Fragen und Antworten

Wasserstoff, ein farb- und geruchloses Gas, kommt bei Raumtemperatur und unter Normaldruck gasförmig vor. Meist findet man ihn als Molekül aus zwei Wasserstoffatomen (H2) und nicht als einzelnes Atom. Er ist ein zentraler Bestandteil von Wasser und fast allen organischen Verbindungen und kann auf verschiedene Weisen hergestellt werden.

Dieses Gas reagiert leicht, besonders mit Sauerstoff, wobei Wasser (H2O) entsteht. Unter bestimmten Umständen bildet Wasserstoff mit Stickstoff Ammoniak (NH3) oder mit Kohlenstoff Methan (CH4). Sein hoher Energiegehalt wird in Brennstoffzellen genutzt, um Elektrizität zu erzeugen.

Wasserstoff ist relevant für die Energiewende und den Klimaschutz. Als sauberer Brennstoff produziert er bei Verbrennung oder Nutzung in Brennstoffzellen keine Kohlenstoffemissionen, sondern nur Wasser. Daher gilt er als Schlüsselelement für eine umweltfreundliche Energieversorgung, insbesondere als „grüner Wasserstoff“, der mittels erneuerbarer Energien hergestellt wird.

Die Umweltverträglichkeit von Wasserstoff hängt von seiner Gewinnung ab. Laut EU-Taxonomie gelten Wasserstofftypen (grün, blau, türkis) als CO2-arm, wenn sie weniger als 90 g CO2 pro kWh bzw. 3t CO2 pro Tonne Wasserstoff ausstoßen. Dieser Wert berücksichtigt die gesamte Produktionskette und erfordert Nachweise der Produzenten.

Wasserstoff wird gemäß der „Farbenlehre“ klassifiziert:

Grüner Wasserstoff: Hier wird Wasser mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Für die Klassifizierung als grüner Wasserstoff muss nachgewiesen werden, dass der verwendete Strom aus erneuerbaren oder anderen CO2-armen Quellen stammt (EU-Verordnung 2023/1184).

Blauer Wasserstoff: Wird aus fossilen Brennstoffen, meist durch Umwandlung von Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO2, hergestellt. Das CO2 wird im Sinne der Klimaneutralität gespeichert, was die Produktion bilanziell CO2-neutral macht. Ohne Speicherung entstehen bei der Produktion von grauem Wasserstoff 6 bis 10 Tonnen CO2 pro Tonne.

Türkiser Wasserstoff: Entsteht aus Methan, das durch Hitze in festen Kohlenstoff und Wasserstoff gespalten wird (Pyrolyse). Dieses Verfahren ist nur CO2-neutral, wenn der Reaktor mit erneuerbaren Energien betrieben wird und der feste Kohlenstoff nicht energetisch genutzt wird. Bei der Herstellung von türkisem Wasserstoff entstehen 7 bis 18 Tonnen CO2 pro Tonne.

Grauer Wasserstoff: Ähnlich wie blauer Wasserstoff wird grauer Wasserstoff durch Dampfreformierung aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Das dabei entstehende CO2 wird in die Atmosphäre abgegeben, was den Treibhauseffekt verstärkt: Pro Tonne grauem Wasserstoff entstehen 14 bis 17 Tonnen CO2.

Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen spezifische Rohstoffe, die in herkömmlichen Verbrennungsfahrzeugen nicht verwendet werden. Für den Elektromotor sind Seltene Erden nötig. Obwohl die kleineren Batteriesysteme in Brennstoffzellenfahrzeugen auch Lithium und Kobalt erfordern, ist der Bedarf deutlich geringer als bei batterieelektrischen Autos. Zudem wird für die Brennstoffzelle Platin benötigt, dessen Bedarf mittlerweile dem eines Dieselkatalysators entspricht, dank technologischer Fortschritte.

