Nachhaltigkeit steht ganz oben auf der politischen Agenda. In unseren bisherigen Blogs zum Thema Flüssigwasserstoff haben wir bereits kurz beschrieben, wie Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger und Kraftstoff für verschiedene Industriezweige an Bedeutung gewinnt.
In diesem Blog befassen wir uns eingehender mit den verschiedenen Möglichkeiten der Wasserstofferzeugung. Wir gehen auf grauen, blauen und grünen Wasserstoff ein und erklären, was die Methandampfreformierung mit sich bringt, welche Probleme mit dieser Methode verbunden sind und wie wir uns allmählich auf eine Welt des nachhaltigen Wasserstoffs vorbereiten.
Wasserstoff in drei Farben
Wasserstoff kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Einige Methoden sind deutlich nachhaltiger als andere, weshalb die Verfahren oft durch Farben dargestellt werden. Die Produkte der drei gängigsten Herstellungsmethoden werden als grauer, blauer und grüner Wasserstoff bezeichnet.
Grauer Wasserstoff (Methandampfreformierung)
Derzeit werden etwa 95 % des gesamten Wasserstoffs in Europa durch Methandampfreformierung erzeugt. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe von Wasserdampf bei hoher Temperatur (700-1000 °C) Wasserstoff aus einer Methanquelle wie Erdgas oder Kohle erzeugt. Die beiden Elemente in Verbindung mit einem Katalysator führen zu einer Reaktion bei einem Druck von 3-25 bar (1 bar = 14,5 psi). Bei dieser Reaktion entstehen CO, CO2 und Wasserstoff.
In einem zweiten Schritt, der so genannten „Wassergasverschiebungsreaktion“, wird der Wasserstoffgehalt weiter angereichert. In diesem Schritt wird eine Reaktion zwischen Wasserdampf und CO ausgelöst, wiederum mit Hilfe eines Katalysators. Das Ergebnis ist eine geringe Menge an Wärme und CO und eine große Menge an Wasserstoff.
In einem zweiten Schritt, der so genannten „Wasser-Gas-Shift-Reaktion“, wird der Wasserstoffgehalt weiter angereichert. In diesem Schritt wird eine Reaktion zwischen Wasserdampf und CO ausgelöst, wiederum mit Hilfe eines Katalysators. Dabei entsteht eine geringe Menge an Wärme und CO und eine große Menge an Wasserstoff.
Die chemischen Formeln für diesen Prozess lauten wie folgt:
Methandampfreformierung
CH4 + H2O → CO + 3H2
Wassergasverschiebungsreaktion
CO + H2O → CO2 + H2
Die Methandampfreformierung ist ein effizientes Verfahren, aber leider auch ziemlich umweltschädlich.
Für jedes Kilogramm Wasserstoff, das mit dieser Methode erzeugt wird, werden bis zu 7 Kilogramm CO2 freigesetzt.
Blauer Wasserstoff
Eine etwas nachhaltigere Alternative ist blauer Wasserstoff. Blauer Wasserstoff ist im Grunde dasselbe wie grauer Wasserstoff (hergestellt durch Methandampfreformierung), aber der Großteil des CO2 wird abgeschieden und unterirdisch gespeichert(Kohlenstoffabscheidung und -speicherung) oder wiederverwendet(Kohlenstoffabscheidung und -nutzung).
Bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) wird das freigesetzte CO2 durch Pipelines zu leeren Gasfeldern transportiert und zum Beispiel in unterirdische Sandsteinschichten injiziert. Das CO2 kann auch abgetrennt und wiederverwendet werden, z. B. für die Herstellung von Biokraftstoffen, Kunststoffen oder Beton. Dieser Prozess wird als Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) bezeichnet.
Blauer Wasserstoff ist viel nachhaltiger als grauer Wasserstoff, aber die Abscheidung von CO2 erfordert zusätzliche Infrastruktur und Energie. Folglich sind die Kosten für blauen Wasserstoff höher als die für grauen Wasserstoff.
Grüner Wasserstoff
Die nachhaltigste, aber leider auch die aufwändigste Alternative ist grüner Wasserstoff. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt. Bei dieser chemischen Reaktion werden mithilfe von elektrischem Strom zusammengesetzte Stoffe in Einzelstoffe aufgespalten. Zur Herstellung von grünem Wasserstoff wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten.
Elektrolyse und grüner Wasserstoff stehen derzeit voll im Fokus des Interesses. Wenn nur grüne Energie (wie Wind- oder Sonnenenergie) verwendet wird, ist das Verfahren CO2-neutral.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff ist jedoch kostspielig. Die Elektrolyse erfordert relativ große Mengen an grünem Strom, und die Effizienz des gesamten Produktionsprozesses – einschließlich der Elektrolyse – befindet sich noch in der Entwicklung. All diese Herausforderungen wirken sich auf die Skalierbarkeit aus, so dass die Produktion von grünem Wasserstoff weltweit noch sehr begrenzt ist. In naher Zukunft wird sich dies voraussichtlich ändern.
