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Mehr als einfach nur Strom: Wie aus Windenergie grünes Gas wird

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Diese Busse des ÖPNV nutzen bereits Wasserstoff als Antriebsenergie. © EnergieAgentur.NRW

| Kira Crome |

Die Wasserstofftechnologie ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Wird das Gas aus erneuerbaren Energien hergestellt, spricht man von grünem Wasserstoff. Er macht nicht nur Windstrom speicherbar. Im Verkehrssektor oder in energieintensiven Industrien eingesetzt, mindert der umweltfreundlich produzierte Energieträger den CO2-Ausstoß und bringt den Klimaschutz voran. Die Bundesregierung und die EU will Wasserstoffprojekte jetzt fördern.

Er ist ungiftig, das leichteste aller Elemente, einfach speicherbar und enthält pro Kilogramm fast dreimal so viel Energie wie Benzin oder Diesel: Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine zentrale Rolle spielen. Reagiert das Gas beispielsweise in einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus der Luft, wird Strom erzeugt. Dabei entsteht lediglich reines Wasser, genauer Wasserdampf. Als Antriebsenergie in Fahrzeugen eingesetzt, ist Wasserstoff ein zweiter Baustein neben Batterien, um die Mobilität klimafreundlicher zu gestalten. Schon jetzt gehören zur Nahverkehrsflotte in Hürth bei Köln sieben Wasserstoff-basierte Brennstoffzellenbusse, weitere Modelle sind bestellt. Der Wasserstoff kommt aus dem nahen Chemiepark. Dort fällt es bei der Chlorproduktion ab und würde sonst verbrannt. Auch die Wuppertaler Verkehrsbetriebe setzen auf den CO2-freien Antrieb. Der eingesetzte Wasserstoff für die zehn neuen Brennstoffzellenbusse wird in Wuppertal produziert. Damit das ohne zusätzlichem Energieaufwand funktioniert, kommt der Strom für die Wasserstoffgewinnung als Nebenprodukt vom örtlichen Müllheizkraftwerk.

Was Antriebe emissionsfrei macht, könnte auch in energieintensiven Industrien zum Einsatz kommen und dort die Energieverwendung klimafreundlicher gestalten. Ganz so einfach ist das allerdings nicht. Denn Wasserstoff kommt als Gas nicht in reiner Form in der Natur vor, sondern steckt ausschließlich in chemischen Verbindungen wie Wasser oder Erdgas. Diese müssen erst aufgespalten werden, um Wasserstoff gewinnen zu können. Dieser Prozess ist wiederum energieaufwändig.

Grauer Wasserstoff belastet das Klima
Bislang wird Wasserstoff vor allem aus Erdgas hergestellt. Das Verfahren ist bewährte Technologie, über 90 Prozent des weltweit verbrauchten Wasserstoffs werden so hergestellt. Bei der Herstellung wird der Kohlenstoffanteil des Erdgases freigesetzt und als CO2 emittiert. Sogenannter grauer Wasserstoff ist also nicht nachhaltig und wird als Energieträger nur in kleinen Nischen in der Chemie- und Metallindustrie, als Kühlmittel oder zur Herstellung von Dünger verwendet. Die Klimabilanz des aus Erdgas hergestellten Wasserstoffs verbessert sich, wenn das freigesetzte CO2 abgefangen und unterirdisch gelagert wird. Dann spricht man von blauem Wasserstoff. Weil aber das Verfahren der CO2-Speicherung im Boden (Carbon-Capture-and-Storage, CSS) umstritten ist, wird es in Deutschland nur zu Forschungszwecken zugelassen und streng überwacht.

CO2-frei wird Wasserstoff erst mit erneuerbarem Strom
Zum Baustein für die Energiewende wird Wasserstoff erst dann, wenn er per Elektrolyse hergestellt wird und der dafür notwendige Strom aus erneuerbaren Energien stammt. Sogenannte Elektrolyseure spalten Wasser mit Hilfe der Elektrizität in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Damit entsteht „grüner“, also CO2-freier Wasserstoff. Das Verfahren, das im industriellen Maßstab angewendet wird, ist eine der Power-to-X-Technologien, bei der Strom („Power“) zu einer anderen Energieform „X“, in diesem Fall zu Gas, gewandelt wird. Konkret: Power-to-Gas oder Power-to-H2.

