Grüner Wasserstoff verstehen: Definition und wesentliche Unterscheidungsmerkmale

Was ist Grüner Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff entsteht, wenn wir Wassermoleküle durch einen Prozess namens Elektrolyse spalten, und zwar nur dann, wenn erneuerbare Energiequellen wie Sonnenlicht oder Wind die benötigte elektrische Energie liefern. Im Grunde bedeutet dies, dass ein elektrischer Strom durch Wasser (H₂O) geleitet wird, um es in Wasserstoffgas und Sauerstoff aufzuspalten, wobei absolut kein Kohlendioxid freigesetzt wird. Herkömmliche Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff sind nicht so sauber und basieren oft auf fossilen Brennstoffen. Deshalb betrachten viele Experten grünen Wasserstoff laut aktueller Forschungsergebnisse von HERO Future Energies aus dem vergangenen Jahr als besonders wichtig für die weltweite Reduktion von Treibhausgasen.

Wie sich grüner Wasserstoff von grauem und blauem Wasserstoff unterscheidet

• Grauer Wasserstoff : Wird aus Erdgas durch Dampfreformierung gewonnen und emittiert 10–12 kg CO₂ pro kg Wasserstoff.
• Blauer Wasserstoff : Verwendet dieselbe fossile Grundlage, integriert jedoch die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff (CCS), um die Emissionen um etwa 50 % zu reduzieren.
• Grüner Wasserstoff : Verursacht keine direkten Emissionen, da erneuerbare Energien den gesamten Elektrolyseprozess antreiben.

Während grauer Wasserstoff derzeit 95 % der Produktion ausmacht, sind die Lebenszyklusemissionen von grünem Wasserstoff um 75–90 % niedriger als selbst die von blauem Wasserstoff (Visualizing Energy, 2024).

Die entscheidende Rolle erneuerbarer Energien bei der Produktion von grünem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff kann ohne die Unterstützung durch erneuerbare Energien einfach nicht funktionieren. Der Elektrolyseprozess benötigt etwa viermal mehr Strom als herkömmliche Methoden, weshalb die direkte Kopplung dieser Anlagen an Solaranlagen oder Windparks entscheidend ist, wenn es darum geht, die Produktion nachhaltig hochzufahren. Machen wir Zahlen: Die Herstellung eines Kilogramms grünen Wasserstoffs erfordert etwa fünfzig Kilowattstunden sauberen Stroms. Das mag viel erscheinen, aber hier wird bereits Fortschritt sichtbar, da sich die Preise für Solarmodule im letzten Jahrzehnt dramatisch verringert haben – allein seit 2010 um fast neunzig Prozent. Bei Betrachtung zukünftiger Möglichkeiten gehen Experten davon aus, dass grüner Wasserstoff bis zur Jahrhundertmitte schließlich zwischen fünfzehn und zwanzig Prozent des weltweiten Bedarfs übernehmen könnte, der derzeit aus fossilen Brennstoffen stammt.

Herstellung von grünem Wasserstoff: Elektrolyse, Technologien und globale Kapazität

Produktionsprozess von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff erfolgt durch einen Prozess namens Elektrolyse, bei dem Wassermoleküle (H2O) unter Einwirkung von elektrischem Strom in Wasserstoff- und Sauerstoffgas zerlegt werden. Die Wirkungsgrade variieren hier erheblich, zwischen etwa 70 % und möglicherweise sogar 90 %, abhängig vom verwendeten Elektrolyseursystem. Damit dieser Prozess ordnungsgemäß funktioniert, benötigen wir sauberes Wasser und eine zuverlässige Stromversorgung. Die meisten derzeitigen Anlagen erzeugen etwa ein Kilogramm Wasserstoff pro fünfzig Kilowattstunden verbrauchter Energie. Das ist angesichts des Energieeinsatzes bei anderen industriellen Verfahren nicht schlecht.

Arten von Elektrolyseuren: PEM, Alkalisch und Festoxid

Alkalische Elektrolyseure dominieren bestehende Projekte aufgrund niedrigerer Kosten, während PEM-Systeme in Anwendungen mit variabler erneuerbarer Energie zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Integration von Solar- und Windenergie für eine nachhaltige Produktion

Die Integration erneuerbarer Energien adressiert den größten Kostenfaktor von grünem Wasserstoff: den Energieeinsatz. Solar- und Windenergie senken die Produktionskosten mittlerweile auf $3-4/kg (Schätzungen für 2024), gegenüber $6/kg im Jahr 2018. Anlagen in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung und starkem Wind nutzen hybrid-Systeme , indem sie Solarmodule mit Windturbinen kombinieren, um einen 24/7-Betrieb sicherzustellen.

