Wasserstoff, das am häufigsten vorkommende Element des Universums, birgt ein enormes Potenzial als saubere, nachhaltige Energiequelle. Wasserstoff ist überall zu finden und macht etwa 70 % der gesamten Materie im Kosmos aus¹. Die Fülle an Wasserstoff ist zwar beeindruckend, doch die Nutzung seines enormen Potenzials für den täglichen Energiebedarf ist nicht immer einfach. Die Herausforderungen bestehen darin, die Energie von Wasserstoff durch Umwandlung in eine nutzbare Form freizusetzen und ihn effizient für verschiedene Anwendungen verfügbar zu machen.

In diesem Blog stellen wir die Rolle von zwei wichtigen Technologien – Elektrolyseuren und Brennstoffzellen – vor, die Wasserstoff zu einer erneuerbaren Energiequelle machen. 

Schluss mit grauem Wasserstoff

Bevor wir uns mit den beiden Technologien befassen, die Teil der Lösung sind, ist es wichtig, ein Verständnis für das Problem zu entwickeln. Wenn gesagt wird, dass Wasserstoff nicht gleich Wasserstoff ist, bezieht sich das auf die Tatsache, dass der größte Teil des heute produzierten Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen stammt. Nach Angaben der Internationalen Organisation für erneuerbare Energien wurden Ende 2021 fast 47 % des weltweit produzierten Wasserstoffs aus Erdgas, 27 % aus Kohle, 22 % aus Öl und nur etwa 4 % aus der Elektrolyse von Wasser gewonnen (dazu später mehr). Aus fossilen Brennstoffen erzeugter Wasserstoff wird als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet, wenn das Abfallprodukt des Prozesses, Kohlendioxid (CO2), in die Atmosphäre entweichen kann. 

Wenn das CO2 aus dem Prozess abgeschieden und gespeichert wird, was ein wesentlich besseres Ergebnis unter Umweltgesichtspunkten darstellt, wird der Wasserstoff als „blau“ bezeichnet. Die beste Form von Wasserstoff ist jedoch „grüner Wasserstoff“, der durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, d. h. mittels Durchleiten eines Stroms aus erneuerbarer Energie durch Wasser, um Wasserstoff von Sauerstoff zu trennen. 

Um Wasserstoff nachhaltig zu erzeugen, muss die Welt auf grauen Wasserstoff verzichten und grünen Wasserstoff ausbauen. 

Wasserstoff-Elektrolyseure
Ein Wasserstoff-Elektrolyseur ist ein Gerät, das Wasserstoffgas (H2) durch einen als Elektrolyse bezeichneten Prozess erzeugt, bei dem ein elektrischer Strom zur Aufspaltung von Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird. Wird die Elektrolyse mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Sonnenenergie gespeist, bezeichnet man den erzeugten Wasserstoff als „grün“.

In Anbetracht der symbiotischen Beziehung von grünem Wasserstoff zu Wind- und Solarenergie wird er häufig in der Nähe von Wind- oder Solarfarmen produziert. In einem aktuellen Blogbeitrag, in dem wir einige bemerkenswerte Megaprojekte im Bereich der erneuerbaren Energien in der ganzen Welt vorstellen, nennen wir unter anderem die dänische Energieinsel, auf der neben 600 riesigen Windturbinen auch eine Elektrolyseanlage errichtet werden soll. 

Weitere Innovationen ermöglichen Elektrolyseuren die Nutzung von Meerwasser, das in der Nähe von Offshore-Windparks im Überfluss vorhanden ist. Dadurch sinkt der Bedarf an Süßwasser für die Wasserstoffproduktion. 

Grüner Wasserstoff dient auch als wertvolle Langzeit-Energiespeicherlösung, wenn er in der Nähe von Wind- und Solarparks platziert ist. Er ergänzt die kurzfristige Batteriespeicherung, indem er überschüssige erneuerbare Energie in Wasserstoff umwandelt, eine längere Energiespeicherung ermöglicht und die Schwankungen bei erneuerbaren Energien verringert. Dadurch werden die Zuverlässigkeit und die Nachhaltigkeit des Energiesystems insgesamt verbessert.

