Die Entschlüsselung des Wasserstoff-Regenbogens

Wasserstoff-Serie

Im vergangenen Jahr kündigte unser Gründer Bertrand Piccard den Start seiner bahnbrechenden neuen Mission an: Climate Impulse. Nachdem er 2015 und 2016 mit dem Flugzeug Solar Impulse die Erde umrundet hat, will Bertrand Piccard die Grenzen der sauberen Technologien noch weiter verschieben. Im Jahr 2028 wird er eine weitere Weltumrundung unternehmen, diesmal ohne Zwischenstopp und ohne Emissionen, in einem Flugzeug, das mit grünem Wasserstoff angetrieben wird.

Grüner Wasserstoff ist ein neuer Begriff im Bereich der ökologischen Nachhaltigkeit und steht sogar im Mittelpunkt der heutigen Nachhaltigkeitsdebatte: von den einen als Held der sauberen Energie gefeiert, von den anderen als kostspielige Ablenkung kritisiert. Die Produktionsmethoden unterscheiden sich dramatisch in Bezug auf die Kohlenstoffbelastung - von fossilem "grauem" Wasserstoff bis hin zu wirklich grünem Wasserstoff, der mit erneuerbarem Strom hergestellt wird. Kritiker bezweifeln seine Ineffizienz und Skalierbarkeit, insbesondere für den Landverkehr und die Heizung. Doch in schwer zu dekarbonisierenden Sektoren wie der Luftfahrt, wo es auf die Energiedichte ankommt und Batterielösungen unzureichend sind, bleibt Wasserstoff einer der wenigen gangbaren Wege zu einem wirklich emissionsfreien Flug.

Dieser Artikel ist der erste in einer Reihe, die Ihnen helfen soll, die Grundlagen von Wasserstoff - und seine Auswirkungen auf das Klima - besser zu verstehen.

Wasserstoff auf der Erde

Um zu verstehen, warum Wasserstoff für unsere Gesellschaft von zentraler Bedeutung ist und sich als potenzieller Hauptakteur auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft immer größerer Beliebtheit erfreut, müssen wir seine grundlegende Rolle erkunden:

• Er macht 0,00005 % des Volumens der Atmosphäre in Form von Gas (_H2) aus^.1

• Wasserstoffatome machen etwa 11 % der Gesamtmasse des Wassers aus^.2

• 10% der Masse unseres Körpers^.3

Wasserstoff hat auch einen immensen Einfluss auf unser tägliches Leben: Laut einem Bericht der IEA werden jährlich weltweit 90 Millionen Tonnen Wasserstoff allein für industrielle Zwecke (Ammoniakproduktion, Ölraffination) produziert. Darüber hinaus wird Wasserstoff in den Bereichen Energie (Brennstoffzellen, Energiespeicherung), Luft- und Raumfahrt (Antrieb für Raketen) oder sauberer Transport (öffentliche Verkehrsmittel, Frachtschifffahrt) verwendet. Allerdings kann nicht jede Art von Wasserstoff als nachhaltige Energiequelle oder Kraftstoff genutzt werden. Die verschiedenen Arten und Farben von Wasserstoff sind nach ihrer Herstellungsmethode zu unterscheiden.

Ein Einblick in die weltweite Wasserstoffnachfrage 2023 von der Stanford University

Kohlenstoff emittierende Wasserstofffarben

Schwarzer oder brauner Wasserstoff wird durch Kohlevergasung hergestellt, ein Verfahren, das erhebliche_{CO2-Emissionen} verursacht (19 _tCO2/tH2⁾⁴. Er wird zur Synthese von Ammoniak verwendet, insbesondere in China und Indien, die kohlereiche Länder sind und Ammoniak als Düngemittel verwenden, oder in Südafrika zur Umwandlung von Kohle in flüssige ^Brennstoffe5.