Aktuelle globale Produktionskapazität und führende Länder

Die globale Produktion von grünem Wasserstoff hat im Jahr 2024 1,2 Millionen Tonnen überschritten, ein Anstieg um 50 % seit 2022. Mehr als 80 % dieser Kapazität stammen aus Vorzeigeprojekten im Nahen Osten, in Australien und Nordeuropa, unterstützt durch globale Investitionen in Höhe von 500 Milliarden US-Dollar.

Herausforderungen beim Hochskalieren der grünen Wasserstoffproduktion

Das Hochskalieren steht vor Hürden wie 9 Liter gereinigtes Wasser pro Kilogramm Wasserstoff , was einen fortschrittlichen Entsalzungsinfrastrukturbedarf mit sich bringt. Lieferkettenengpässe für seltene Materialien wie Iridium (verwendet in PEM-Elektrolyseuren) und begrenzte Wasserstoffleitungen verzögern die Einführung weiter. Trotz dieser Barrieren deuten die Kostenschätzungen für 2030 von 1,50 $/kg auf eine zunehmende Wirtschaftlichkeit für industrielle Anwendungen hin.

Umwelt- und wirtschaftliche Vorteile von grünem Wasserstoff

Keine CO₂-Emissionen bei Produktion und Nutzung

Die Produktion von grünem Wasserstoff verursacht keinen Kohlendioxidausstoß bei Verwendung von erneuerbarem Strom für die Elektrolyse, im Gegensatz zu grauem Wasserstoff, der aus der Methanreformierung gewonnen wird. Dieser saubere Energieträger behält seine kohlenstoffneutrale Eigenschaft bei der Anwendung in Brennstoffzellen oder industriellen Prozessen bei und vermeidet Emissionen in jeder Phase des Lebenszyklus.

Verringerung der Luftverschmutzung und der Treibhausgasemissionen

Die Ersetzung fossiler Brennstoffe durch grünen Wasserstoff im Verkehr und in der Industrie senkt die Stickoxide (NOx) um bis zu 45 % und Schwefeloxide (SOx) um 92 %, was die Luftqualität in städtischen Gebieten erheblich verbessert.

Lebenszyklusanalyse: Umweltauswirkungen von grünem Wasserstoff

Eine vergleichende Studie aus dem Jahr 2023 ergab, dass die Lebenszyklusemissionen von grünem Wasserstoff 96 % niedriger als bei Erdgas-basierten Systemen, wenn Offshore-Windstrom verwendet wird. Der Wasserverbrauch bleibt um 30 % unterhalb von Kohle-zu-Wasserstoff-Verfahren.

Schaffung von Arbeitsplätzen in den Bereichen Erneuerbare Energien und Wasserstoff

Die Wertschöpfungskette von grünem Wasserstoff wird voraussichtlich weltweit 2,3 Millionen Arbeitsplätze bis 2035 schaffen , insbesondere in der Herstellung von Elektrolyseuren und in Solar-Wind-Hybridparks. Länder wie Deutschland und Australien verzeichnen bereits ein jährliches Beschäftigungswachstum von 12–15 % in wasserstoffbezogenen Berufen.

Investitionstrends und sinkende Kostenkurven

Die Kosten für Elektrolyseure sind seit 2015 um 60 % gesunken, und die Produktion von grünem Wasserstoff soll bis 2030 1,50 $/kg erreichen – eine 75%ige Reduktion gegenüber den Preisen von 2022. Die weltweiten Investitionen überstiegen 2023 die Marke von 320 Milliarden US-Dollar, angetrieben durch öffentlich-private Partnerschaften im Rahmen von 48 nationalen Wasserstoffstrategien.

Energieunabhängigkeit und geopolitische Vorteile

Der Wechsel zu inländisch produziertem grünem Wasserstoff könnte die Energieimportkosten der EU-Länder jährlich um 110 Milliarden US-Dollar senken und gleichzeitig Lieferkettenunterbrechungen verringern, die durch die Volatilität der fossilen Brennstoffmärkte verursacht werden.

