Die Farben des Wasserstoffs

Er selbst ist farblos, aber wir geben ihm Farbwerte mit großer Bedeutung

TEXT: NATHALIE JASMIN KOCH
vom 26.10.2022

Wasserstoff ist das simpelste und häufigste Element im Universum. Viele Expert* innen betrachten ihn als Schlüssel zur Klimaneutralität. Ein flexibler Energieträger, kann er als Brenn-und Treibstoff verwendet werden und erzeugt dabei als Abfallprodukt lediglich Wasser.

Jules Verne prophezeite bereits Ende des 19. Jahrhunderts in einem seiner Romane die Zukunftsfähigkeit von Wasserstoffenergie: "Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist." Die Vision einer Energiewirtschaft auf Wasserstoffbasis existiert seit mehr als hundert Jahren.

Wasserstoff herzustellen ist recht aufwendig und von hohen Energieverlusten begleitet. Dies macht ihn zu einem vergleichsweise teuren Energieträger und bislang nicht wettbewerbsfähig. Im Zuge der Klimakrise gewinnen Technologien zur Dekarbonisierung des Energiesektors jedoch zunehmend an Relevanz.

Wasserstoff als der Schlüssel der Energiewende?

"Um die Klimaneutralität 2040 zu erreichen, spielt Wasserstoff eine ganz entscheidende Rolle", sagt Michaela Leonhardt, Leiterin der Abteilung für erneuerbaren Wasserstoff bei Wien Energie. "Wasserstoff kann in verschiedenen Prozessen, auch aus erneuerbaren Energien, gewonnen werden und als Antriebsenergie ebenso wie als Energiespeicher etwa zur saisonalen Übertragung von Sonnen-und Windstrom in dunkleren oder windschwächeren Monaten eingesetzt werden."

Auch Alexey Cherevan sieht in Wasserstoff ein Schlüsselelement zur Energiewende. Er forscht in der Abteilung für molekulare Materialchemie der TU Wien unter der Leitung von Dominik Eder mit seinem Team an Alternativen zur herkömmlichen Wasserstoffherstellung.

"Wenn wir von fossilen Brennstoffen wegkommen wollen, ist Wasserstoff die attraktivste Variante. Wir haben die Infrastruktur dafür. Wasserstoff liegt also als der nächste Treib-und Brennstoff nahe. Doch wo kommt er her?"

Wasserstoff selbst ist keine Energiequelle. Er kommt auf der Erde überwiegend in Form von Wasser, aber auch in Erdöl und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen gebunden vor. Als sekundärer Träger kann er Energie speichern oder ihren Transport ermöglichen. Um ihn als Energieträger verfügbar zu machen, muss er zunächst aus solchen Rohstoffen hergestellt werden - nicht immer klimafreundlich, denn Wasserstoff gibt es in vielen "Farben".

Die unterschiedlichen Nuancen beschreiben allerdings nicht das farblose Gas selbst, sondern geben Aufschluss über seinen Herstellungsprozess. "Grüner Wasserstoff" wird komplett emissionsfrei durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt. Dabei wird Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen in seine zwei Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt.

Neben "grünem Wasserstoff" gibt es auch "grauen" aus fossilen Brennstoffen, der CO2 als Abfallprodukt abgibt. Aktuell werden etwa 95 Prozent des europäischen Wasserstoffs aus fossilen Energieträgern erzeugt, zum Großteil wird er in der chemischen Industrie verwendet.

Grund für die vorwiegende Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen ist vor allem der Preis. "Grüner Wasserstoff" war lange mehr als doppelt so teuer wie "grauer". Die Auswirkungen des Ukraine-Kriegs verursachten heuer allerdings einen derartigen Anstieg der Erdgaspreise, dass "grüner Wasserstoff" zum ersten Mal wettbewerbsfähig wurde.

Noch sind die Produktionskapazitäten von "grünem Wasserstoff" infolge geringer Verfügbarkeit von "grünem Strom" begrenzt. Der Bedarf an "grünem Wasserstoff" sollte jedoch stark steigen, kommt ihm doch nicht nur als Energieträger, sondern auch zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse eine zentrale Rolle zu.

Laut Leonhardt ist bereits im nächsten Jahrzehnt mit einem großen Anstieg zu rechnen: "Wir gehen davon aus, dass Wasserstoff spätestens in der 2030er-Jahren bei Menge und Preis massentauglich wird. Es hängt stark davon ab, wie schnell uns auch der weitere Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung gelingt. Kurzfristig wird Wasserstoff wohl in erster Linie im Mobilitäts-und Industriebereich zum Einsatz kommen. Langfristig wird Wasserstoff über Power-to-Gas und das Gasnetz als ausreichend verfügbarer Langzeitspeicher für erneuerbare Stromüberschüsse eine wichtige Rolle spielen."

