Wasserstoff – Energieträger der Zukunft

Abbildung eines zukünftigen Wasserstoff-Ökosystems mit Hybrion PEM-Elektrolyse-Stacks und erneuerbaren Energiequellen

Viele Herausforderungen, eine Lösung: Wasserstoff

Wasserstoff ist eines der häufigsten chemischen Elemente unseres Universums. Auf der Erde liegt es normalerweise als farb- und geruchloses, flüchtiges Gas vor. Dieses Schlüsselelement dient in künftigen Energiesystemen als universell einsetzbarer Baustein. In seiner Molekülform ist Wasserstoff ein Energieträger und Energiespeicher, dessen Potenzial in der Industrie als alternativer Brennstoff genutzt werden kann, wenn sich deren Prozesse nicht elektrifizieren lassen. Darüber hinaus lässt sich Wasserstoff in elektrische Energie wandeln, etwa in mobilen und stationären Brennstoffzellen. Auf diese Weise können Teile des Verkehrssektors und des Gebäudesektors elektrifiziert werden, die heute noch von fossilen Brennstoffen abhängig sind. Der Vorteil gegenüber fossilen Brennstoffen: Beim Verbrennen von Wasserstoff entsteht kein klimaschädliches CO₂ .

Grüner Wasserstoff: was macht ihn grün?

Grüner Wasserstoff leistet einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung, also zum Verzicht auf fossile Brennstoffe, selbst in energieintensiven Industrien. Doch wie stellt man ihn her?

Wasserstoff chemisch gebunden in Form von Wasser — Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und aufgrund seiner hohen Energiedichte ein vielversprechender Energieträger. Auf der Erde kommt er jedoch hauptsächlich in chemischen Verbindungen wie Wasser vor. Daher muss er industriell hergestellt werden.

Grüner Wasserstoff wird mithilfe erneuerbarer Energien wie Solarkraft oder Windkraft hergestellt. — Wie jede industrielle Produktion benötigt dieser Prozess Energie. Diese steht mehr und mehr in Form erneuerbarer Energien zur Verfügung: beispielsweise als Strom aus Solarkraft oder Windkraft.

Ein Elektrolyseur produziert grünen Wasserstoff (H₂) aus Wasser (H₂O) mit Hilfe erneuerbarer Energie. — Mit emissionsfrei gewonnener Energie lässt sich in Elektrolyse-Anlagen hochreines Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) trennen. Bei diesem Prozess entsteht grüner Wasserstoff – grün, weil bei seiner Herstellung keine klimaschädlichen CO₂-Emissionen entstehen.

Bei der Elektrolyse wird Wasserstoff mithilfe von Elektrizität erzeugt, um Wasser (H₂O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu spalten. — Als Emission der Elektrolyse entsteht lediglich Sauerstoff. Da auch bei der Verstromung oder Verbrennung von reinem Wasserstoff keine umweltbelastenden Emissionen entstehen, ist grüner Wasserstoff der Schlüssel zu einem CO₂-neutralen Energiesystem.

Welche Farben hat Wasserstoff?

Die technische Verwendung von Wasserstoff ist in der Industrie nichts Neues. Seit etwa einem Jahrhundert wird er dort als Brennstoff und Prozessgas genutzt. Allerdings wird der Wasserstoffbedarf der Industrie bislang überwiegend durch fossile Rohstoffe wie Erdgas, Kohle oder Erdöl gedeckt. Je nach Ausgangsstoff und Herstellungsprozess spricht man dabei von grauem oder blauem Wasserstoff. Genau hier setzt die sogenannte Wasserstofffarblehre an: Sie beschreibt die verschiedenen Produktionswege von Wasserstoff und deren Auswirkungen auf das Klima. Begriffe wie grüner, grauer oder blauer Wasserstoff stehen dabei nicht für reale Farben, denn Wasserstoff ist farb- und geruchlos. Vielmehr beziehen sie sich auf seine jeweilige Herkunft und Klimabilanz. Die Art der Herstellung entscheidet also darüber, wie umweltfreundlich Wasserstoff tatsächlich ist. Warum steht dabei grüner Wasserstoff besonders im Fokus? Und was bedeuten die anderen Farben?

Grauer Wasserstoff

Produktion von grauem Wasserstoff

Grauer Wasserstoff wird vorwiegend aus Erdgas hergestellt. Im Dampfreformierungsprozess entsteht daraus Wasserstoff und Kohlendioxid. Der Wasserstoff wird weiterverwendet, das CO₂ in die Atmosphäre abgegeben. Für die Produktion einer Tonne Wasserstoff fallen etwa zehn Tonnen CO₂ an.¹ Grauer Wasserstoff hat heute noch einen Anteil von etwa 95 Prozent am weltweit erzeugten Wasserstoff und belastet die Atmosphäre erheblich.¹

_{¹ Deutscher Industrie- und Handelskammertag; DIHK-Faktenpapier Wasserstoff, 2020, S.6}

Blauer Wasserstoff

Das CO2, das im Herstellungsprozess von grauem Wasserstoff entsteht, lässt sich zu Teilen auffangen (Carbon Capture and Storage, kurz CCS). In diesem Fall spricht man von blauem Wasserstoff.

Produktion von blauem Wasserstoff

Das CO₂, das im Herstellungsprozess von grauem Wasserstoff entsteht, lässt sich zu Teilen auffangen (Carbon Capture and Storage, kurz CCS). Allerdings muss das Klimagas aufwändig weiterbehandelt werden, indem man es beispielsweise in unterirdische Lagerstätten pumpt. Das Endprodukt dieses Herstellungsverfahrens nennt man blauen Wasserstoff.

