Wie Wasserstoffenergie in der Stromerzeugung eingesetzt wird

Die Stromerzeugung mit Wasserstoff erfolgt hauptsächlich über zwei Methoden: Brennstoffzellen und Verbrennungsturbinen, die für den Wasserstoffeinsatz angepasst wurden. Die Brennstoffzellentechnologie erzeugt Energie durch elektrochemische Prozesse und erreicht in Kombination mit Wärmerückgewinnungssystemen Wirkungsgrade von etwa 60 %. Viele bestehende Verbrennungsturbinen, die ursprünglich für den Erdgaseinsatz gebaut wurden, können mittlerweile Wasserstoffgemische oder sogar reinen Wasserstoff verarbeiten, was den Netzbetreibern eine dringend benötigte Flexibilität bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Stromversorgung bietet. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff erfolgt durch die Spaltung von Wassermolekülen mithilfe erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie über einen Prozess namens Elektrolyse. Dieser grüne Wasserstoff wird gespeichert, bis ein Rückgang der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien eintritt, woraufhin er wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Ein Beispiel ist Deutschland, wo mehrere Offshore-Windanlagen bereits grünen Wasserstoff produzieren. Diese Projekte haben es geschafft, die Abhängigkeit von Kohlekraftwerken in bestimmten Testgebieten um rund 40 % zu senken, wobei die Ergebnisse je nach lokalen Gegebenheiten und konkreter Umsetzung variieren.

Integration von Wasserstoff in bestehende Stromnetze

Wasserstoff trägt dazu bei, Stromnetze sauberer zu machen, und sorgt gleichzeitig für Stabilität. Wenn überschüssige erneuerbare Energie zur Verfügung steht, speichert Wasserstoff diese und gibt sie wieder ab, wenn die Nachfrage stark ansteigt. Ein Beispiel ist Dänemark: Bei dortigen Pilotprojekten hat sich gezeigt, dass die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen den Anteil ungenutzter Energie um jährlich zwischen 15 und möglicherweise sogar 20 Prozent senkt. Derzeit entstehen vermehrt hybride Anlagen, bei denen Solarparks gemeinsam mit Elektrolyseanlagen betrieben werden. Um jedoch alles reibungslos zusammenarbeiten zu lassen, ist ein hochentwickeltes Energiemanagement erforderlich, da die Energie im System in beide Richtungen fließt. Ein Blick auf Kalifornien und deren Renewable Hydrogen Backbone-Projekt zeigt, wie Wasserstoff genutzt wird, um das Netz während extremer Hitzewellen stabil zu halten, die in letzter Zeit den normalen Betrieb häufig stark beeinträchtigen.

Fallstudie: Wasserstoffbetriebene Anlagen in Deutschland und Japan

Das Energiepark Mainz in Deutschland kombiniert einen 6-Megawatt-Elektrolyseur mit Windenergiequellen, um jährlich rund 200 Tonnen Wasserstoff zu erzeugen. Diese Anlage kann bei Stromausfällen über ihr 1,4-MW-Brennstoffzellensystem etwa 2.000 Haushalte mit Strom versorgen. Auf der anderen Seite des Pazifiks hat Japan eine noch größere Anlage entwickelt, das Fukushima Hydrogen Energy Research Field, kurz FH2R. Mit einer Leistung von 10 MW ist es die weltweit größte grüne Wasserstoffanlage. Sie dient nicht nur zur Stromversorgung von Teilen Tokios, sondern wird auch von Forschern genutzt, um den Transport von Wasserstoff über Ozeane zu testen. Das Besondere an diesen Projekten ist ihre beeindruckende Effizienzrate von etwa 95 %. Diese hohe Leistung erreichen sie dadurch, dass sie die Menge des produzierten Wasserstoffs je nach aktuellem Bedarf des elektrischen Netzes anpassen.

Herausforderungen beim Hochskalieren von Wasserstoff für Grundlaststrom

Drei wesentliche Barrieren begrenzen die Rolle von Wasserstoff bei der Grundlaststromerzeugung:

• Kosten : Die Kapitalkosten für Elektrolyseure liegen weiterhin etwa dreimal so hoch wie die von Erdgasturbinen.
• Wirkungsgradverluste : Der Rundlaufprozess der Umwandlung von Strom in Wasserstoff und zurück führt zu einem Energieverlust von 30–35 %.
• Infrastruktur : Weniger als 15 % der weltweiten Gasleitungen können sicher Wasserstoffgemische über 20 % transportieren.