Bei einer vermehrten Nutzung von Brennstoffzellen müsste die Produktionskapazität erhöht werden. Trotz ausreichender Platinreserven bestehen Versorgungsrisiken aufgrund der geografischen Konzentration der Platinvorkommen in Südafrika und Russland, sowie hoher Energiebedarf und Umweltrisiken bei der Förderung. Batterieelektrische Fahrzeuge verursachen durch ihre größeren Batteriesysteme ebenfalls erhebliche Umwelt- und soziale Auswirkungen.

Die Herstellung der Wasserstofftanks, meist aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, ist ebenfalls umwelt- und klimarelevant.

Die Umweltwirkungen von Brennstoffzellenfahrzeugen hängen nicht nur von der Herstellung, sondern auch von der Nutzungsphase ab, insbesondere von der Wasserstoffbereitstellung. Obwohl keine schädlichen Abgase am Fahrzeug entstehen, gibt es Umweltwirkungen beim Bau von Wind- oder Solaranlagen und Wasserstoffproduktionsanlagen sowie beim Energietransport. Batterieelektrische Fahrzeuge bieten durch direkte Stromnutzung Vorteile in der Energieeffizienz.

Für eine umfassende Bewertung der Umweltwirkungen ist weitere Forschung nötig, die verschiedene Antriebssysteme ganzheitlich und transparent vergleicht. Neben der Klimawirkung sind auch andere Umweltwirkungen zu berücksichtigen, ebenso wie Entwicklungen in der Fahrzeugherstellung und Kraftstoffbereitstellung.

In Deutschland kostet die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Ressourcen unter 2 €/kg. Dagegen sind die Kosten für elektrolytisch hergestellten Wasserstoff, abhängig von Technologie, Strompreis und Auslastung, deutlich höher.

Mit der großflächigen Nutzung und Produktion von Elektrolyseanlagen ist jedoch zu erwarten, dass sowohl Investitions- als auch Betriebskosten sinken werden. Politische Maßnahmen wie ein CO2-Preis oder die Reduzierung von Abgaben und Steuern für nachhaltig produzierten Wasserstoff können diesen Prozess beschleunigen.

Eine Studie des Hydrogen Councils prognostiziert, dass grüner Wasserstoff bis 2025 wettbewerbsfähig mit kohlenstoffarmem/blauem H2 (1,50 – 2,0 €) sein wird. Bei einem CO2-Zertifikatspreis von 50 €/Tonne CO2 könnte grüner Wasserstoff sogar mit grauem Wasserstoff konkurrieren. Bis 2030 könnte grüner Wasserstoff ohne CO2-Bepreisung zu den gleichen Kosten wie grauer Wasserstoff (1,0 – 1,5 €/kg) produziert werden.

Wasserstoff kann auf verschiedene Arten gespeichert werden:

1. Gasförmige Verdichtung in Drucktanks: Hier wird Wasserstoff unter hohem Druck gasförmig gespeichert.

2. Tiefkalt als Flüssigkeit in isolierten Behältern: Bei sehr niedrigen Temperaturen wird Wasserstoff verflüssigt und in speziellen, isolierten Behältern gelagert.

3. Chemische Bindung: Wasserstoff kann auch chemisch gebunden und als synthetischer Kraftstoff oder LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) gespeichert werden. In dieser Form lässt er sich unter Normalbedingungen in herkömmlichen Tanks für Erdölprodukte lagern.

Für die stationäre Speicherung von gasförmigem und chemisch gebundenem Wasserstoff eignen sich auch bestehende unterirdische Speicher. Dazu gehören Poren- und Salzkavernenspeicher, die derzeit für die Lagerung von Erdgas und Erdöl genutzt werden.

Das Konzept des leitungsgebundenen Gastransports ist für Wasserstoff besonders vorteilhaft, vor allem bei vielen Einspeise- und Entnahmepunkten, langen Distanzen und großen Volumenströmen. Durch die allmähliche Umwidmung vorhandener Erdgasleitungen und den Ausbau neuer Leitungen kann mittelfristig ein eigenständiges Wasserstoff-Fernleitungsnetz neben dem Erdgasnetz etabliert werden. Anfangs wird dem Gasverteilnetz zunehmend mehr Wasserstoff beigemischt, bevor Teilnetze komplett auf 100 % Wasserstoffbetrieb umgestellt werden.

