Was ist Wasserstoff und wie umweltfreundlich ist er?

Afrikanische Wirtschaftsführer und Politiker setzen auf Wasserstoff als Energieträger, um die "grüne industrielle Revolution" des Kontinents voranzutreiben. Bis Donnerstag findet in Namibia der erste große Wasserstoffgipfel statt. Dazu werden über 2000 Teilnehmer erwartet. Das Gas soll eine wichtige Schlüsselrolle in der zukünftigen Energiewirtschaft einnehmen, beim globalen Ausstieg aus Kohle, Öl und Erdgas.

Der dreitägige Gipfel in Windhoek bringt Investoren und Projektentwickler aus ganz Afrika und weltweit zusammen, um die Investitionen in die Erzeugung von grünem Wasserstoff anzukurbeln. Vor allem Europa hat das Produktionspotenzial des Kontinents im Blick. Aber wie gut ist Wasserstoff als Klimalösung wirklich?

Was ist Wasserstoff und wie viel Energie steckt drin?

Wasserstoff (H) ist das häufigste Element im Universum. Das Gas ist farblos, geruchlos, ungiftig, leicht entflammbar und deshalb auch hochexplosiv. Seit dem Brand des mit Wasserstoff betriebenen Luftschiffs Hindenburg im Jahr 1937 ist diese Gefahr weltweit bekannt.

Doch trotz dieses Unfalls wird Wasserstoff in der chemischen Industrie seit Jahrzehnten sicher produziert und eingesetzt. Das Gas wird bisher vor allem zum Raffinieren von Öl genutzt und für die Herstellung von Kunststoffen, Stahl und Dünger verwendet.

In Wasserstoff steckt sehr viel nutzbare Energie. Ein Kilogramm verflüssigter Wasserstoff enthält 2,4 mal mehr Energie als die gleiche Menge verflüssigtes Erdgas, fast dreimal mehr als Benzin und etwa viermal mehr als ein Kilo Steinkohle.

Ist Wasserstoff eine saubere Energie?

Als Antriebsmittel kann Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor oder einer Turbine sehr sauber verbrannt werden. Dabei entstehen neben Elektrizität und Wärme keinerlei Abgase, nur Wasser. Eine Brennstoffzelle kann mit Wasserstoff Strom produzieren.

Allerdings ist Wasserstoff (H) in der Natur meist mit anderen Elementen verbunden, am häufigsten gebunden mit mit Sauerstoff (O) im Wasser (H₂O). Und um daraus oder aus anderen Verbindungen reinen Wasserstoff zu gewinnen, braucht es Energie. Dafür gibt es zahlreiche Methoden.

Bisher sind diese Prozesse aber zumeist sehr umweltschädlich. Die weltweite Wasserstoffproduktion erzeugt derzeit rund 2,2 Prozent der globalen Treibhausgase. 

Grau, blau, pink und grün: Wie wird Wasserstoff hergestellt?

Wasserstoff ist zwar ein farbloses Gas. Zur Unterscheidung wird er in der Industrie aber je nach Produktionsmethode mit verschiedenen Farben bezeichnet. 

Der meiste derzeit produzierte ist sogenannter grauer Wasserstoff. Dieser Produktionsprozess wird Dampfreformierung genannt, dabei reagieren Erdgas (CH₄) und Wasser (H₂O) bei hoher Temperatur und Druck miteinander. So entstehen Wasserstoff (H) und Kohlenstoffdioxyd (CO₂). Bei der Herstellung von einer Tonne Wasserstoff werden mit dieser Methode gleichzeitig rund zehn Tonnen klimaschädliches CO₂ freigesetzt.

Noch umweltschädlicher sind schwarzer und brauner Wasserstoff. Dabei werden Steinkohle oder Braunkohle vergast. Neben CO₂ und Wasserstoff entsteht dabei zusätzlich das giftige Gas Kohlenmonoxid (CO).