Von der Methandampfreformierung zum grünen Wasserstoff
Wie erreichen wir schließlich die grüne Wasserstoffwirtschaft? Wie wird die Entwicklung von der Methandampfreformierung, die derzeit die Methode der Wahl ist, hin zu nachhaltigem grünem Wasserstoff ab dem Jahr 2021 verlaufen?
Wie SINTEF kürzlich in einem Blog beschrieb: „Die Zukunft ist grün, aber der Weg dorthin ist vielfarbig“. Bis sich grüner Wasserstoff gegenüber grauem Wasserstoff durchsetzt, werden wohl noch einige Jahrzehnte ins Land gehen. Die genaue Zeitspanne bleibt eine Vermutung, aber es gibt Vorhersagen über die Produktionsmethoden, die wir bis zum Jahr 2050 erleben werden.
Vorhersagen von SINTEF
Die nachstehende Tabelle basiert auf den Ergebnissen der Vorstudie „Wasserstoff für Europa “ und wurde von SINTEF leicht abgeändert. Die verschiedenen Farben stellen eine Vorhersage für die Produktionsmethoden von Wasserstoff in den kommenden Jahrzehnten dar.
Quelle: SINTEF
Die schwarze Linie
Die schwarze gestrichelte Linie zeigt zunächst das zu erwartende Wachstum der Wasserstoffproduktion insgesamt. Es besteht kein Zweifel: Die Nachfrage nach Wasserstoff wird bis 2050 beträchtlich steigen.
Die graue Linie
Die graue Linie (H2 aus Erdgas) zeigt den durch Methandampfreformierung erzeugten Wasserstoff. Auch wenn der größte Teil des Wasserstoffs im Jahr 2021 noch auf diese Weise produziert wird, dürfte die graue Linie ab diesem Jahr stark abfallen. Grauer Wasserstoff ist im Jahr 2021 immer noch die bei weitem schnellste und billigste Produktionsoption, aber da blauer und grüner Wasserstoff auf dem Vormarsch sind, wird in naher Zukunft immer weniger grauer Wasserstoff benötigt werden.
Die blaue Linie
Die blaue Linie zeigt blauen Wasserstoff an. Blauer Wasserstoff ist im Grunde genommen grauer Wasserstoff, wobei das CO2 bei der Herstellung abgeschieden wird. Da die Produktionsprozesse ansonsten ähnlich sind, ist blauer Wasserstoff ein logischer erster Schritt in Richtung Nachhaltigkeit. Denn die Infrastrukturen für die Methandampfreformierung sind bereits vorhanden. Die einzige Ergänzung, die für die Produktion von blauem Wasserstoff erforderlich ist, ist das System zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) oder zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU).
Die Grüne Linie
Während blauer Wasserstoff als Zwischentechnologie dient, ist grüner Wasserstoff (hergestellt mithilfe erneuerbarer Ressourcen und Elektrolyse) das Endziel der meisten Strategien. Allerdings befinden sich grüner Wasserstoff und die dazugehörigen Verfahren noch im Entwicklungsstadium, so dass es unwahrscheinlich ist, dass die grüne Linie die blaue Linie in absehbarer Zeit überholen wird.
Erfreulicherweise sind die Entwicklungen bei der Herstellung von grünem Wasserstoff in vollem Gange. Zahlreiche Länder haben in Pilotprojekte zur Herstellung, Speicherung, zum Transport und natürlich zur Anwendung von grünem Wasserstoff investiert (siehe unseren jüngsten Blog„Wozu wird Wasserstoff verwendet?“).
Um die angestrebte grüne Wasserstoffwirtschaft zu verwirklichen, sind jedoch noch mehr Investitionen, mehr Forschung und eine Senkung der Kosten erforderlich. Dies erfordert Zeit, was durch die grüne Linie deutlich zum Ausdruck kommt.
Die gelbe Linie
Schließlich zeigt das Diagramm eine gelbe Linie. Bei dieser Methode wird Biomasse (und CCS) für die Erzeugung von Wasserstoff verwendet. Im Prinzip ist die Nutzung von Biomasse nachhaltig, solange es sich um Restmüll handelt. Da jedoch die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse weniger effizient ist und weniger Biomasse zur Verfügung steht, wird der Anteil der Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien an der Gesamtmenge des erzeugten Wasserstoffs größer sein.
Eine Zukunft ohne CO2-Emissionen
Was bedeuten diese Entwicklungen für die gesamten CO2-Emissionen in Europa in den kommenden Jahrzehnten? Das bleibt natürlich abzuwarten, aber die Prognosen sind optimistisch. Nach Angaben von SINTEF könnte die Verwendung von sauberem Wasserstoff bis 2050 zu einer Verringerung von mehr als 800 Mio. Tonnen CO2 pro Jahr führen. Dies entspricht 19 % der derzeitigen Treibhausgasemissionen.
Diese erhebliche Verringerung der CO2-Emissionen wird das erwartete Wachstum der grünen Wasserstoffproduktion erfordern. Es ist sogar eine Verzehnfachung des derzeitigen Marktvolumens erforderlich, wobei die Produktion vollständig nachhaltig sein muss.
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