Wasserstoff: Schlüsseltechnologie der Energiewende

Wasserstoff (Elementsymbol H, abgeleitet vom lateinischen „hydrogenium“) wurde 1766 vom englischen Naturforscher Henry Cavendish bei Experimenten mit Metallen und Säuren entdeckt. Der französische Chemiker Antoine Laurent de Lavoisier zeigte, dass bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff keine Masse verloren geht.

Mit einem Auftreten von etwa 75 % ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum, gefolgt von Helium (23 %). Alle übrigen Elemente entstehen in Sternen durch Kernfusion und machen nur rund 2 % aus. Auf der Erde kommt Wasserstoff praktisch nicht in atomarer Form als H+ vor, sondern hauptsächlich als H2-Molekül. In der Natur ist allerdings sein Vorkommen auch als freies Gas sehr selten.

Industriell wird Wasserstoff als Rohstoff in der Chemieindustrie, bei der Herstellung von Düngemitteln, Kunststoffen und Kraftstoffen sowie in technischen Prozessen genutzt. Der weltweite Bedarf liegt bei etwa 500 Milliarden Kubikmetern pro Jahr, davon rund 19 Milliarden in Deutschland, mit steigender Tendenz.

Im Energiesektor gilt Wasserstoff als Sekundärenergieträger, da er unter Energieeinsatz erzeugt werden muss. Bei der Elektrolyse aus Wasser und der Nutzung in Brennstoffzellen entsteht ein geschlossener – von Wasser zu Wasser –, schadstofffreier Kreislauf [1],[2].

Aktuelle Verfahren zur Wasserstoffherstellung

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen fossiler und nicht-fossiler Wasserstoffherstellung, wobei einige Verfahren beiden Gruppen zugeordnet werden können. Dazu zählen beispielsweise die Elektrolyse sowie verschiedene Reformierungs-, Vergasungs- und Oxidationsverfahren. Elektrolyse kann sowohl mit erneuerbarer Energie als auch mit Strom aus fossilen Kraftwerken betrieben werden. Ebenso können bei Reformierungs- und Vergasungsverfahren sowohl Biomasse als auch fossile Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.

In der Industrie wird Wasserstoff derzeit überwiegend als chemischer Rohstoff genutzt und hauptsächlich aus fossilen Quellen gewonnen. Die Anteile liegen bei etwa 48 % aus Mineralölfraktionen, 30 % aus Erdgas und bis zu 16 % aus Kohle. Die verbleibenden rund 6 % stammen aus anderen Verfahren, hauptsächlich als Nebenprodukt der Chlor-Alkali-Elektrolyse oder aus der Wasserelektrolyse.

Bei der Nutzung von Wasser und Kohlenstoff entstehen zunächst Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid, das anschließend zu Kohlenstoffdioxid weiterverarbeitet wird. Bei Verfahren mit Kohlenwasserstoffen entsteht direkt Wasserstoff und überwiegend Kohlenstoffdioxid. Wichtige großtechnische Verfahren sind die Dampfreformierung, Plasmareformierung, partielle Oxidation, Kohlenstoffmonoxidkonvertierung sowie die Kohlevergasung.

Die nicht-fossile Wasserstofferzeugung umfasst Verfahren, die direkt oder indirekt auf Sonnenenergie basieren. Dazu zählen die Biomassenutzung mit Fermentierungs-, Vergärungs-, Vergasungs- oder Reformierungsverfahren sowie die Nutzung von Elektroenergie durch Wasser- oder Wasserdampfelektrolyse. Die benötigte Energie kann direkt aus Photovoltaik oder indirekt aus Wind- und Wasserkraft stammen. Auch solarthermische Verfahren sowie direkte photochemische Prozesse wie Biophotolyse oder Photoelektrolyse spielen eine Rolle. Die meisten dieser Verfahren sind bereits etabliert oder befinden sich in der technischen Entwicklung [2].

Die Wasserstoff-Farbenlehre

Zur besseren Einordnung wurde die sogenannte Wasserstoff-Farbenlehre entwickelt. Sie unterscheidet verschiedene Wasserstoffarten nach Rohstoffen, Herstellungsart und Umweltbilanz und ordnet sie drei Gruppen zu:

• Wasserstoff aus fossilen Quellen mit Kohlenstoff-/ Kohlenstoffdioxidfreisetzung in die Umgebung,
• Wasserstoff aus fossilen Quellen ohne Kohlenstoff- oder Kohlenstoffdioxidfreisetzung und
• Wasserstoff aus erneuerbaren Energien.