Rund 95 Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs sind bisher grauer, schwarzer und brauner Wasserstoff. Dieser wird vor allem für die Herstellung von Ölprodukten wie Benzin, Diesel und Kerosin sowie beim Produzieren von Düngemitteln gebraucht. 

Blauer Wasserstoff ist etwas klimafreundlicher, aber nicht klimaneutral. Er wird, wie auch der graue Wasserstoff, aus Erdgas produziert. Doch beim blauen Wasserstoff wird während der Produktion 80 bis 90 Prozent des entstehenden CO₂ aufgefangen. Es kann in alte Bohrlöcher von Erdöl oder Erdgas verpresst werden (CCS). Bisher gibt es jedoch nur wenige Pilotanlagen zur Herstellung von blauem Wasserstoff. 

Eine andere Technik ist die Wasserstoffgewinnung aus Wasser (H₂O). Bei der sogenannten Elektrolyse wird Strom in Wasser eingeleitet und es entstehen Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O).

Als gelb wird Wasserstoff bezeichnet, wenn der Strom für die Elektrolyse aus einem Energiemix aus erneuerbaren und fossilen Energieträgern verwendet wird; als rosa Wasserstoff, wenn der Strom aus einem Atomkraftwerk kommt. Doch diese Methoden werden bisher wenig genutzt, ebenso wie die Herstellung von türkisem Wasserstoff. Dabei wird das Methan (CH₄) im Erdgas in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. 

Wenn für die Elektrolyse nur erneuerbarer Strom verwendet wird, wird der so erzeugte Wasserstoff grün genannt. Es ist die einzige Methode, bei der keine Treibhausgase entstehen. Bislang liegt der Anteil von grünem Wasserstoff noch unter einem Prozent der weltweiten Wasserstoffproduktion.

Warum gibt es bisher so wenig grünen Wasserstoff?

Höhere Kosten, fehlende Infrastruktur und zu wenig erneuerbare Energien sind die Hindernisse auf dem Weg zum grünen Wasserstoff. Darum ist grüner Wasserstoff derzeit mehr als doppelt so teuer wie Wasserstoff, der aus Erdgas hergestellt wird. Um den  Wasserstoffsektor so aufzubauen, dass er 15 bis 20 Prozent des weltweiten Energiebedarfs decken kann, müssten nach einer Rechnung der internationalen Denkfabrik Energy Transitions Commission bis zum Jahr 2050 15 Billionen Dollar (13,5 Billionen Euro) investiert werden.

Die Preise für grünen Strom und für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse sinken schon. Gleichzeitig steigen die Abgaben für den Ausstoß von CO₂. Das wird die Kostenunterschiede in den kommenden Jahren verändern.

Die Internationale Energieagentur (IEA) geht in ihrem Wasserstoffbericht davon aus, dass der Ausbau erneuerbarer Energien in Regionen mit reichlich Sonne und Wind wie Indien, dem Nahen Osten und Afrika den Anteil von grünem Wasserstoff deutlich erhöhen wird. Damit sinken auch die Kosten.

Der Wasserstoff muss auch weltweit verteilt werden, und der Transport in großen Mengen ist nicht einfach. Das Gas kann zwar in Pipelines, Lastern oder Frachtschiffen transportiert werden. Doch es muss in speziellen Druckbehältern gelagert werden. Um es zu verflüssigen, muss es auf Minus 253 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Möglich ist aber auch, Wasserstoff in Ammoniak (NH₃), zu verschiffen, das viel einfacher zu transportieren ist.  

Für den Handel mit grünem Wasserstoff soll nun eine weltweite Infrastruktur aufgebaut werden. Deutschland und andere Länder wollen im nächsten Jahrzehnt massiv in diesen Bereich investieren und die Produktion ausweiten, um Wasserstoff zu einer tragfähigen Alternative zu fossilen Brennstoffen zu machen.

Adaptiert aus dem Englischen von Gero Rueter.

Redaktion: Jennifer Collins