Eine Branchenanalyse aus dem Jahr 2021 hob die Haltbarkeit von Brennstoffzellen und die Versprödung von Pipelines als zentrale Forschungs- und Entwicklungsziele hervor und schätzte, dass bis 2040 Infrastrukturinvestitionen in Höhe von 1,2 Billionen US-Dollar erforderlich sein werden. Obwohl Wasserstoff die erneuerbaren Energien ergänzt, fehlt ihm derzeit die Kostengleichheit für einen flächendeckenden Einsatz als Grundlastenergie.

Wasserstoff für die Heizung: Dekarbonisierung industrieller und privater Heizsysteme

Die Rolle der Wasserstoffenergie bei der Dekarbonisierung von Heizsystemen

Laut IEA-Daten aus dem vergangenen Jahr stammen rund 40 Prozent aller CO2-Emissionen aus dem weltweiten Energieverbrauch von der Wärmeerzeugung, weshalb viele Experten Wasserstoff als echten Gamechanger für die Ersetzung fossiler Brennstoffe sowohl in industriellen Öfen als auch in Hausheizkesseln betrachten. Die Tatsache, dass Wasserstoff bei Temperaturen von nahezu 2800 Grad Celsius verbrennt, macht ihn besonders geeignet für energieintensive Industrien wie die Stahlproduktion. Einige Tests mit Brennstoffzellen-Mikro-Kraft-Wärme-Anlagen erzielten ebenfalls beeindruckende Ergebnisse und erreichten bei Nutzung in Fernwärmenetzen einen Wirkungsgrad von etwa 90 Prozent. Interessant ist, dass Wasserstoff in etwa 20 Prozent der derzeitigen Gasleitungen ohne Änderungen an der Infrastruktur bereits gut funktioniert – ein Umstand, der die Einführung dieser Technologie in verschiedenen Branchen deutlich beschleunigen könnte.

Beimischen von Wasserstoff in Erdgasleitungen

Das Beimischen von Wasserstoff in bestehende Gasnetze bietet einen Übergangsweg:

Europäische Versuche zeigen, dass 20-%-Beimischungen die Emissionen jährlich um 6 Millionen Tonnen senken könnten, während der sichere Betrieb beibehalten wird. Aufgrund der geringeren volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff müssen jedoch die Durchflussraten bei höheren Beimischungsgraden um 15–25 % erhöht werden.

Pilotprojekte in Großbritannien und den Niederlanden zur Nutzung von Wasserstoff für die Hausheizung

Das HyDeploy-Programm im Vereinigten Königreich hat es geschafft, Wasserstoff in die Gasversorgung für etwa 300 Haushalte zu einer Rate von rund 20 % einzumischen, und die meisten Menschen waren damit zufrieden – ungefähr 8 von 10 Teilnehmern gaben an, zufrieden zu sein. In den Niederlanden wurde die Sache mit dem H2Stad-Experiment noch interessanter, bei dem tatsächlich 1.500 Haushalte vollständig auf wasserstoffbetriebene Heizkessel umgestellt wurden. Die Ergebnisse waren ebenfalls beeindruckend, da dadurch die Emissionen aus der Heizung im Vergleich zu herkömmlichen Erdgassystemen um fast 90 % reduziert wurden. Obwohl diese Testprogramme zeigen, dass Wasserstoff im größeren Maßstab funktionieren kann, gibt es einige Bedenken, die erwähnenswert sind. Materialtests deuten darauf hin, dass die Nutzungsdauer von Rohrleitungen, die dauerhaft reiner Wasserstoff durchströmt, um 12 % bis möglicherweise 18 % verkürzt werden könnte. Keine besonders gute Nachricht, aber dennoch mit sorgfältiger Planung beherrschbar.

