Energietechnik Wasserstoffproduktion: So wird Wasserstoff hergestellt

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Wasserstoff kann auf unterschiedliche Arten hergestellt werden. Hier finden Sie einen Überblick über die Produktionsverfahren.

Wasserstoff soll im Rahmen der Energiewende eine tragende Rolle spielen. Wasserstoff wird heute schon in großen Mengen hergestellt (etwa 500 Mrd. m³ weltweit). Dazu werden unterschiedliche Verfahren genutzt. Hier finden Sie eine Auflistung und Erklärung der verschiedenen Methoden zur Wasserstoffproduktion.

Wasserstoffproduktion durch Dampfreformierung

Die aktuell ergiebigsten Wasserstoffquellen sind chemische Produktionsverfahren, die auf fossiler Energie basieren.

Die Dampfreformierung ist ein weit verbreitetes industrielles Verfahren zur Wasserstoffproduktion. Dabei reagieren Kohlenwasserstoffe, vorwiegend Erdgas, mit Wasserdampf bei etwa 850 °C und Drücken zwischen 20 und 50 bar zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Durch adsorptive Trennung werden die beiden Stoffe dann separiert. Bei diesem Prozess entsteht auch brennbares Restgas. Das kann zur Erhitzung der Ausgangsstoffe für die Reaktion genutzt werden. Außerdem wird bei der Reaktion Kohlendioxid frei.

Als Basis für diesen Herstellungsprozess kann auch Kohle dienen. Kohle wird dazu fein zerstäubt und mit Wasser gemischt. Dieses Gemisch wird mit Sauerstoff zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt. Daraus kann dann mittels der Dampfreformierung auch Wasserstoff synthetisiert werden.

Als Basis für die Dampfreformierung dienen fossile Stoffe. Diese Art der Wasserstoffproduktion müsste bei zunehmenden Nachhaltigkeitsbemühungen immer mehr durch andere Verfahren ersetzt werden.

Wasserstoffproduktion mit Biomasse

Wasserstoff kann auch aus Biomasse gewonnen werden. Dabei werden Stoffe wie Gras, Stroh oder biologischer Abfall vergast. Das dabei entstehende Gasgemisch kann per Dampfreformierung zu Wasserstoff umgesetzt werden. Bei diesem Prozess entstehen auch Restgase. Sie können zum Beispiel in einer Gasturbine zur Stromerzeugung genutzt werden.

Es gibt zudem die Möglichkeit, Wasserstoff direkt biologisch zu erzeugen. Bei der Photosynthese und der Fermentation wird das Gas von Algen und Mikroorganismen erzeugt.

Diese beiden Arten der Wasserstoffproduktion sind allerdings noch nicht auf dem Niveau, dass mit ihnen industrielle Mengen des Gases hergestellt werden können.

Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse

Dieses Verfahren könnte die Dampfreformierung bei der Wasserstoffproduktion ablösen. Bei der Wasserelektrolyse wird elektrischer Strom genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff wandert zum negativ geladenen Pol, der Sauerstoff zum positiv geladenen. Bei der Elektrolyse ist die Anode positiv geladen und die Kathode negativ.

Es gibt zwei Arten der Wasserelektrolyse: Bei der alkalischen Elektrolyse wird Kalilauge (eine Lösung aus Wasser und Kaliumhydroxid) als Elektrolyt verwendet. Der Anoden- und der Kathodenraum sind durch ein poröses Diaphragma getrennt, damit sich die entstehenden Gase nicht vermischen. Bei diesem Produktionsverfahren kommt man auf einen Wirkungsgrad von bis zu 70 Prozent.

Bei der Proton-Exchange-Membrane-(PEM-)Elektrolyse dient eine protonenleitende Membran als Elektrolyt. Dieses Verfahren hat einen Wirkungsgrad von etwa 50 Prozent.

Wenn der Strom für die Elektrolyseure aus erneuerbaren Quellen kommt, kann der erzeugte Wasserstoff als „grün“ eingestuft werden.