Grauer Wasserstoff ist ein Produkt aus fossilen Brennstoffen, das durch Dampfgasreformierung oder Kohlevergasung gewonnen wird. Grauer Wasserstoff ist heute die weltweit wichtigste Wasserstofflösung; er macht 95 ^%6 des Wasserstoffverbrauchs unserer Gesellschaft aus und wird für Hydrierungsprozesse in der Lebensmittel- oder Elektronikindustrie oder zur Herstellung von Methanol weltweit verwendet. Gegenwärtig ist er die finanziell attraktivste Wasserstoffoption, da er etwa $1-$2 pro Kilogramm ^H27 kostet. Sie ist jedoch keine praktikable Option, da sie pro Tonne_H2 10-19 Tonnen_CO2 in die Atmosphäre ^freisetzt8.

Blauer Wasserstoff, der aus Erdgas durch Dampfreformierung in Verbindung mit Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung (CCS) gewonnen wird, gilt als Brückentechnologie" auf dem Weg zur vollständigen Dekarbonisierung. Er reduziert die_{CO2-Emissionen} (1-4 tCO2/tH2⁾⁹ im Vergleich zu grauem Wasserstoff erheblich und ist dabei relativ preiswert (1,5 bis 3 $ pro Kilogramm H2⁾¹⁰. Blauer Wasserstoff wird zunehmend in der Verkehrsindustrie als Energiequelle für schwere Lkw, Busse, Züge und Schiffe eingesetzt.

Das Wasserstoff-Farbrad

Vielversprechende und technologisch zugängliche Wasserstofffarben

Grüner Wasserstoff wird aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Sonnen- oder Wasserkraft durch einen als Wasserelektrolyse bekannten Prozess gewonnen, bei dem ein Elektrolyseur Wassermoleküle (_H2O) in Sauerstoffgas (_O2) und Wasserstoffgas (_H2) spaltet. Bei diesem Verfahren entstehen je nach Stromquelle und Effizienz des Elektrolyseprozesses zwischen 0 und 2,5 kg_CO2 pro kg ^H211, was es zur saubersten Form von Wasserstoff macht, die wir heute haben. Derzeit sind die Kosten für grünen Wasserstoff hoch ($3-$8 pro Kilogramm_H2⁾¹², was erklären kann, warum er weniger als 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion ^ausmacht13. Um dies zu ändern, müssen Anlagen zur Herstellung von grünem Wasserstoff entwickelt werden. In Saudi-Arabien soll im Rahmen des NEOM-Projekts die weltweit größte Anlage für grünen Wasserstoff gebaut werden. Nur durch den Ausbau dieser Strukturen kann die Produktion von grünem Wasserstoff auf globaler Ebene zugänglich gemacht werden.

Gelber Wasserstoff wird ebenfalls durch Wasserelektrolyse erzeugt und nutzt Strom aus dem allgemeinen Stromnetz, das in der Regel eine Mischung aus fossilen Brennstoffen, erneuerbaren Energien und Kernkraft ist. Mit der Modernisierung der Stromnetze könnte gelber Wasserstoff mittelfristig die billigste Form des erneuerbaren Wasserstoffs werden. Schweden ist ein gutes Beispiel dafür: Ab 2024 wird der schwedische Energiemix zu etwa 99 % aus sauberen Quellen stammen.

Violetter, rosafarbener und roter Wasserstoff können ebenfalls als saubere Energiequellen betrachtet werden, da sie bei ihrer Herstellung kein_CO2 ausstoßen. Wie grüner Wasserstoff sind sie Produkte der Wasserelektrolyse, werden aber mit Kernkraft und Wärme statt mit erneuerbaren Energiequellen betrieben. Das bedeutet, dass sie keine CO2-Emissionen verursachen, wenn die Kernkraftquelle emissionsfrei ist. Diese Wasserstofffarben sind derzeit leichter zugänglich als grüner Wasserstoff, da die Produktionsanlagen (Kernkraftwerke) häufiger zu finden sind. Der Preis für die Produktion kann jedoch je nach politischer und öffentlicher Akzeptanz von Kernkraftwerken von Region zu Region erheblich schwanken.