Herstellung von Wasserstoff unabhängig von limitierten Ressourcen

Weltweit loten Forschungsprojekte auch Möglichkeiten der Wasserstoffherstellung aus, die gänzlich ohne Strom auskommen. Auch an der TU Wien wird an alternativen Methoden der Wasserstoffherstellung geforscht. Alexey Cherevan erklärt, wie Wasserstoff mit bestimmten Katalysatoren aus Sonnenlichtenergie hergestellt werden kann: "Was wir machen, ist die sogenannte fotokatalytische Wasserspaltung. Das bedeutet, wir möchten Wasserstoff in einem nur einstufigen Prozess aus Wasser produzieren. Als Materialchemiker entwickeln wir Katalysatoren, die genau das erlauben. Unsere Materialien heißen Fotokatalysatoren und müssen zweierlei können. Licht absorbieren wie eine Fotovoltaikanlage. Und den Prozess der Wasserspaltung zur Wasserstoffproduktion beschleunigen, also katalysieren. Die Idee ist, beide Aspekte in einem Material zu kombinieren. Es gibt dabei mehrere Probleme und Limitierungen, aber es ist möglich."

Der Nachteil einer fotokatalytischen Wasserspaltung ist die relativ geringe Effizienz im Vergleich zur Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse aus "grünem Strom". Dafür werden zur Fotokatalyse weder eine große Infrastruktur noch teure Materialen benötigt. Ihre Unabhängigkeit von der "grünen Stromproduktion" ist ein großer Vorteil, und sie bietet die Hoffnung, die Wasserstoffproduktion künftig sehr günstig zu machen.

Die Fotokatalyse soll die Elektrolyse nicht vollständig ersetzen, sondern ergänzen: "Künftig werden alle Technologien zur Wasserstoffherstellung parallel arbeiten. Unser Prozess läuft noch im Labor. Aber die Perspektive ist sehr langfristig, das muss man auch verstehen." Wann genau die Fotokatalyse marktreif sein wird, ist momentan schwer abzuschätzen. Wenn es so weit ist, könnten dafür Anlagen, ähnlich wie Solarparks, angelegt werden, um an Ort und Stelle Wasser zu spalten. Dafür bräuchte es Module, in denen ein Fotokatalysator unter einer Schicht von langsam fließendem Wasser platziert wird. Das Sonnenlicht liefert die für die Wasserspaltung benötigte Energie. Der so entstehende Wasserstoff würde als Gas aus dem Wasser in eine obere Schicht des Moduls aufsteigen und könnte dort gesammelt werden.

"Diese Anlagen können, wie Solarzellen, klein oder groß sein, man kann sie separat vom Netz verwenden, etwa in einer Wüste, wo es sonst nichts gibt. Dann kann man lokal Wasserstoff produzieren und direkt verwenden, als Brennstoff oder Treibstoff."

Wasserstofftechnologie braucht gesetzliche Rahmen und Förderung "Grüner Wasserstoff" ist nur limitiert verfügbar. Leonhardt betont, dass deshalb genau überlegt werden muss, in welchen Bereichen sein Einsatz sinnvoll ist: "Aus unserer Sicht ist Wasserstoff bzw. ,grünes Gas' zu wertvoll für Raumwärme oder Individualverkehr. Wir sehen den Einsatz bei Bussen, in der Schwerlastmobilität und zur Dekarbonisierung der Industrie. Seit Ende 2021 ist unsere erste Wasserstofftankstelle in Betrieb, bei dem die ersten Wasserstoffbusse der Wiener Linien und demnächst die ersten Speditions-und Logistikkunden tanken. Wir errichten noch heuer unsere erste eigene Elektrolyseanlage, die ,grünen Wasserstoff' aus Wien für Wien produzieren wird. Am Standort Simmeringer Haide erforschen wir mit dem Projekt Waste-to-Value, wie man aus Abfall Biodiesel oder eben auch Wasserstoff gewinnen kann. Die Wasserstofftechnologie ist schon lange bereit für den Einsatz. Was es braucht, um Projekte von der Powerpoint-Folie in die Umsetzung zu bringen, sind schnellere Entscheidungen bei gesetzlichen Rahmenbedingungen und Investitionsförderungen. Die österreichische Wasserstoffstrategie ist der erste Pfeiler, aber es braucht noch mehr."

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