Türkisfarbener Wasserstoff

Produktion von türkisfarbenem Wasserstoff

Ein alternatives Produktionsverfahren ist die Pyrolyse von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas. Dabei wird Methan unter hohen Temperaturen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten, wodurch kein CO₂ entsteht. Fester Kohlenstoff ist ein Granulat, das sich industriell nutzen oder deponieren lässt. Man spricht hier von türkisfarbenem Wasserstoff.

Grüner Wasserstoff

Produktion von grünem Wasserstoff

Die industrielle Produktion von Wasserstoff basiert heute weitgehend auf fossilen Brennstoffen. Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft kommt grünem Wasserstoff daher eine entscheidende Rolle zu. Seine Herstellung benötigt keine fossilen Rohstoffe und ist darüber hinaus weitgehend klimaneutral möglich. Der Einsatz erneuerbarer Energien bei der Wasserstoffproduktion in Elektrolyse-Anlagen führt zu einem universell verwendbaren Energieträger, der geringstmögliche CO₂-Emissionen verursacht.

Was sind die Schlüsseltechnologien der Wasserstoffwirtschaft?

Das Ökosystem Wasserstoff erstreckt sich von der Herstellung über die Speicherung und den Transport bis hin zur Nutzung. Eng damit verknüpft sind die Schlüsseltechnologien der Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoff herstellen

Die Infrastruktur für eine emissionsarme Wasserstoffwirtschaft wird weltweit mit Hochdruck ausgebaut. Bosch bietet ein breites Portfolio an Produkten und Lösungen für Wasserstofftechnologien.

Bosch Manufacturing Solutions bietet beispielsweise Wasseraufbereitungssysteme an, mit denen das für die Elektrolyse benötigte, hochreine Wasser erzeugt werden kann. Diese Systeme nutzen thermische und elektrochemische Prozesse, um Verunreinigungen wie Salze oder Metalle aus dem Wasser zu entfernen.

Was den Elektrolyseprozess selbst betrifft, ist der Hybrion PEM-Elektrolyse-Stack von Bosch das Kernelement in Anlagen zur Wasserstofferzeugung. Die Kundenanforderungen an Elektrolyseanlagen sind vielfältig. An dem einen Ende der Skala steht die dezentrale Wasserstoffproduktion durch Industrieunternehmen zur Eigenbedarfsdeckung oder zur Herstellung von Kraftstoffen. An dem anderen Ende stehen Großanlagen für energieintensive Industriezweige oder für Unternehmen, die Wasserstoff in großem Maßstab produzieren und einen hohen Wasserstoffbedarf für den Export in entlegene Regionen haben.

Der Systemvorteil der Hybrion-Stacks besteht darin, dass sie all diese Anforderungen erfüllen können. Die Anzahl der Stacks einer Elektrolyseanlage lässt sich bedarfsgerecht skalieren – für jede Anlagengröße, vom lokalen System zur Eigenbedarfsdeckung bis hin zu einer großen Industrieanlage mit mehreren hundert Megawatt Leistung.

Mehr zur Bosch Elektrolysetechnologie erfahren

Wasserstoff speichern und transportieren

Wenn er nicht direkt am Ort seiner Herstellung verbraucht wird, lässt sich Wasserstoff speichern und transportieren. Dafür wird er in der Regel komprimiert. Auch für die Speicherung und Verteilung von Wasserstoff entwickelt Bosch maßgebliche Technologien.

Mehr zur Wasserstoff-Speicherung erfahren

Wasserstoff nutzen

Regenerativ erzeugter Wasserstoff ist für die Industrie von größtem Wert – insbesondere in Branchen mit hohem Emissionsreduktionspotenzial, wie der Stahl- und Chemieindustrie, wo er eine tiefgreifende Dekarbonisierung vorantreiben kann.

Wasserstoff entwickelt sich auch im Transportsektor zu einer treibenden Kraft, beispielsweise im Güterverkehr oder beim Antrieb von Schienenfahrzeugen auf nicht elektrifizierten Strecken. Bosch setzt Wasserstoff zudem aktiv in mobilen Brennstoffzellen und Wasserstoffmotoren ein, die bisher in Lkw übliche Dieselmotoren ersetzen. Seit 2023 produziert Bosch Fuel Cell Power Modules als hochintegrierte, kompakte Systemlösungen für brennstoffzellenelektrische, schwere Nutzfahrzeuge in Serie.

Gemeinsam mit FirstElement Fuel, dem US-Marktführer für den kommerziellen Betrieb von Flüssigwasserstofftankstellen, hat Bosch Rexroth einen wichtigen technologischen Meilenstein für die Betankungsinfrastruktur erreicht. CryoPump-Stationen senken die Betriebskosten um bis zu 70 Prozent auf ein wirtschaftliches Niveau und verkürzen den Tankvorgang für Schwerlast-Lkw auf weniger als zehn Minuten.

Mehr zur CryoPump Station erfahren

Mehr zum brennstoffzellenelektrischen Antrieb erfahren

Die Zukunft mit Wasserstoff gestalten

Grüner Wasserstoff leistet einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung, also zum Verzicht auf fossile Brennstoffe. Er kann selbst energieintensive Industrien mit klimaschonend erzeugter Energie versorgen. Zugleich ist Wasserstoff ein wichtiges Medium, um regenerative Energie zu speichern und transportierbar zu machen.