Wie wird Wasserstoff heute und in Zukunft erzeugt?

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.

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.

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) (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.