Die Umwandlung von Erdgas- zu Wasserstoffpipelines ist vergleichsweise einfach, schnell und kostengünstig. Ab einer Wasserstoffbeimischung von etwa 5 % müssen allerdings die Kompressoren der Gasleitungen ersetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist, ein kleineres Wasserstoffrohr innerhalb eines bestehenden Erdgasrohrs zu installieren, was Zeit und Kosten spart. So lässt sich 1 – 2 GW Wasserstoff über weite Entfernungen transportieren.

Zusätzlich können bestehende Speichermöglichkeiten wie Salzkavernen oder Porenspeicher für die Lagerung von Wasserstoff genutzt werden.

Die Umstellung auf erneuerbare Energien mit fluktuierender Energieerzeugung macht den Einsatz von Stromspeichern unerlässlich. Für die Speicherung großer Energiemengen über längere Zeiträume eignen sich Wasserstoff und wasserstoffbasierte Speicherlösungen besonders gut, da sie eine unabhängige Skalierung von Leistung und Energiemenge ermöglichen. Chemische Speichersysteme, wie die wasserstoffbasierten, sind besonders kosteneffizient für die Speicherung großer Energiemengen, was sie ideal für saisonale Speicherzwecke macht. In Zeiten von Stromüberschüssen wird Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt und gespeichert. Bei Bedarf an elektrischer Energie kann dieser Wasserstoff in Brennstoffzellen oder Gasturbinen zurück in Strom umgewandelt werden. Die gute Transportfähigkeit von Wasserstoff und seinen Derivaten trägt zudem zur Versorgungssicherheit in einem System bei, das zunehmend auf volatilen Energiequellen basiert.

Aktuell findet Wasserstoff hauptsächlich stoffliche Verwendung in traditionellen Industriebranchen. Die chemische Industrie ist der Hauptverbraucher, hier wird Wasserstoff insbesondere für die Synthese von Ammoniak und Methanol genutzt. In der Petrochemie, also in Raffinerien, wird er zur Verarbeitung konventioneller Kraftstoffe verwendet. Ebenfalls findet Wasserstoff Einsatz in der Lebensmittelchemie, beispielsweise zur Härtung von Ölen und Fetten, was unter anderem bei der Herstellung von Margarine relevant ist. Darüber hinaus wird Wasserstoff in der Glasherstellung sowie als Brenn- oder Schutzgas in der Schweißtechnik und der Wärmebehandlung von Metallen eingesetzt.

Um Deutschlands Klimaziele zu erreichen, muss der Verkehrssektor bis spätestens 2050 treibhausgasneutral sein, mit dem Zwischenziel, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 42 % im Vergleich zu 1990 zu reduzieren. Wasserstoff könnte eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrs spielen. Er kann direkt als Kraftstoff in Fahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen genutzt werden, was ihn zu einem wichtigen Bestandteil der Energiewende im Verkehrssektor macht. Wasserstoff kann sowohl in Verbrennungsmotoren als auch in Brennstoffzellen verwendet werden, wobei letztere bei der Nutzung lokal keine schädlichen Abgase erzeugen.

Der Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellen befindet sich im Bereich der kommerziellen Schifffahrt und Luftfahrt noch in der Entwicklungsphase. Im Pkw-Bereich gibt es bereits Serienproduktionen, allerdings in vergleichsweise geringen Stückzahlen.

Wasserstoff sollte besonders in Bereichen des Verkehrs eingesetzt werden, in denen eine direkte Nutzung

 von erneuerbarem Strom nicht praktikabel ist, vor allem bei hohem Energiebedarf oder großen Reichweiten, wie im Seeverkehr, internationalen Flugverkehr oder im Straßengüterfernverkehr.