So basieren zum Beispiel grauer, schwarzer oder brauner Wasserstoff auf fossilen Quellen mit hohen Emissionen, während grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien stammt und als besonders klimafreundlich gilt. Andere Varianten wie blauer oder türkiser Wasserstoff gelten als Übergangslösungen [3],[4].

Ökobilanz als Bewertungsgrundlage

Die Umweltauswirkungen der Wasserstoffherstellung werden mithilfe von Ökobilanzen bewertet, die nach Normen wie DIN ISO 14040 und 14044 die Umweltauswirkungen beginnend mit der Rohstoffgewinnung über Produktnutzung bis zur Nachnutzung als Produktbeseitigung erfassen. Dabei wird entweder der Produktlebensweg von der „Wiege bis zur Bahre“ oder bis zu einem bestimmten Punkt betrachtet.

Bei der derzeitigen Wasserstofferzeugung entstehen Treibhausgase (THG), deren Minimierung jedoch möglich ist. In Deutschland gilt Wasserstoff als klimaschonend, wenn der Ausstoß maximal 3,0 kg CO₂-Äquivalent pro Kilogramm H₂ beträgt. Synthetische Brennstoffe auf Wasserstoffbasis müssen eine THG-Reduktion von 70 % erreichen.

Im EU-Projekt Certif-Hy wurde ein Zertifizierungssystem für nachhaltig produzierten Wasserstoff und e-Fuels entwickelt. Problematisch ist jedoch, dass der Begriff „klimafreundlicher Wasserstoff“ nicht einheitlich definiert ist und Grenzwerte international stark variieren [5],[6].

Zukünftiger Einsatz von Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger und kann in allen drei großen Energieverbrauchssektoren genutzt werden: in der Strom- und Wärmebereitstellung im privaten und öffentlichen Bereich, in allen Temperaturbereichen in der Industrie (hier zusätzlich als chemischer Rohstoff) sowie im Verkehrssektor als Kraftstoff, auch in synthetischer Form für Straßen-, Schiffs- und Luftverkehr.

Diese Variabilität wird als „Sektorkopplung“ bezeichnet. Grüner Wasserstoff und Power-to-X-Technologien (PtX) eröffnen dabei neue Dekarbonisierungspfade, insbesondere wenn erneuerbare Energie nicht direkt genutzt werden kann.

Als Sekundärenergieträger eignet sich Wasserstoff zudem für die langfristige oder saisonale Energiespeicherung. Er kann flexibel durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energien erzeugt werden, folgt deren schwankendem Angebot und ermöglicht die Entkopplung von Energieangebot und -nachfrage. Wasserstoff lässt sich als Gas sicher und nahezu verlustfrei speichern [3], [7], [8]

[1] A. Brinner, B. Brinner; Das Erklärbuch zum Wimmelbuch „Grüner Wasserstoff für Anfänger“; Verlag Steinbeis-Edition; Stuttgart, 2025
[2] Herausgeber: E-Mobil BW GmbH, ZSW, WBZU, FM BW, UM BW; Energieträger der Zukunft – Potenziale der Wasserstoff-Technologie in Baden-Württemberg; E-Mobil BW GmbH; Stuttgart, 2012
[3] Green Hydrogen Esslingen; Die Farben des Wasserstoffs; green-hydrogen-esslingen.de/wissen/farben-wasserstoff; abgerufen am 02.04.2025
[4] Wien-Energie GmbH; Die Farben des Wasserstoffs; Internet-Artikel; 09.10.2023; https://positionen.wienenergie.at/grafiken/wasserstoff-farbenlehre/; abgerufen am 11.04.2025
[5] R. Lutz, D. Franke, A. Bahr; Klimabilanzierung der Wasserstoffherstellung; Commodity Top News No. 69, Herausgeber: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe; Hannover, September 2022
[6] M. Riemer, J. Wachsmuth, B. Pfluger, S. Oberle; Welche Treibhausgasemissionen verursacht die Wasserstoffproduktion?; Herausgeber: Umweltbundesamt; Dessau-Roslau; Oktober 2022
[7] Die Bundesregierung, Die nationale Wasserstoffstrategie, Herausgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Berlin, Juni 2020
[8] Umwelt-Bundesamt; Welche Rolle kann Wasserstoff im künftigen Energiesystem einnehmen?; Veröffentlichung 03.04.2024; www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/klimaschutz-energiepolitik-in-deutschland; abgerufen am 07.04.2025