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Wasserstoff – Anwendungen für die Praxis

Die emissionsfreie Energiewelt von Morgen sollte nach dem Wunsch vieler bereits heute Realität sein. Allerdings: Selbst der Ausbau der Erzeugung aus Sonne, Wind und dem Einsatz von Energiespeichern wird noch nicht ausreichen, den zukünftigen Energiebedarf zu decken. Elektrifizierung und Sektorenkopplung müssen zwingend eine stärkere Rolle einnehmen, darunter fällt auch der Energieträger Wasserstoff. Einsatzmöglichkeiten, die im größeren Maßstab funktionieren und zudem wirtschaftlich sind, sind noch rar, gleichwohl absehbar.

Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger. Initiativen, Wasserstoff einzusetzen, zum Beispiel als Kraftstoff für Fahrzeuge, gibt es bereits seit langem. In Hamburg hat Vattenfall mit der Wasserstoffstation in der HafenCity gemeinsam mit Projektpartnern die Möglichkeiten des Energieträgers erprobt – unter anderem mit der Hamburger Hochbahn, die ab 2020 nur noch emissionsfreie Busse beschaffen darf.

Gunnar Groebler, Vorstandsmitglied für die erneuerbaren Energien bei Vattenfall, an der Wasserstoffstation in der Hamburger Hafencity

Die entscheidende Frage ist: Wo soll der Wasserstoff herkommen? Bislang wird Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas hergestellt – dabei fällt jedoch CO2 an. Wasserstoff kann dagegen auch mittels Elektrolyse von Wasser produziert werden. Hierzu wird Strom eingesetzt, um die Verbindung zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu lösen. Setzt man hierfür zum Beispiel Windstrom ein, ist der Wasserstoff emissionsfrei.

Wind ist im Norden Deutschlands reichlich vorhanden und muss häufig genug abgeregelt werden. Ziel muss es daher sein, den Windstrom durch Elektrolyse nutzbar zu machen und sogenannten grünen Wasserstoff herzustellen, damit im großen Maßstab wirtschaftliche Anwendungen möglich werden.

Hier liegen die Herausforderungen: Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff per Elektrolyse benötigt große Mengen an Energie. Wenn Wasserstoff als Kraftstoff genutzt und im Fahrzeug in einer Brennstoffzelle oxidiert wird, beträgt der gesamte energetische Wirkungsgrad weniger als 50 Prozent. Die Wirkungsgradverluste können jedoch für bestimmte Anwendungen wirtschaftlich vertretbar sein - zum Beispiel wenn der grüne Strom nicht anderweitig nutzbar wäre und Windräder abgeschaltet werden müssten, obwohl Wind weht - oder wenn die Zahlungsbereitschaft für das grüne Gas unter bestimmten Rahmenbedingungen hoch genug ist.

Setzt man voraus, dass die Produktion von grünem Wasserstoff möglich ist: Wo sind dann die Anwendungsmöglichkeiten, für die sich der Einsatz von Wasserstoff wirklich lohnt?

Wasserstoff kann in der Energiewende verschiedene Rollen übernehmen. Grafik: Hydrogen Council

Wasserstoff: Anwendungen im Sektor Verkehr 

Im Sektor Verkehr kann Wasserstoff als Kraftstoff seine Vorteile überall da ausspielen, wo Fahrzeuge mit batteriebetriebenen Elektromotoren nicht sinnvoll eingesetzt werden können. Die Vielzahl der Fahrten mit dem PKW sind Kurzstrecken; hier fallen Aspekte wie Reichweite oder Ladezyklen für die Batterie nicht wesentlich ins Gewicht. Außerdem ist der Preis pro Kilometer aufgrund des hohen Wirkungsgrads niedrig.

Müssen allerdings größere Strecken mit einer höheren Frequenz bedient werden, wie im öffentlichen Nahverkehr oder im Güterverkehr auf der Straße, sind die Ladezeiten und das Gewicht der benötigten Batterien nicht mehr wirtschaftlich darstellbar. Deswegen liegen die sinnvollen Anwendungen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge im öffentlichen Nahverkehr mit Bussen sowie im Transport von Gütern auf der Straße, bei dem LKW ganztägig über längere Strecken im Einsatz sind. Vorteilhaft für den Aufbau der benötigten Infrastruktur sind dabei lokal eingegrenzte Anwendungen wie Müllabfuhren oder feste Routen großer Logistikunternehmen.

