Ein Elektrolysegerät als Symbol für die Erzeugung von Wasserstoff.
Wasserstoff

Erzeugung

Wie wird Wasserstoff heute und in Zukunft erzeugt?

Technologien zur Erzeugung von Wasserstoff

Für den Hochlauf einer Wasser­stoff­wirt­schaft ist eine groß­skalige Erzeugung von Wasser­stoff not­wendig. Dafür kommen ver­schiedene Techno­logien in Frage. Wir stellen die verschiedenen Techno­logien im Folgenden vor.

Herkömmliche Verfahren auf Basis fossiler Rohstoffe

Ein Großteil der Wasser­stoff­erzeugung läuft über die Dampf­reformierung von Erd­gas. In diesem Prozess wird unter hohen Tempera­turen Erd­gas mit Wasser­dampf zu Kohlen­stoff­monoxid (CO) und Wasser­stoff (H₂) umge­setzt. Um die Wasser­stoff-Aus­beute zu er­höhen, kann die Dampf­reformierung mit der Wasser­gas-Shift-Reaktion gekop­pelt werden. In dieser werden aus CO und Wasser­dampf zusätz­lich Wasser­stoff und Kohlen­stoff­dioxid (CO₂) erzeugt. Das ent­standene CO₂ kann für nach­folgende Prozesse verwendet werden.

Dieser Prozess ähnelt der Dampf­reform­ierung, allerdings wird hier neben Wasser­dampf und Erd­gas auch reiner Sauer­stoff zuge­führt. Dadurch ent­stehen höhere Tempera­turen. Dies ist vor­teil­haft, da die Effizienz der Wasser­stoff­erzeugung in der Dampf­reformierung von der Reaktions­temperatur abhängt.

Kohle kann mit Wasser­dampf zu Wasser­stoff und CO unter erhöhten Tempera­turen umge­setzt werden. Diese Reaktion kann analog zur Dampf­reform­ierung auch mit der Wasser­gas-Shift-Reaktion kombi­niert werden, um die Wasser­stoff-Aus­beute zu steigern.

In der chemischen Industrie kann Wasser­stoff auch als Neben­produkt an­fallen, so zum Bei­spiel bei der Produktion von Chlor und Natron­lauge mittels Chlor-Alkali-Elektro­lyse. Die Klima­aus­wirkungen dieser Pro­zesse hängen davon ab, ob Erd­öl als Grund­stoff einge­setzt wird und ob Strom und Wärme aus fossilen Brenn­stoffen bereit­gestellt werden.


CO₂-reduzierte Verfahren zur Wasser­stoff­produktion

Auch bei Einsatz von her­kömm­lichen Techno­­logien basierend auf fossilen Roh­stoffen (Dampf­reformierung oder Kohle­vergasung) kann Wasser­stoff mit einem geringeren CO₂-Fuß­ab­druck gewon­nen werden, indem das ent­stehende CO₂ abge­schieden wird. Das abge­trennte CO₂ kann ent­weder als Roh­stoff dienen (CCU: carbon capture and utilisation) oder im Unter­grund ver­presst werden (CCS: carbon capture and storage/sequestration).

Bestehende Anlagen auf Erdgas­basis könnten auch Bio­methan ver­wenden. Mit Ab­scheidung von ent­stehen­dem CO₂ können durch den Ein­satz von Bio­masse oder Bio­gas in herkömm­lichen Produktions­anlagen negative Emissionen ent­stehen. Ein flächen­deckender Ein­satz von Bio­masse oder Bio­gas wäre aller­dings durch den ent­stehenden Land­verbrauch limitiert.

Bei sehr hohen Tempera­turen ist es möglich, Methan in Kohlen­stoff und Wasser­stoff zu spalten. Dabei ent­steht fester Kohlen­stoff, der leichter zu hand­haben ist als CO₂, nicht in die Atmo­sphäre ent­weicht und auch als Roh­stoff dienen könnte.

Ein Servicearbeiter wartet einen Elektrolyseur.

Elektrolyseure sind komplexe Anlagen. Auf engen Raum befinden sich viele wichtige Kompo­nenten, wie zum Beispiel die soge­nannten Stacks, die Wasser­auf­bereitung, die Wasser­stoff­trocknung und die Leistungs- bzw. Steuerungs­elektronik.