Industrielle Anwendungen und technologische Fortschritte

Möglichmachung der Dekarbonisierung in schwer zu reduzierenden Industrien wie Stahl und Ammoniak

Der Wechsel zu grünem Wasserstoff sorgt in Branchen, die lange Zeit auf fossile Brennstoffe angewiesen waren, für Aufsehen. Nehmen wir beispielsweise die Stahlherstellung, die laut dem IRENA-Bericht von 2023 etwa 7 % aller weltweiten CO2-Emissionen verursacht. Wenn Unternehmen die herkömmlichen Kohle-Methoden durch wasserstoffbasierte Direktreduktionsverfahren ersetzen, können sie die Emissionen pro Tonne produziertem Stahl um rund 95 % senken. Es betrifft aber nicht nur die Stahlindustrie. Düngemittelhersteller, die von Erdgas auf grünes Wasserstoff wechseln, reduzieren ihre CO2-Emissionen um etwa 1,8 Tonnen pro Tonne erzeugtem Ammoniak. Diese Zahlen sind nicht nur auf dem Papier beeindruckend, sondern repräsentieren reale Veränderungen, die aktuell in Fabriken und Anlagen weltweit stattfinden.

Grüner Wasserstoff im Schwerlastverkehr und in der Schifffahrt

Wasserstoff-Brennstoffzellen überwinden die Grenzen von Batterien bei Fernverkehrs-Lkw und Frachtschiffen und bieten pro Betankung eine Reichweite von 600–800 km. Maritime Erprobungen zeigen, dass wasserstoffbetriebene Schiffe die Stickoxidemissionen im Vergleich zu konventionellem Schiffsdiesel um 35 % reduzieren.

Einsatz in der Stromerzeugung und häuslichen Heizung

Versorger mischen bis zu 20 % Wasserstoff mit Erdgas in bestehenden Pipelines, wobei europäische Pilotprojekte eine um 12 % geringere CO₂-Emission in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nachweisen. Japans ENE-FARM-Projekt hat seit 2020 insgesamt 460.000 Wasserstoff-Brennstoffzellen für den häuslichen Einsatz installiert.

Innovationen bei Speicherung, Transport und Brennstoffzellentechnologien

Zu den jüngsten Fortschritten zählen:

• Kryogene flüssige Wasserstofftanks erreichen eine Speichereffizienz von 97 %
• Flüssige organische Wasserstoffträger ermöglichen sicheren maritimen Transport
• Festoxid-Brennstoffzellen erreichen eine elektrische Effizienz von 65 % (DOE 2023)

Anwendungen in Netzstabilisierung und Energiespeicherung

Deutsche Windparks nutzen jetzt 140-MW-Elektrolyseure, um überschüssige Energie während der Spitzenproduktion in Wasserstoff umzuwandeln, wodurch das Netz stabilisiert wird und gleichzeitig 2.800 Tonnen pro Jahr Wasserstoff für industrielle Anwendungen erzeugt werden.

Weltweite Akzeptanz und zukünftige Aussichten für grünen Wasserstoff

Aufstrebende Märkte und Pilotprojekte weltweit

Die Märkte für grünen Wasserstoff wachsen derzeit weltweit in atemberaubendem Tempo, wobei Testprojekte in mehr als fünfunddreißig verschiedenen Ländern entstehen. Nehmen wir Saudi-Arabien: Das NEOM-Projekt möchte bis 2026 etwa sechshundertfünfzig Tonnen sauberen Wasserstoff pro Tag herstellen. Ganz unten in Australien hat das Asian Renewable Energy Hub noch größere Ambitionen und zielt darauf ab, bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts jährlich dreieinhalb Millionen Tonnen zu produzieren. Auch wirtschaftlich weniger entwickelte Länder steigen ins Geschäft ein. Orte wie Chile und Namibia verfügen über riesige, bisher ungenutzte Sonnen- und Windenergiepotenziale und positionieren sich daher als mögliche Exporteure. Allein das chilenische Unternehmen HIF Global plant den Bau von vierzehn Gigawatt Elektrolysekapazität gegen 2040. Die meisten Prognosen deuten darauf hin, dass wir bis 2030 nahezu fünfzig Millionen Tonnen jährliche Produktion von grünem Wasserstoff erreichen könnten, was etwa dem Fünffachen dessen entspricht, was wir im Jahr 2023 hatten.

