicht, weil es noch viele Herausforderungen gibt.

Eine Studie einer großen Unternehmensberatung hat Anfang 2024 Bilanz gezogen:⁹⁶ Was ist bisher aus den großen Versprechungen geworden, Wasserstoff-Projekte im großen Maßstab auf die Beine zu stellen? Leider ist das Ergebnis sehr ernüchternd: Weltweit sind nur knapp zwei Prozent der bisher angekündigten Wasserstoffprojekte überhaupt voll finanziert oder im Bau! Und davon sind allein rund die Hälfte in China angesiedelt.^96,21 Zwischen Ankündigungen und Umsetzung klafft eine gewaltige Lücke.

Das zeigt, dass noch große Anstrengungen nötig sind, um alleine nur den heute verwendeten grauen Wasserstoff durch klimafreundlichen grünen Wasserstoff zu ersetzen.

Fest steht: Bevor grüner Wasserstoff in riesigen Mengen eingesetzt werden kann, muss zunächst eine Wasserstoffinfrastruktur aufgebaut werden und viel mehr Strom aus erneuerbaren Energien produziert werden. Dafür sind große Investitionen nötig - und Zeit.

In der Zwischenzeit müssen wir Prioritäten setzen. Wasserstoff ist in vielen Anwendungsfällen eine Lösung, die zwar prinzipiell technisch machbar ist, aber gleichzeitig am meisten Energie verschwendet und technisch am aufwendigsten ist. In den meisten Fällen ist es einfacher und deutlich Energie-effizienter, den erneuerbaren Strom direkt zu nutzen, also ohne den Umweg über die Herstellung von Wasserstoff.

Eine Priorität  ist es, schnellstmöglich den bereits heute in der Industrie genutzten „grauen”, klimaschädlichen Wasserstoff durch klimafreundlichen „grünen” Wasserstoff zu ersetzen.

Daher sind Wasserstoff-Projekte wie das „Hydrogen Valley” LuxHyVal in Niederkerschen hier in Luxemburg so wichtig, um voran zu kommen. Und es gibt eine gute Nachricht für solche Projekte, die den Wasserstoff lokal erzeugen wollen, um ihn möglichst vor Ort zu verbrauchen: Eine aktuelle Studie²⁴ hat durchgerechnet, ob in Mitteleuropa hergestellter Wasserstoff von den Kosten her überhaupt konkurrenzfähig sein kann zu grünem Wasserstoff, der aus sonnenreichen Ländern importiert würde. Und das Ergebnis fällt bei aller Unsicherheit der Kostenschätzungen auch für in Europa produzierten grünen Wasserstoff positiv aus. Es gibt also keinen Grund, den Einstieg in eine sinnvolle grüne Wasserstoffwirtschaft weiter zu verzögern!
 

Autor: Ingo Knopf
Redaktion: Michèle Weber, Jean-Paul Bertemes, Joseph Rodesch (FNR)
Beratung: Thomas Gibon und Nicolas Boscher (LIST)
Elektrolyse-Illustration: George dos Santos R., Noémie Brück, Anton Stepine (SKIN)