Effizienz- und Sicherheitsbedenken bei wasserstoffbasierten Heizsystemen

Wasserstoffkessel arbeiten mit einem Wirkungsgrad von etwa 85 bis 90 Prozent, was etwas niedriger ist als bei Erdgas mit rund 94 %. Das Besondere an Wasserstoff ist jedoch, dass er viel leichter entzündlich ist, da er nur 0,02 mJ benötigt im Vergleich zu 0,3 mJ bei Methan. Dies bedeutet, dass wir sehr gute Leckdetektionssysteme benötigen, die bereits kleinste Mengen erkennen können, möglicherweise schon ab einer Konzentration von 1 %. Laut einigen aktuellen Studien von DNV aus dem Jahr 2023 dringt Wasserstoff etwa 30-mal schneller durch Polyethylenrohre als herkömmliches Gas. Aufgrund dieses Problems werden die meisten älteren Rohrnetze voraussichtlich irgendwann spezielle Verbundliner benötigen. Auch eine ordnungsgemäße Belüftung darf nicht vergessen werden. Wenn Gebäude korrekt nachgerüstet werden, kann diese einfache Maßnahme allein das Explosionsrisiko um fast 92 % senken.

Wasserstoff im Verkehr: Von Brennstoffzellen bis zur Luftfahrt

Fahrzeuge mit Wasserstoffbrennstoffzelle als saubere Alternative im Transportwesen

Brennstoffzellenfahrzeuge erzeugen Strom durch chemische Reaktionen innerhalb der Zelle und stoßen dabei praktisch lediglich Wasserdampf als Abgas aus. Der große Vorteil ist, dass das Betanken weniger als fünf Minuten dauert, und diese Fahrzeuge können über 500 Kilometer weit fahren, bevor sie erneut betankt werden müssen. Für Anwendungen wie Fernverkehrs-Lkw und Frachtschiffe sind sie Batteriefahrzeugen überlegen, da sie mehr Energie auf kleinerem Raum speichern, ohne dabei zu viel Laderaum zu verlieren. Unternehmen wie Toyota und Hyundai investieren seit Neuestem verstärkt in die Wasserstofftechnologie für ihre größeren Transportanforderungen.

Einsatz von Wasserstoffbussen und -Lkws in Kalifornien und Südkorea

Kaliforniens H2-Frontier-Projekt hat seit 2023 mehr als 50 wasserstoffbetriebene Busse in 12 Verkehrsverbünden eingesetzt und dadurch jährlich 1.200 Tonnen CO₂-Emissionen eingespart. In Südkorea bedient der Wasserstoffhafen Ulsan mit 120 Brennstoffzellen-Lkws den Containertransport, unterstützt durch nahegelegene, mit Offshore-Windkraft betriebene Elektrolyseure.

Wasserstoffbetriebene Züge in Deutschland und Frankreich

Die deutschen Coradia-iLint-Züge haben 2023 insgesamt 220.000 emissionsfreie Kilometer zurückgelegt. Auf der französischen TER-Occitanie-Strecke wurden 15 Dieseltriebwagen durch wasserstoffbasierte Hybridzüge ersetzt, die über auf dem Dach montierte Brennstoffzellen verfügen, um die Reichweite auf nicht elektrifizierten Strecken zu erhöhen.

Neue Anwendungsbereiche im Schiffs- und Luftverkehr

Im maritimen Bereich verwenden Reedereien aus Wasserstoff gewonnenes Ammoniak zur Versorgung von vier Frachtschiffen in der Nordsee, wodurch sich die CO2-Emissionen im Vergleich zu Schweröl um 85 % verringern. Im Luftfahrtsektor werden null-emissionsfähige Regionalflugzeuge, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden, voraussichtlich ab 2035 in Dienst gestellt; aktuelle Prototypen absolvierten bereits Testflüge über 750 km.

Infrastrukturelle Herausforderungen bei Wasserstoff-Tankstellennetzen

Weltweit existieren weniger als 1.000 Wasserstofftankstellen, davon 42 % in Europa und 38 % in Asien. Die Hochdruckspeicherung bleibt teuer – 2024 bei 1.800 US-Dollar pro kg –, und die Sprödigkeit der Rohrleitungswerkstoffe stellt eine Herausforderung für die großflächige Verteilung dar.