Auch im Schienenverkehr existieren für Brennstoffzellenzüge europaweit attraktive Strecken - nämlich überall dort, wo, zumeist in ländlichen Regionen, keine Oberleitungen vorhanden sind und entsprechende Investitionen  aufgrund der geringen Auslastung nicht wirtschaftlich oder nicht erwünscht sind. Aus diesem Grund gibt es in einigen deutschen Bundesländern politische Bestrebungen für den Einsatz von Wasserstoff im Öffentlichen Nahverkehr. 

Sektor Industrie und der Einsatz von Wasserstoff

Die Industrie ist größter Anwender von Wasserstoff. Daher gibt es in diesem Sektor auch das größte Potential, CO2 einzusparen, wenn man aus Erdgas erzeugten durch grünen Wasserstoff ersetzt. Die Entwicklung steht allerdings noch ganz am Anfang. In Schweden hat Vattenfall zusammen mit den Partnern LKAB (Bergbau) und SKAB (Stahl) das Projekt HYBRIT gestartet. In der ersten Anlage dieser Art soll in den nächsten Jahren erprobt werden, unter welchen Bedingungen eine fossilfreie Stahlproduktion möglich ist.

Wasserstoff in der Energieerzeugung

Ebenfalls ein Projekt zur Erprobung der Rahmenbedingungen für den Einsatz von Wasserstoff in der Energieerzeugung wird zurzeit in den Niederlanden umgesetzt. Im Kraftwerk Magnum in Eemshaven soll eine der Gasturbinen zukünftig mit Wasserstoff anstelle von Erdgas befeuert werden. Hintergrund des Projekts: In der Region ist ausgedehnte Erdgas-Infrastruktur bereits vorhanden, die zu diesem Zweck nicht mehr verwendet wird. Da bei derartigen Konzepten, bei denen Wasserstoff erst mit hohem Energieaufwand erzeugt wird, um es dann wiederum in entgegengesetzter Richtung für die Stromerzeugung zu verwenden, mehr als die Hälfte der Energie in Form von Wärme verloren geht, sind wirtschaftliche Anwendungsfälle jedoch weniger klar erkennbar als im Transport- oder Industriesektor. Nichtsdestotrotz bietet Wasserstoff natürlich das Potential zur langfristigen - saisonalen - Speicherung von Energie.

Wasserstoff für die Gebäudeheizung?

Besonders hoch sind die CO2-Emissionen – und entsprechend das Einsparpotential – bei der Gebäudeheizung. Allen Bemühungen zum Trotz – eine nennenswerte Verringerung der CO2-Belastung konnte in den letzten Jahren in diesem Bereich noch nicht erreicht werden. Dringend gesucht sind daher Konzepte für CO2-freie oder zumindest CO2-arme Wärme.

Die Nutzung industrieller Abwärme wäre ein Baustein. Initiativen für Niedertemperaturnetze ein weiterer. Technisch gesehen ist die Verwendung von Wasserstoff beziehungsweise Brennstoffzellen in Boilern oder Blockheizkraftwerken kein großes Problem. Im Gebäudesektor, der in Deutschland nach wie vor überwiegend ein Mietwohnungsmarkt ist, müssen aber vor allem die Preise bezahlbar bleiben.  

Hinzu kommt, dass bei der Elektrolyse von grünem Wasserstoff sowie beim Betrieb einer Brennstoffzelle durchaus Abwärme in nutzbarem Ausmaß entsteht. Die meist niedrigen Temperaturen von unter 80°C sind jedoch in der Regel für die Wärmeversorgung vergleichsweise zu niedrig; Synergien sind deswegen oft noch schwer zu realisieren.

Mehr zum Thema

Wasserstofftankstelle HafenCity „Hamburg bleibt einer unserer wichtigsten Standorte“ 
Informationen zu HYBRIT 

Verbände

NOW Nationale Organisation Wasser- und Brennstoffzellentechnologie 
Hydrogen Europe 
DWV Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband


 

Experte Arne Jacobsen

Mit dem Thema erneuerbare Energien habe ich mich schon als Werkstudent im Business Development Team der Business Area Wind beschäftigt. Nach meinem Abschluss an der TU Hamburg in der Energie- und Umwelttechnik arbeite ich seit 2018 als Business Development Engineer im selben Team. Zu meinen Aufgaben gehört hauptsächlich die Entwicklung neuer Anwendungen für Wasserstoff und Sektorenkopplung in allen Ländern, in denen wir tätig sind. Daneben begleite ich den Betrieb der Wasserstoffstation in der HafenCity.

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