Für die Energiewende ist diese Wasserstoff-Technologie eine wesentliche Triebfeder: Sie wird zur Sektorkopplung. Das heißt, sie wird zu einer Brücke, um erneuerbar erzeugten Strom nicht nur zur Stromversorgung, sondern auch in anderen Sektoren nutzbar zu machen. Ersetzt „grüner“ Wasserstoff nach und nach bislang im Verkehrsbereich und in der Industrie vorrangig genutzte fossile Energieträger, wird die Energiewende auch zur Verkehrs- und Wärmewende.

Windstrom als grünes Gas speichern
Die Wasserstoff-Technologie hat für die Windenergienutzung einen Vorteil: Sie macht sie speicherbar. Wenn Windparks eine zunehmende Rolle bei der Stromerzeugung spielen, wird das Angebot bei guten Windverhältnissen die Nachfrage weit übersteigen. Um die Netze stabil zu halten, müssten Windenergieanlagen dann abgeschaltet werden. Mit der Sektorkopplung könnte das im Energiesystem der Zukunft vermieden werden. Überschüssiger Windstrom, der an windreichen Tagen den Verbrauch übersteigt und nicht abgenommen werden kann, wird dann dem Netz entnommen und in grünen Wasserstoff umgewandelt gespeichert.

Eine solche Pilotanlage steht beispielsweise im münsterländischen Ibbenbüren. Sie kann nicht nur Windstrom in Wasserstoff wandeln und als Gas im lokalen Erdgasnetz speichern, sondern bei Bedarf in einem Blockheizkraftwerk wieder zu Strom zurückwandeln. Noch arbeiten Forschung und Entwicklung an der technischen Effizienz. Denn immer, wenn Energie gewandelt wird, geht durch diesen Prozess ein kleiner Teil davon verloren. Bei einem Elektrolyse-Wirkungsgrad von rund 70 Prozent ist nach einer anschließenden Rückverstromung schon rund die Hälfte der Energie verloren, sagen Fachleute. Ein größeres Hindernis sei zudem der fehlende regulatorische Rahmen für diesen Anwendungsfall, um Anlagen dieser Art wirtschaftlich betreiben zu können.

Nationale Wasserstoffstrategie verabschiedet
Noch ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Windstrom teuer und die Mengen der Wasserstoffherstellung überschaubar. Um fossile Brennstoffe in energieintensiven Industrien nach und nach abzulösen, muss in die Umstellung industrieller Produktionsprozesse auf wasserstoffbasierte Anlagen viel investiert werden. Die Power-to-Gas-Technologien sollen künftig vorangetrieben und die Herstellungskapazitäten für Wasserstoff steigen. Deshalb hat die Bundesregierung jüngst die Nationale Wasserstoffstrategie verabschiedet. In einem ersten Schritt sollen in den nächsten zehn Jahren Erzeugungsanlagen für Wasserstoff mit bis zu fünf Gigawatt Gesamtleistung entstehen. Das entspricht ungefähr zwei Dritteln der Leistung aller in Deutschland noch laufenden Kernkraftwerke. Bis zum Jahr 2040 soll sich das Volumen auf zehn Gigawatt verdoppeln. Die Landesregierung von Nordrhein-Westfalen hat bereits im vergangen Jahr eine Wasserstoffstudie veröffentlicht. Zielsetzung der Studie ist die genaue Untersuchung der Faktoren, die eine Nutzung der ökonomischen und klimarelevanten Potenziale von Wasserstoff in Nordrhein-Westfalen und in Deutschland bedingen. Unterstützt wird die Studie vom Netzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff, Elektromobilität der EnergieAgentur.NRW. Ende dieses Jahres wird die Wasserstoffroadmap die Strategie in NRW umsetzen.

Weil die Wasserstoffproduktion viel Energie benötigt, sollen die Mengen, die aus erneuerbaren Energien und konventionellen Kraftwerken nicht geliefert werden können, importiert werden. Unterdessen arbeiten auch Forscher des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin (HBZ) an einer Alternative: In speziellen Photovoltaikzellen soll Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umgewandelt werden. Dafür experimentieren sie mit Halbleitermaterialien, die gleichzeitig Licht absorbieren und Wasser spalten können. Noch aber ist das Zukunftsmusik.