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Klimafonds
Dossier
Wasserstoff

Thema
Wasserstoff gehört die Zukunft

Grüner Wasserstoff soll ein wichtiger Bestandteil der neuen Energiewelt werden. Die Europäische Union hat einen umfangreichen Plan bis 2050 vorgelegt und auch in Österreich schreiten Forschung und Entwicklung rasch voran.

Stand: Jänner 2021

Wasserstoff ist nicht nur in Österreich gerade ein großes Thema. Auch die internationale Energiebranche diskutiert die Frage, welche Rolle das Element bei der Energiewende spielen kann und soll. Die Antwort ist mittlerweile aber fast einstimmig: eine große. Schon seit vielen Jahren wird er als molekulares Gas mit der chemischen Formel H2 in vielen zumeist industriellen Anwendungen genutzt. Die größten Mengen werden in Ölraffinerien, der chemischen Industrie (beispielsweise Düngemittelherstellung) und der Eisen- und Stahlerzeugung eingesetzt. Da Wasserstoff im Vergleich zu Kohle, Öl und Erdgas bei der Verbrennung praktisch keine Abgase hinterlässt, kann er diese Energieträger teilweise ersetzen und zunehmend auch in Strom und Wärme umgewandelt werden. Wasserstoff kann die Industrie mit Wärme bei hohen Temperaturen versorgen, in Strom umgewandelt Elektromotoren antreiben und gilt als immer wichtiger werdender Energiespeicher – ganz so, wie das Jules Verne bereits 1874 vermutet hat. Der Schriftsteller legte damals seinem Ingenieur Cyrus Smith im Roman „Die geheimnisvolle Insel“ einige Wörter in den Mund, über die damals wohl viele Leser milde gelächelt haben werden: „Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpflichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Luftblasen unter Wasser

Schriftsteller Jules Verne sah bereits im 19. Jahrhundert das enorme Potenzial von Wasserstoff: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“ © Sime Basioli on Unsplash

Wasserstoff + Sauerstoff = Energie + Wasser
Hatte Jules Verne mit diesen Aussagen ins Blaue geraten? Nur gemutmaßt und war zufällig richtig gelegen? Wohl kaum, denn Wasserstoff und auch seine Herstellung durch die Aufspaltung von Wasser mittels elektrischen Stroms (Elektrolyse) waren bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts bekannt. 1838 entdeckte der Chemiker Christian Friedrich Schönbein dann das Grundprinzip der Brennstoffzelle und damit eine der wichtigsten Voraussetzungen, um Wasserstoff für die Menschheit nutzbar zu machen. Er ließ bei einem Versuch Platindrähte in einer Elektrolytlösung mit Wasserstoff und Sauerstoff umspülen und stellte dabei eine elektrische Spannung zwischen den Drähten fest. Seine Erkenntnis, die heute fester Bestandteil des Chemieunterrichts ist: Lässt man Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren, erhält man Wasser und – da die Reaktion exotherm ist – als Nebenprodukt Energie. In Form von Wärme bei seiner Verbrennung, als elektrische Energie in der Brennstoffzelle.

Wasserstoff-Farbenlehre: Von grau bis grün
Warum Wasserstoff dann nicht längst eine Hauptrolle in der Energiewelt spielt? Weil die Herstellung des Gases aufwendig ist. Wie auch Strom ist Wasserstoff kein Primärenergieträger, der einfach irgendwo abgebaut und verwendet werden kann, sondern muss zuerst erzeugt werden: entweder durch die Umwandlung anderer chemischer Energieträger oder durch die Aufspaltung von Wasser. In jedem Fall wird dazu mehr Energie benötigt, als im erzeugten Wasserstoff gebunden ist. Die Art des Umwandlungsprozesses ist entscheidend für die Klimabilanz des Gases: Gewinnt man Wasserstoff so wie derzeit meist üblich per Dampfreformierung aus Erdgas, wird er als „grau“ bezeichnet. Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff werden dabei rund zehn Tonnen Kohlendioxid freigesetzt; wird dieses abgetrennt und gespeichert, wird er blauer Wasserstoff genannt. Nur wenn er ausschließlich auf Basis erneuerbarer Energieträger hergestellt wird, gilt er als grüner Wasserstoff und ist klimaneutral. Als wesentlichste Technologie dafür wird die Aufspaltung von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen (Elektrolyse) gesehen, aber auch Verfahren wie die direkte Wasserspaltung mittels Sonnenenergie (Photolyse) könnten künftig eine Rolle spielen. Besonders nachhaltig ist die Herstellung per Elektrolyse mit überschüssigem Ökostrom, also Strom aus Wind und Sonne, der aufgrund des zeitlichen und/oder örtlichen Auseinanderfallens von Stromproduktion und Strombedarf sonst nicht genützt werden könnte – dabei ist der gesamte Produktionspfad nahezu vollständig emissionsfrei.