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Die Farben der Wasserstoffproduktion

Neben grünem Wasserstoff gibt es noch andere Farbcodierungen. Bei der Wasserstoffproduktion spielt die „Farbe“ eine Rolle. Das Gas selbst ist zwar farblos, aber unterschiedliche Herstellungsweisen werden mit verschiedenen Farben bezeichnet

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich mit erneuerbarer Energie hergestellt. Mit dem grünen Strom werden beispielsweise Elektrolyseure angetrieben. Neben der Elektrolyse können auch Verfahren wie die Vergasung oder Vergärung von Biomasse oder die Reformierung von Biogas eingesetzt werden. Sie alle sind CO₂-neutral. Nur beim Bau der Anlagen werden Emissionen verursacht. Der Nachteil von grünem Wasserstoff ist, dass die Herstellungskosten dafür noch relativ hoch sind.

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Grauer Wasserstoff

Grauer Wasserstoff wird mit fossilen Energieträgern hergestellt. Ein gängiges Verfahren ist dabei die Dampfreformierung. Wenn für die Elektrolyse kein grüner, sondern normaler Strom verwendet wird, spricht man auch von grauem Wasserstoff. In Deutschland wird beispielsweise noch über die Hälfte des Stroms aus nicht erneuerbaren Quellen bezogen. Elektrolyseure, die aus dem konventionellen Stromnetz gespeist werden, sind also nicht klimaneutral. Grauer Wasserstoff ist momentan noch billiger in der Herstellung als grüner und besser verfügbar.

Blauer Wasserstoff

Von blauem Wasserstoff spricht man, wenn bei der Herstellung zwar CO₂ ausgestoßen, dieses dann aber gespeichert oder genutzt wird. Das Kohlendioxid kann zum Beispiel unterirdisch gelagert werden. Für manche Anwendungen in der Industrie braucht man auch CO₂, dafür könnte es verwendet werden. Diese Herstellungsweise wird teilweise als klimaneutral bezeichnet. Es werden zwar Emissionen freigesetzt, aber sie werden gespeichert. Rein rechnerisch kommt man so wieder auf null. Allerdings sind Langzeitauswirkungen der Speicherung noch unbekannt.

Türkiser Wasserstoff

Bei türkisem Wasserstoff wird über ein thermochemisches Verfahren Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff aufgespalten. Bleibt der Kohlenstoff gebunden oder wird weiterverwendet und werden die Hochöfen für das Verfahren selbst mit erneuerbaren Energien betrieben, ist es rein rechnerisch auch klimaneutral. Allerdings entstehen bei der Förderung des Ausgangsmaterials Methan meistens auch Emissionen.

Weiß, gelb, rot, braun

Neben den vier gängigen Farben sind auch noch andere Bezeichnungen im Umlauf. Werden Elektrolyseure mit Atomstrom betrieben, spricht man manchmal von rotem, rosa oder violettem Wasserstoff. Wird Wasserstoff mit einem Energiemix (erneuerbar und fossil) hergestellt, kann von gelbem Wasserstoff die Rede sein. Gelb wird aber auch teilweise als Farbcode für Wasserstoff aus Atomstrom benutzt. Es gibt zudem weißen Wasserstoff. Davon ist die Rede, wenn das Gas als Abfallprodukt von chemischen Verfahren anfällt. Brauner Wasserstoff entsteht aus der Vergasung von Kohle.

Wasserstoff soll, wie anfangs erwähnt, ein wichtiger Energieträger bei der Energiewende und der Dekarbonisierung der Industrie werden. Um das zu gewährleisten, muss die Wasserstoffproduktion selbst auch klimaneutral sein. Grüne Herstellungsverfahren müssen weiter erforscht und ausgebaut werden. Vor allem die Produktion von grauem Wasserstoff wird in diesem Zug zurückgefahren werden.

Quellen

https://www.ewe.com/de/konzern/zukunft-gestalten/wasserstoff/die-farben-des-wasserstoffs

https://emcel.com/de/farben-von-wasserstoff/

https://www.solarify.eu/2020/03/18/wasserstoff-farbenlehre/

https://www.bmbf.de/de/eine-kleine-wasserstoff-farbenlehre-10879.html

https://www.tuvsud.com/de-de/indust-re/wasserstoff-brennstoffzellen-info/wasserstoff/herstellung-von-wasserstoff

https://www.bdew.de/energie/wasserstoff/flexible-herstellung-was-ist-wasserstoff-und-wie-wird-er-erzeugt/

https://orsted.de/gruene-energie/gruener-wasserstoff/methoden

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