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit von Wasserstoff im Verkehrssektor ist die Herstellung synthetischer gasförmiger und flüssiger Kraftstoffe. Hierbei dient Wasserstoff als Zwischenprodukt zur Erzeugung von synthetischem Methan (Power-to-Gas-Methan/⁠PtG⁠-Methan), E-Fuels (Power-to-Liquids/⁠PtL⁠) oder Ammoniak. Diese Anwendungen sind besonders vielversprechend für den Klimaschutz im Luft- und Seeverkehr, wo herkömmliche Elektrifizierung schwierig umzusetzen ist.

Autos können Wasserstoff auf zwei Arten nutzen:

1. Verbrennung in einem Motor: Der mitgeführte Wasserstoff kann direkt in einem Verbrennungsmotor verbrannt werden, ähnlich wie Benzin oder Diesel. Der maximale Wirkungsgrad eines Wasserstoffverbrennungsmotors liegt im Bereich herkömmlicher Verbrennungsmotoren. Bei der Verbrennung entstehen jedoch Stickstoffoxide als Abgas, und minimale Mengen weiterer Schadstoffe können durch Schmieröle ausgestoßen werden.

2. Energetische Wandlung in Brennstoffzellen: Hierbei handelt es sich um eine chemische Reaktion von Wasserstoff (H2) mit Luftsauerstoff (O2) in einer Brennstoffzelle, typischerweise einer PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzelle. Dabei entsteht Wasser oder Wasserdampf (H2O). Brennstoffzellen können Wirkungsgrade von bis zu 60 Prozent erreichen, wobei zusätzliche Verluste durch den Elektromotor, das Getriebe und Stromverluste bei der Herstellung des grünen Wasserstoffs zu berücksichtigen sind.

Brennstoffzellenautos, auch als fuel cell electric vehicles (FCEVs) bekannt, haben meist ein kleineres Batteriesystem als reine Elektrofahrzeuge. Diese Batterie dient zum Puffern von Strom, deckt Lastspitzen ab und ermöglicht die Rekuperation von Bremsenergie. Ein wesentlicher Vorteil von FCEVs ist, dass sie lokal keine schädlichen Abgase ausstoßen und hohe Reichweiten bieten, was eine ähnliche Nutzung wie bei heutigen Verbrennungsfahrzeugen ermöglicht.

Die Speicherung des Wasserstoffs in Fahrzeugen erfolgt entweder tiefkalt flüssig bei -253 Grad Celsius oder häufiger unter hohem Druck (350-700 bar). In Pkw werden meist Tanks für gasförmigen Wasserstoff verwendet, während bei Lkw beide Speichermethoden diskutiert werden.

2.307 (Stand November 2023)

Deutschland hat im Vergleich zu anderen europäischen Ländern eine relativ hohe Anzahl an Wasserstofftankstellen. Aktuell gibt es dort über 90 solcher Tankstellen, und es sind weitere im Bau oder kurz vor der Inbetriebnahme. Der Ausbau dieser Infrastruktur ist Teil der nationalen Umsetzung der europäischen Richtlinie 2014/94/EU, die den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe vorsieht.

Bezüglich der Entwicklung einer Wasserstoffinfrastruktur werden auch Sicherheitsfragen aufgeworfen. In Deutschland wird Wasserstoff bereits seit Jahrzehnten verwendet, und es existiert ein umfangreiches und etabliertes Regelwerk für den sicheren Betrieb von Tankstellen. Dieses Regelwerk wird bei der Genehmigung von Tankstellen angewendet und ist einem kontinuierlichen Aktualisierungs- und Erweiterungsprozess unterworfen, um stets den neuesten Sicherheitsstandards zu entsprechen.

Fahrzeuge mit Brennstoffzellen profitieren in der Tat, wie auch batterieelektrische Fahrzeuge, vom Umweltbonus, einem staatlichen Förderprogramm. Die Höhe der Förderung für diese Fahrzeuge hängt vom Nettolistenpreis des Fahrzeugs ab. Der Umweltbonus soll den Kauf von umweltfreundlicheren Fahrzeugen attraktiver machen und dadurch die Verkehrswende hin zu emissionsärmeren Mobilitätslösungen unterstützen.