Hydrogen-Schriftzug

Einige Hersteller haben bereits Brennstoffzellen-Autos in ihrem Modellprogramm, noch sind die Fahrzeuge aber sehr teuer. © 123rf

Flexibilisierung des Energiesystems
Womit wir bei einer der größten Stärken des Wasserstoffs wären: seinem Energiespeicherpotenzial. Nur wenige Energieträger können so wie Wasserstoff in ausreichender Menge über Wochen, Monate und sogar Jahre hinweg bereitgehalten werden und bei Bedarf wieder verstromt, direkt genutzt oder in synthetische Kraftstoffe wie zum Beispiel E-Fuels umgewandelt werden. Soll die angestrebte Dekarbonisierung der Energiewirtschaft gelingen, also die Reduktion und Abkehr von CO2 durch Forcierung erneuerbarer Energiequellen, braucht es neben einem Mehr an Windkraftanlagen, Photovoltaik, Biomasse und Co aber genau diese Möglichkeiten zur Flexibilisierung des Stromnetzes. Nur wenn die schwankenden und stetig wachsenden Strommengen aus Wind und Sonnenkraft auch über den aktuellen Bedarf hinaus verwendet werden und in das Stromsystem integriert werden können, ist der vollständige Umbau auf erneuerbare Energiequellen machbar. Das Problem dabei: Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist noch immer vergleichsweise teuer, der gesamte Prozess damit in den meisten Fällen unwirtschaftlich.

Preise für grünen Wasserstoff fallen
Das dürfte sich allerdings in den kommenden Jahren ändern. Prognosen gehen von einer Reduktion der Erzeugungskosten von grünem Wasserstoff bis 2030 um ein Drittel bis zur Hälfte und bis 2050 um rund zwei Drittel gegenüber dem derzeitigen Niveau aus, grüner Wasserstoff wird dann auch günstiger als blauer Wasserstoff sein. Experten des Beratungsunternehmens Boston Consulting Group sehen in Power-to-X insgesamt eine „unbedingt notwendige Technologie“ zum Gelingen der Energiewende, das Marktpotenzial im Jahr 2050 liege bei bis zu einer Billion US-Dollar (rund 840 Milliarden Euro). Allerdings: Grüner Wasserstoff ist den Studienautoren zufolge trotzdem kein Allheilmittel. Als hochwertiger Energieträger wird er vor allem dort sinnvoll eingesetzt werden können, wo wenige oder keine anderen Optionen zur Dekarbonisierung bestehen und er seine hohe energetische Qualität (Exergie) ausspielen kann.

Münzen in einem Wasserglas

In den kommenden Jahren werden rund um den Globus enorme Summen in den Ausbau erneuerbarer Energiequellen gesteckt. Wasserstoff hat das Potenzial, die so erzeugte Energie über längere Zeiträume hinweg zu speichern. © Micheile Henderson on Unsplash