Abbildung 1: Wasserstoff-Elektrolyseure: 2023 und 2024 sollen sich die Absatzzahlen jeweils verdoppeln

Quelle: Bloomberg New Energy Finance (BNEF) H2 2023 Hydrogen Electrolyser Market Outlook, 28. August 2023. Die dargestellten Regionen sind Europa, Naher Osten und Afrika (EMEA), Amerika (AMER) und Asien-Pazifik (APAC). GW steht für Gigawatt. Prognosen sind kein Hinweis auf die künftige Wertentwicklung, und alle Anlagen sind mit Risiken und Ungewissheiten verbunden.

Nach Angaben von Bloomberg New Energy Finance (BNEF) wird sich der weltweite Absatz von Elektrolyseuren trotz allgemeiner Projektverzögerungen im Jahr 2023 voraussichtlich verdoppeln und dann 2024 nochmals verdoppeln – selbst in einem konservativen Szenario. Der Grund dafür ist, dass Europa und die USA bei den Produktionskapazitäten nach und nach mit China gleichziehen.

Nach der Herstellung des Wasserstoffs ist eine weitere Anlage erforderlich, um ihn für verschiedene Anwendungen zu nutzen. 

Wasserstoff-Brennstoffzellen
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das die im grünen Wasserstoff gespeicherte chemische Energie in Strom umwandelt. Brennstoffzellen können zahlreiche Vorteile für die Mobilität bringen. Sie haben keine Emissionen, da ihr Nebenprodukt Wasserdampf ist. Sie haben auch eine hohe Energieeffizienz mit einer Energieumwandlungsrate von bis zu 60 % im Vergleich zu 30–40 % bei Verbrennungsmotoren². Ein Verbrennungsmotor setzt 30–40 % der Energie des Kraftstoffs in Bewegung um (der Rest geht durch Wärme und Reibung verloren), während eine Brennstoffzelle 60 % der im Kraftstoff gespeicherten Energie in Bewegung umwandeln kann. Eine höhere Energieeffizienz bedeutet eine geringere Kraftstoffmenge, die im Tank des mit Wasserstoff betriebenen Autos, Lkw, Schiffs oder Flugzeugs gespeichert werden muss.

Brennstoffzellen sind außerdem sehr vielseitig. Sie können als Notstromquellen eingesetzt werden, um bei Stromausfällen eine verlässliche, effiziente Möglichkeit der Stromerzeugung zu bieten. Wenn das Stromnetz ausfällt, können Brennstoffzellen schnell einspringen und einen unterbrechungsfreien Betrieb in kritischen Anwendungen wie Rechenzentren, Krankenhäusern und Telekommunikationseinrichtungen sicherstellen. Sie sind darüber hinaus sehr langlebig und arbeiten leise. 

Für beide Technologien spricht eindeutig viel. Was sind also die Hürden?

Die Herausforderung
Hohe Kosten und eine begrenzte Infrastruktur sind derzeit die größten Hürden für die Einführung von grünem Wasserstoff. Die nachstehende Abbildung 2 zeigt die hohen Stromgestehungskosten (Levelised Cost of Electricity, LCOE) in US-Dollar pro Megawattstunde (MWh) für Wasserstoff (sie vergleicht die Lebensdauerkosten der Stromerzeugung aus verschiedenen Quellen). Während Wind- und Solarenergie sowie Batteriespeicher in den letzten Jahren mit ihrer zunehmenden Verbreitung eine beachtliche Kostenreduzierung verzeichnen konnten, ist dies bei Wasserstoff noch nicht der Fall. Mit mehr Investitionen könnte sich dies jedoch ändern. 

Quelle: Bloomberg New Energy Finance, 7. Juni 2023. PV steht für Photovoltaik. CCS steht für Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage). https://www.bnef.com/insights/31489. Die historische Wertentwicklung ist kein Hinweis auf die künftige Wertentwicklung, und Anlagen können im Wert sinken.