Wasserstoff – unverzichtbar für die Energiewende

Abstract

In der Atmosphäre von Saturn und Jupiter regiert mit über 80 Prozent der Wasserstoff. Nicht so auf der Erde: Reiner, molekularer Wasserstoff kommt in der Erdatmosphäre kaum vor, denn die kleinsten Moleküle der Welt können von der Schwerkraft nicht festgehalten werden. Erdkruste und Erdoberfläche bestehen zu etwa 13 Prozent aus Wasserstoff, chemisch gebunden vor allem im Wasser.

Dabei ist der molekulare Wasserstoff auf der Erde ein unverzichtbares Element für die Energiewende. Wasserstoff gilt als potenziell klimaneutraler und effizienter Energieträger. Bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasserdampf und es werden keine umweltschädlichen Stoffe freigesetzt. Wasserstoff ist somit ein vielversprechender und zukunftsfähiger Energieträger. Der grüne Wasserstoff ist quasi ein Goldstandard für Nachhaltigkeit. Grün nennen wir den Wasserstoff, wenn der zur Elektrolyse benötigte Strom ausschließlich aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Bei der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Weder das Herstellungsverfahren noch die entstehenden Produkte sind umwelt- oder klimaschädlich, sodass grüner Wasserstoff als klimaneutral bezeichnet werden kann. Deshalb liegt hier der Fokus der Wasserstofferzeugung. Für große Mengen grünen Wasserstoffs brauchen wir deutlich mehr Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Damit grüner Wasserstoff auch wirtschaftlich konkurrenzfähig wird, sollten die Preise bei den Erneuerbaren möglichst niedrig sein. Ein wichtiger Hebel dafür wären Reformen bei Abgaben und Umlagen auf Strom. Im Moment ist grüner Wasserstoff noch nicht konkurrenzfähig. Dies wird sich aber ändern, wenn CO₂-Preise steigen und Wasserstofferzeugung aus fossilen Energieträgern teurer wird.

Eingewandt wird häufig, dass Deutschland seinen Bedarf an grünem Wasserstoff nicht allein decken könne und bei der Energieversorgung auf andere Länder angewiesen sei. Das stimmt erfreulicherweise. Eine autarke Energieversorgung prägte bisher die Politik autoritärer und demokratiefeindlicher Staaten. Was wir eigentlich meinen und anstreben sollten, ist: Energieautonomie, die wir durch eine stärkere Diversifizierung unserer Energieimporte erreichen können. Bisher waren unsere Netzstabilität und Energieversorgung von französischem Atomstrom und russischem Gas abhängig. Niemand fragte, woher und unter welchen Bedingungen für Mensch und Umwelt bisher die fossilen Energieträger wie Kohle, Erdöl und Gas zu uns kamen. Für die Wasserstofferzeugung eignen sich viele sonnen- und windreiche Regionen der Welt um den Äquator (±20 Breitengrade). Die Bundesregierung hat deshalb eine staatliche Kooperationsvereinbarung mit Namibia über grünen Wasserstoff abgeschlossen. Deutschland bietet Wasserstofftechnologien an, lokale Fachkräfte werden aus- und weitergebildet, Stipendienprogramme für namibische Studierende unterstützen den Aufbau. In ersten konkreten Projekten sollen der CO₂-Fußabdruck des Hafens von Walvis Bay verkleinert werden oder wasserstoffbetriebene Lastwagen, Lokomotiven und Schlepper zum Einsatz kommen. Andere wichtige Projekte setzen sich mit der Mehrwasserentsalzung und Wasserstoffproduktion auseinander. In der Machbarbarkeitsstudie spielt die Verknüpfung von sozialen, politischen, wirtschaftlichen und ökologischen Faktoren eine wichtige Rolle. Nachdem Namibia seinen eigenen Bedarf an erneuerbarer Energie und grünem Wasserstoff gedeckt haben wird, ist der H₂-Export bereits für 2025 vorgesehen. Weitere Wasserstoff-Partnerschaften mit anderen Ländern Afrikas und mit Australien können gelingen, wenn wir auf Augenhöhe und fairen Technologietransfer achten.

In der Agenda 2030 der Vereinten Nationen wird unter anderem eine bezahlbare, verlässliche, und nachhaltige Energieversorgung gefordert. Weltweite Wasserstoffwirtschaft kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten und würde so zu einem Schlüssel für nachhaltige Entwicklung. Diese wichtige Säule der Energiewende taugt als Energieträger und Grundstoff für industrielle Prozesse beispielsweise in der Stahl- und Chemieindustrie sowie im Schwerlast-, Flug- und Schiffsverkehr. Wir brauchen Wasserstoff, um Stickstoff zu hydrieren oder um Kohlendioxid zu Methanol umzusetzen. Heute werden bei der konventionellen Herstellung von 1 t Wasserstoff etwa 10 t Kohlendioxid emittiert. Wir brauchen also Elektrolysewasserstoff, der mit Hilfe von Strom aus Erneuerbaren Energien gewonnen wird.