Österreich nimmt Vorreiterrolle ein
In Österreich passiert genau das. Auch dank der Unterstützung des Klima- und Energiefonds konnte in den vergangenen Jahren eine starke, international beachtete Forschungscommunity aufgebaut werden. Zahlreiche heimische Unternehmen, Forschungsinstitute und Universitäten konzentrieren ihre Forschungs- und Entwicklungsbemühungen seit Langem auf Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien. Sie zählen etwa bei der Herstellung von Wasserstofftankstellen und als F&E-Dienstleister in den Bereichen Elektrolyse, Brennstoffzellen und Fahrzeuge zu den führenden Anbietern. Zur Förderung von Forschung und Entwicklung in den Bereichen der Anwendungs-, Netz- und Speichertechnologien von Wasserstoff und erneuerbaren Gasen haben sie die „Wasserstoffinitiative Vorzeigeregion Austria Power & Gas“ (kurz „WIVA P&G“) gegründet, die auch die gleichnamige Vorzeigeregion betreut. Um die österreichischen Stärkefelder durch Forschungs- und Innovationsprojekte weiter zu forcieren, wurden weiße Flecken identifiziert und in diesen Bereichen gezielt Projekte mit unterschiedlichsten Stoßrichtungen initiiert. In „FCTRAC“ beispielsweise wird ein Brennstoffzellen-Traktor samt Betankungsmöglichkeit entwickelt und auf seine Praxistauglichkeit überprüft. Im Projekt „HyTruck“ wiederum geht es um die Entwicklung eines emissionsfreien Brennstoffzellen-Antriebsstrangs für Nutzfahrzeuge und in „Renewable Gasfield“ ist die Errichtung einer Anlage zur Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels PEM-Elektrolyse mit anschließender Methanisierung und Einspeisung ins Gasnetz geplant. Immer öfter drängen hierzulande zudem Innovationen aus der Forschung in die Praxis. 2023 soll etwa die Zillertalbahn in Tirol zwischen Jenbach und Mayerhofen als erste Schmalspurbahn der Welt auf Wasserstoff umgestellt werden.

EU plant Milliarden-Investitionen
Österreich ist mit seinen Wasserstoff-Bemühungen auf europäischer Ebene nicht allein: Auch in anderen Ländern – insbesondere in Deutschland, in Frankreich und in den Niederlanden – wird die Entwicklung vorangetrieben, und auch Brüssel hat die Zeichen der Zeit erkannt: Im Rahmen ihres „Green Deal“ hat die Europäische Kommission Strategien für Wasserstoff und für die Integration des Energiesystems vorgelegt. Bis 2030 ist ein starker, stufenweiser Ausbau der Elektrolysekapazitäten vorgesehen, anschließend soll Wasserstoff weiter an Bedeutung gewinnen und bis 2050 in großem Maßstab in Sektoren eingesetzt werden, in denen Dekarbonisierung schwierig ist. Bis 2030 sollen damit insgesamt 430 Milliarden Euro in den Hochlauf der grünen Zukunftstechnologie investieren werden, der Anteil der öffentlichen Hand beträgt dabei 145 Milliarden Euro. Damit sollen Anwendungen ebenso wie Produktion, Infrastruktur und Speicherung gefördert werden und bis zu 140.000 neue Arbeitsplätze entstehen.

Luftaufnahme LKWs

Es gibt viele Einsatzbereiche für Wasserstoff: Große Potenziale sehen Experten mittelfristig vor allem in der Logistik und im Bereich der Schwerlasttransporte. © Nigel Tadyanehondo on Unsplash

Wasser – die Kohle der Zukunft
Einsatzbereiche für Wasserstoff gibt es viele. Das Gas könnte mittel- bis langfristig beispielsweise die Kohle in der Stahlerzeugung ersetzen und Anwendungen in Industrie und Gewerbe versorgen, die hohe Temperaturen benötigen. Große Potenziale gibt es auch im Bereich der Mobilität – nicht im Individualverkehr, der gerade auf Elektromobilität mit Akkutechnologien umgestellt wird, aber etwa im Bereich der Logistik, des Personen-Nah- und Fernverkehrs sowie der Schwerlasttransporte. Längst laufen auch Versuche, Flugzeuge und Schiffe mit entsprechenden Antrieben zu versehen. Als Energiespeicher kann Wasserstoff eine wesentliche Rolle beim Umbau des Energiesystems auf (teilweise fluktuierende) erneuerbare Energiequellen spielen. So könnte Jules Vernes Version tatsächlich Realität werden: Der Wasserstoff im Wasser würde dann als Brennstoff Verwendung finden und zu einer ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Er wäre dann tatsächlich die „Kohle der Zukunft“, könnte im Zusammenspiel mit anderen alternativen Strategien tatsächlich ein wichtiger Bestandteil der neuen Energiewelt werden und dabei auch noch die bislang getrennten Energiemärkte für Strom, Wärme und Transport verbinden.