Grüne Wasserstoffproduktion: Voranbringen nachhaltiger Methoden

Grauer vs. blauer vs. grüner Wasserstoff: Umwelt- und Wirtschaftlichkeitsaspekte

Es gibt einige verschiedene Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen, und jede hat ihre eigenen ökologischen Auswirkungen und Kosten. Grauer Wasserstoff entsteht durch Dampfreformierung von Erdgas (SMR) und setzt zwischen 9 und 12 Kilogramm CO2 pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff frei. Die Kosten liegen bei etwa 1,50 bis 2,80 US-Dollar pro Kilogramm, laut der Internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2023. Dann gibt es blauen Wasserstoff, der im Wesentlichen dasselbe SMR-Verfahren verwendet, jedoch um eine CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) ergänzt wird. Dadurch werden die Emissionen um rund 80 bis 90 Prozent reduziert, allerdings steigen die Kosten auf etwa 2,50 bis 4 US-Dollar pro Kilogramm. Schließlich haben wir den grünen Wasserstoff, der entsteht, wenn Strom aus erneuerbaren Quellen Elektrolyseure betreibt. Dieses Verfahren verursacht keine direkten Emissionen und liegt aktuell bei Kosten zwischen 3 und 5 US-Dollar pro Kilogramm. Das ist ein deutlicher Rückgang gegenüber vor wenigen Jahren, als die Preise noch bei etwa 4 bis 6 US-Dollar pro Kilogramm lagen.

Fortschritte bei der Elektrolyse steigern die Energieausbeute von grünem Wasserstoff

Protonenaustauschmembran-(PEM-)Elektrolyseure erreichen heute eine Effizienz von 75–83 %, gegenüber 60 % im Jahr 2010. Alkalische Systeme arbeiten mit einer Effizienz von 65–70 % und haben eine Lebensdauer von über 60.000 Stunden. Feste Oxid-Elektrolyseure (SOEC), die bei 700–900 °C betrieben werden, haben in Versuchen eine Effizienz von 85 % erreicht und zeigen großes Potenzial für die industrielle Produktion von grünem Wasserstoff (ScienceDirect 2024).

Kostenentwicklungen und Skalierbarkeit der wasserstoffbasierten Produktion aus erneuerbaren Energien

Die Kosten für die Erzeugung von Wasserstoff durch solarbetriebene Elektrolyse sind dramatisch gesunken, um rund 62 % seit 2015. Im Jahr 2024 sehen wir Preise zwischen 3 und 4,50 US-Dollar pro Kilogramm. Unterdessen in Australien produzieren Windparks jährlich mehr als 1.000 Tonnen grünen Wasserstoff zu etwa 3,80 US-Dollar pro kg. In China senken großtechnische Elektrolyseanlagen jedes Jahr die Produktionskosten weiter, wobei die Kosten jährlich um rund 18 % sinken. Laut Prognosen von BloombergNEF könnte der Preis für grünen Wasserstoff bis 2030 bei nur noch 1,50 US-Dollar pro kg liegen. Dies würde eintreten, während sich erneuerbare Energiequellen weiterhin rasant ausbauen lassen und voraussichtlich fast 85 % aller neuen Stromerzeugung weltweit ausmachen werden.

FAQ

Welche sind die wichtigsten Methoden zur Stromerzeugung mit Wasserstoff? Die wichtigsten Methoden sind Brennstoffzellen und Verbrennungsturbinen, die für den Einsatz von Wasserstoff angepasst wurden.
Wie trägt Wasserstoff zur Stabilität des Stromnetzes bei? Wasserstoff speichert überschüssige erneuerbare Energie und gibt sie bei Nachfragespitzen wieder ab, um die Netzstabilität sicherzustellen.
Welche aktuellen Herausforderungen bestehen bei der Verwendung von Wasserstoff für die Grundlastversorgung? Hohe Kosten, Wirkungsgradverluste bei der Energieumwandlung und infrastrukturelle Einschränkungen sind wesentliche Herausforderungen.
Wie wird Wasserstoff in Heizsystemen eingesetzt? Wasserstoff kann fossile Brennstoffe in industriellen und häuslichen Heizsystemen ersetzen und bietet eine nachhaltige Alternative.
Welche Fortschritte wurden bei der Produktion von grünem Wasserstoff erzielt? Entwicklungen in der Elektrolysetechnologie und großtechnische Anlagen haben die Kosten deutlich gesenkt und die Effizienz erhöht.