Politische Unterstützung und internationale Zusammenarbeit beschleunigen die Einführung

Politikmacher weltweit drängen stärker darauf, ihre Wasserstoffstrategien in die Praxis umzusetzen. Die Europäische Union hat ein ehrgeiziges Ziel für ihre Wasserstoffstrategie festgelegt und möchte bis 2030 innerhalb ihrer Grenzen mindestens 10 Millionen Tonnen grünen Wasserstoff produzieren. Dieses Ziel wird begleitet von recht großzügigen Anreizen, wie beispielsweise der Steuervergünstigung von 3 Dollar pro Kilogramm im Rahmen des amerikanischen Inflation Reduction Act. Gleichzeitig verfolgt Japan auf der anderen Seite des Pazifiks einen völlig anderen Ansatz. Die japanische Grundlegende Wasserstoffstrategie konzentriert sich darauf, Lieferungen aus Ländern wie Australien und Brunei zu beziehen, anstatt massive Produktionsanlagen im Inland aufzubauen. Auch die internationale Zusammenarbeit gewinnt an Fahrt, wobei Gruppen wie das G7-Wasserstoff-Aktionspakt eng mit Organisationen wie der Africa Green Hydrogen Alliance zusammenarbeiten. Diese Kooperationen zielen darauf ab, Infrastrukturen aufzubauen, die nationale Grenzen überschreiten, um letztendlich die Herstellungskosten durch größere Betriebsgrößen zu senken, sodass die Preise bis zum Ende dieses Jahrzehnts unter 1,50 Dollar pro Kilogramm fallen könnten.

Überwindung von Infrastrukturlücken und branchenspezifischen Herausforderungen

Die Internationale Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) spricht hier von einem ziemlich großen Problem. Man geht davon aus, dass bis 2030 etwa 1,5 Billionen US-Dollar an Infrastruktur fehlen werden, die für all jene Produktionsstätten, Pipelines und Betankungsstationen benötigt wird. Elektrolyseure sind nach wie vor zu teuer für die meisten Unternehmen, aber die Situation verbessert sich. Die Preise sind seit 2018 bereits deutlich gesunken und haben sich bei alkalischen Systemen um etwa ein Drittel auf nun rund 800 US-Dollar pro kW reduziert. Große Akteure in diesem Bereich arbeiten an Speicherlösungen mit ziemlich innovativen Technologien wie kryogener flüssiger Wasserstoffspeicherung oder dem Transport über Ammoniak. Auch die Einigung auf gemeinsame Standards ist wichtig. Die EU verfügt über ein Herkunfts-Nachweis-System, das breiter angewendet werden müsste, um echte Fortschritte in Richtung der beim COP28 im vergangenen Jahr festgelegten Klimaziele für 2050 zu erzielen. Und nicht zuletzt sollte man die Häfen ausbauen, damit diese grünen Kraftstoffe effizient grenzüberschreitend transportiert werden können.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Grüner Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff wird mithilfe erneuerbarer Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie durch den Prozess der Elektrolyse hergestellt, bei dem Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, ohne Kohlendioxid freizusetzen.

Worin unterscheidet sich grüner Wasserstoff von anderen Wasserstoffarten?

Grüner Wasserstoff unterscheidet sich von grauem und blauem Wasserstoff, da er keine direkten CO₂-Emissionen verursacht. Grauer Wasserstoff wird aus Erdgas gewonnen und emittiert CO₂, während blauer Wasserstoff Carbon Capture and Storage (CCS) nutzt, um diese Emissionen zu minimieren.

Welche Rolle spielen erneuerbare Energien bei der Produktion von grünem Wasserstoff?

Erneuerbare Energien sind für die Produktion von grünem Wasserstoff unerlässlich, da sie die notwendige elektrische Energie für die Elektrolyse bereitstellen, ohne Treibhausgase zu erzeugen.

Welche Haupt-Herausforderungen bestehen bei der Steigerung der Produktion von grünem Wasserstoff?

Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen der hohe Energiebedarf für die Produktion, der Bedarf an großtechnischer Infrastruktur für erneuerbare Energien sowie Probleme in der Lieferkette für seltene Materialien, die in Elektrolyseuren verwendet werden.

Gibt es wirtschaftliche Vorteile bei der Verwendung von grünem Wasserstoff?

Ja, grüner Wasserstoff kann Arbeitsplätze in den Bereichen erneuerbare Energien und Wasserstoff schaffen, die Luftverschmutzung reduzieren, Treibhausgasemissionen verringern und durch die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffimporten Energieunabhängigkeit bieten.