NEOMs grüne Wasserstoffproduktion erklärt

Potenziell saubere Wasserstofffarben in frühen Entwicklungsstadien

Orange Hydrogen zielt auf die Herstellung von Wasserstoff aus Kunststoffabfällen durch Pyrolyse, Mikrowellenkatalyse und Photoreformierung ab. Diese technischen und chemischen Verfahren zersetzen Kunststoffabfälle in Abwesenheit von Sauerstoff mit Hilfe von Mikrowellenenergie und lichtaktivierten Katalysatoren. Ziel ist es, Wasserstoff aus Kunststoff zu gewinnen, um den Abfall in eine wertvolle Energiequelle zu verwandeln. Diese komplexe Technologie bedarf noch der Feinabstimmung und ist noch nicht in industriellem Maßstab ausgereift. Die Zusammensetzung von Kunststoffen ist sehr unterschiedlich (Polyethylen vs. PVC), so dass es schwierig ist, genügend Wasserstoff zu gewinnen. Katalysatoren sind ein wesentlicher Bestandteil des Produktionsprozesses, aber sie sind derzeit sehr teuer, fehleranfällig und nicht für die großtechnische Produktion optimiert.

Bei Turquoise Hydrogen handelt es sich um Wasserstoff, der nach einer Methanpyrolyse aus Erdgas gewonnen wird. Erdgas wird bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt. Da der Kohlenstoff fest ist, wird er nicht in die Atmosphäre freigesetzt, sondern muss gespeichert werden, was zu zusätzlichen logistischen Belastungen führen kann. Die Aufrechterhaltung der hohen Temperaturen, die für den Produktionsprozess erforderlich sind, ist eine Herausforderung und derzeit nicht nur energie-, sondern auch kostenintensiv. Da dieser Wasserstoff in der Produktionsphase immer noch Methan benötigt, können die Lecks in der Lieferkette die Klimavorteile untergraben. Türkisfarbener Wasserstoff braucht zwar noch einige Zeit, bis er sich als saubere Lösung bewährt hat, aber er könnte durchaus eine Alternative werden.

Ein Einblick in die Produktion von türkisfarbenem Wasserstoff:

Was zu beachten ist

Das nachhaltige Potenzial einer Energie hängt in hohem Maße von dem Produktionsprozess ab, der zu ihrer Entstehung führt. Elektrofahrzeuge sind unbestreitbar eine Möglichkeit, unsere Treibhausgasemissionen zu reduzieren, da sie direkt viel weniger Kohlenstoff freisetzen als Autos, die mit Erdgas betrieben werden. Um jedoch eine endgültige und positive Auswirkung auf die Umwelt zu haben, müssen Lösungen zur Verringerung unseres Kohlenstoff-Fußabdrucks im Produktionsprozess weiter entwickelt werden. Wenn die Quelle des elektrischen Stroms oder der Batterien auf lange Sicht weiterhin fossile Brennstoffe oder andere kohlenstoffemittierende Materialien sind, werden wir unsere Probleme nur verstecken und hinauszögern, anstatt Lösungen zu finden.

Dieser Grundsatz gilt auch für die Weiterentwicklung der Wasserstofftechnologien. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass im Jahr 2023 nur 1 % (!) der weltweiten Wasserstoffproduktion als sauber angesehen werden kann. Nach Hochrechnungen von McKinsey könnte diese Zahl bis 2030 auf 30 % steigen. Wenn grüner Wasserstoff zu einer weltweit erschwinglichen Option werden soll, ist eine erhebliche Ausweitung der Technologien zur Erzeugung von sauberem Wasserstoff von entscheidender Bedeutung.

Die derzeitigen Anwendungen von grünem Wasserstoff sind bereits vielversprechend und könnten potenzielle Akteure zu weiteren Investitionen in diesem Bereich motivieren. Bleiben Sie dran, um in unserem nächsten Artikel über Wasserstoff mehr über diese Anwendungen zu erfahren!