Für die Energiewende benötigen wir übergreifende Konzepte, der Beitrag von Wissenschaft und Forschung ist dabei unverzichtbar. Neue, nachhaltige Technologien müssen aber auch von der Gesellschaft akzeptiert werden und die Situation von Menschen und Umwelt wirklich verbessern. Dafür braucht es politische und individuelle Änderungen und die Abkehr vom reinen Wachstumsdenken.

Der gesamte Bildungsbereich von Schule bis Ausbildung und Studium trägt ebenfalls bei: Lehrerinnen und Lehrer sollten wieder mehr Wissen vermitteln, nicht nur Konzepte, Methoden und Fertigkeiten. Kompetenz ohne Wissen gibt es nicht. Wir brauchen gut ausgebildete Fachkräfte, zum Beispiel Handwerker, die neue Heiztechniken (Stichwort Wärmepumpe) verstehen, einbauen und warten können. Ohne eine gute berufliche Bildung und Weiterbildung kommen wir nicht ans Ziel.

Mehr als dreißig Jahre haben wir es versäumt, die Energiewende ernsthaft in Angriff zu nehmen. Heute können wir Klimaziele nur noch erreichen, wenn wir die gesamte Klaviatur von Energie über Mobilität und Ernährung bis hin zur Produktion gleichzeitig bedienen. Wir diskutieren teure Klimaschutztechnologien lieber als preiswerte Maßnahmen zur Emissionsvermeidung umzusetzen, nur um unser verschwenderisches Verhalten nicht in Frage stellen zu müssen.

Der Streit über das Gebäudeenergiegesetz hat gezeigt, dass eine klare Mehrheit der Bevölkerung mehr Klimaschutz befürwortet, viele Menschen ihn aber für unzumutbar halten, sobald er konkret wird und eigenes Handeln verlangt. Wenn wir die gesetzten Klimaziele erreichen wollen, müssen wir aber schnellstmöglich unsere Heiztechnik umstellen. Stattdessen erschöpfen wir uns überflüssigen Neben-Debatten. Ohne jeden Zweifel brauchen wir sozialen Ausgleich für kurzfristige Härten, das Ziel sollen wir darüber nicht aus den Augen verlieren. Wir brauchen mehr Mut zum Handeln, aber auch mehr Forschergeist, wie ihn einige der Autorinnen dieser Ausgabe der Chemie in unserer Zeit bewiesen haben.

Im ersten Heft geht es rund um Aspekte des atomaren und molekularen Wasserstoffs. Müller beschreibt die Einsatzmöglichkeiten des Wasserstoffs für die Energieversorgung, industrielle Prozesse und den Verkehr. Der Königsweg ist momentan die Erzeugung des grünen Wasserstoffs aus Erneuerbaren. Dafür brauchen wir funktionstüchtige Elektrolyseure. Turek et al. beschreiben den aktuellen Stand der Elektrolysetechnologien, die Vor- und Nachteile der alkalischen, der PEM- und der Hochtemperatur-Elektrolyse. Wasserstoff kann natürlich auch mit Sonnenlicht und geeigneten Katalysatoren erzeugt werden. Schneidewind und Tausch stellen uns aktuelle Ideen der fotokatalytischen Wasserspaltung vor. Einen ersten Ansatz zur Speicherung von Wasserstoff mit flüssigen organischen Wasserstoffträgern stellen Wasserscheid et al. vor.

Weitere Methoden zur Speicherung sowie der Transport des Wasserstoffs stehen im Fokus des zweiten geplanten Themenheftes. Zunächst liefern Schüth et al. einen Überblick der physikalischen und chemischen Speichermethoden. Beller beschreibt die Funktion einer Wasserstoffbatterie, mit der drucklos Wasserstoff gespeichert und zur Nutzung wieder freigegeben wird. Wasserstoff kann auch in möglichst H-reichen Molekülen gespeichert, transportiert und wieder freigegeben werden. Besonders gut eignet sich Ammoniak für den Wasserstofftransport, denn es enthält sensationelle 17,8 Gewichtsprozent Wasserstoff. Kruth et al. diskutiert die Vorzüge des in Ammoniak gebundenen Wasserstoffs für den Transport. Die Herstellung von Ammoniak erfolgt heute fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren bei hohen Drücken und Temperaturen und unter Einsatz von grauem Wasserstoff. Was der Einsatz von grünem Wasserstoff bringt und warum alternative Verfahren zur Ammoniakerzeugung überlegt werden sollten, erläutert Ludwig im abschließenden Beitrag.

Ralf Ludwig