Die elektro­lytische Spaltung von Wasser zu reinem Wasser­stoff und Sauer­stoff stufen Expert­*innen als klima­freund­lichste Erzeugungs­techno­logie ein. Aller­dings hängt der CO₂-Fuß­ab­druck vom einge­setzten Strom­mix ab – nur Strom aus erneuer­baren Energien pro­duziert wirk­lich klima­neutralen Wasser­stoff. Verglichen mit Wasser­stoff­er­zeugung aus fossilen Roh­stoffen wird auch deut­lich weniger Wasser im Gesamt­prozess ver­braucht. Um 1 kg Wasser­stoff zu erzeugen, werden bei der Wasser-Elektro­lyse insge­samt etwa 10 kg Wasser ver­braucht. Davon fallen alleine für die chemische Reaktion 9 kg Wasser an. Das restliche Wasser wird für die Her­stellung der Elektro­lyseure benötigt. Im Gegen­satz dazu ver­brauchen Erdgas- und Kohle-basierte Prozesse viel mehr Wasser in der Gesamt­betrachtung (13-18 kg bzw. 40-85 kg) [einfügen Fußnote/Endnote: IEA, Global Hydrogen Review, 2021]. Es gibt ver­schiedene Ver­fahren, um elektrolytisch Wasser­stoff aus Wasser zu gewinnen:

 

  • Alkalische Elektrolyse (AEL):
    Sie macht weltweit ca. 60% der aktuellen Elektro­lyse-Kapa­zität aus. Die alkalische Elektro­lyse bietet den Vorteil, dass sie keine Edel­metall-Elektroden benötigt. Dadurch ist sie preis­werter als andere Elektro­lyseur­typen. Zusätzlich zeichnet sie sich durch eine hohe Lang­zeit­stabi­lität aus. Allerdings bietet die alkalische Elektro­lyse nur einen trägen Last­folge­betrieb. Dies könnte zu Problemen führen bei der Kopplung mit dem volatilen Strom­an­gebot durch erneuer­bare Energie­quellen.
     
  • Protonen-Austausch-Membran (PEM):
    Sie macht weltweit ca. 30% der Elektrolyse-Kapazität aus. Bei den PEM-Elektro­lyseuren werden Edel­metall­elektroden verwendet, wodurch die Kosten höher aus­fallen als für andere Elektro­lyseure. Allerdings zeichnet sich die PEM-Elektrolyse durch einen schnellen Last­folgebetrieb aus.
     
  • Festoxid-Elektrolyse (SOEC):
    Diese Elektro­lyse-Art befindet sich aktuell noch in der Demon­strations­phase für den groß­flächigen Einsatz. Sie kombi­niert den Einsatz von Wasser­dampf und Keramiken als Elektro­lyten bei hoher Temperatur. Dadurch halten sich die Material­kosten sehr gering. Durch die hohen Tempera­turen ergeben sich aller­dings lange Anfahrts­zeiten der Elektro­lyseure. Festoxid-Elektro­lyseure sind sehr effizient und können, im Gegensatz zu AEL und PEM Elektro­lyseuren, auch als Brenn­stoffzelle verwendet werden.
     
  • Anionen-Austausch-Membran (AEM):
    In der Zukunft könnten auch AEM-Elektro­lyseure eine wichtige Rolle spielen, da sie die Vorteile aus AEL- und PEM-Elektro­lyse kombi­nieren. Sie verwenden Übergangs­metall­komplexe anstelle von Edel­metallen. Außer­dem fungiert die Membran als Fest­körper­elektrolyt. Aller­dings befinden sich die AEM-Elektro­lyseure noch in der Demonstrations­phase.

Umwandlung in Wasserstoffderivate

Für den sicheren, verlustarmen Transport und manche Einsatzgebiete kann eine Umwandlung in Folgeprodukte sinnvoll sein.

Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffderivaten

Wasserstoff kann mit Stick­stoff zur Erzeugung von Am­mon­iak einge­setzt werden. Dieser Prozess läuft welt­weit bereits im Maß­stab von 150 Mt/Jahr. Ammon­iak ist ein wichtiger Grund­stoff für die Dünge­mittel­produktion und wird welt­weit gehan­delt und verschifft.

In der Fischer-Tropsch-Syn­these wird ein Synthese­gas aus Wasser­stoff und Kohlen­stoff­monoxid (CO) zur Her­stellung von synthetischen Kraft­stoffen eingesetzt.

CO und CO₂ können mit Wasser­stoff zu synthetischem Erd­gas (Methan) umge­setzt werden, welches viel­fältig einsetz­bar ist. Im Gegen­satz zu reinem Wasser­stoff ist für den Trans­port von Methan die vor­han­dene Erd­gas­infra­struktur nutzbar.

Mit der Reaktion von Wasser­stoff und CO₂ kann auch Methanol her­gestellt werden. Allerdings muss hierbei immer die Neben­reaktion zur Bildung von Methan berück­sichtigt werden. Methanol hat den Vor­teil, dass es als Flüssig­keit eine sehr hohe Energie­dichte auf­weist und über große Strecken ein­facher zu transpor­tieren ist als Wasserstoff.


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Kontakt

Jens Artz

Dr. Jens Artz
Wissenschaftlicher Referent DECHEMA

E-Mail
jens.artz@dechema.de

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Der Wasserstoff-Kompass ist ein Projekt von acatech und DECHEMA. Gefördert wird das Projekt vom BMBF und vom BMWK.