Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für die Energiewende. Wissenschaftler arbeiten nun daran, das unsichtbare Gas, das schon seit den 1960er-Jahren in der Luftfahrt im Einsatz ist, als Energieträger im Eigenheim nutzbar zu machen. Erste Wohnprojekte gibt es bereits. Wird uns Wasserstoff als Energieträger unabhängiger von fossilen Brennstoffen machen und erneuerbare Energien aus Sonne und Wind ergänzen?
Grundlagen zum Energieträger Wasserstoff
Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger und -speicher. Es braucht Primärenergie, um ihn herzustellen. Wie funktioniert das und wie kann man ihn nutzen? Ein Überblick.
Wo finden wir Wasserstoff?
Über 90 Prozent der Materie des gesamten Universums besteht aus Wasserstoff. Auf der Erde kommt er in fast allen organischen Verbindungen vor: ob in Wasser, dessen Masse zu elf Prozent aus Wasserstoff besteht, oder in Säuren und Kohlenwasserstoffverbindungen wie Erdgas und Erdöl. In elementarer Form sind lediglich Spuren von Wasserstoff in der Erdatmosphäre und in vulkanischen Gasen zu finden. Der Stoff muss deshalb durch chemische Verfahren gewonnen werden.
Was ist Wasserstoff?
Er ist das leichteste Gas, das wir auf der Erde kennen. Protium, das verbreitetste Isotop von Wasserstoff, besteht lediglich aus einem Proton und einem Elektron. Im Normalzustand liegt der Stoff als molekularer Wasserstoff vor (H2).
Wie wird grüner Wasserstoff überhaupt hergestellt?
Die Herstellung von grünem Wasserstoff funktioniert mithilfe der Elektrolyse, also dem Einsatz von elektrischem Strom. Dieses Verfahren ist schon über 200 Jahre alt. Hierbei wird Wasser mit einer leitfähigen Substanz versetzt, zum Beispiel mit Salz. Setzt man das Gemisch (Elektrolyt) mithilfe von zwei Metallstäben (Elektroden) unter Spannung, wandern positiv geladene Wasserstoffionen zum Minuspol (Kathode) und negative Sauerstoffionen zum Pluspol (Anode). Damit diese Art Herstellung von Wasserstoff CO2-neutral abläuft, muss auch der Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammen – dann spricht man von grüne Wasserstoff.
Wofür kann Wasserstoff genutzt werden?
Schon heute ist der Nutzen von Wasserstoff vielfältig. In der Industrie dient er unter anderem zur Produktion von Stickstoffdünger und der Raffinerie von Erdöl. Brennstoffzellen können mithilfe von Wasserstoff nicht nur Transportschiffe und Lastwagen, sondern auch das eigene Automobil antreiben. In der Raumfahrt gehören sie für den Antrieb und die Stromversorgung schon seit den 1960er-Jahren dazu und sind heute Standard. So weit ist es beim Eigenheim noch nicht. Aber erste Hausprojekte mit Wasserstoff als Wärmespeicher und -spender gibt es auch schon hier.
Was bedeuten die verschiedenen Farben?
Wasserstoff an sich ist farblos. Trotzdem werden ihm Farben zugeschrieben. Die Varianten geben an, wie der Wasserstoff produziert wird. Hier die gängigsten Ausprägungen:
Grüner Wasserstoff: Hergestellt aus erneuerbaren Energien. CO2-neutral und deshalb grün.
Grauer Wasserstoff: Fossile Brennstoffe sind die Grundlage. Dabei entsteht einiges an CO2.
Blauer Wasserstoff: Basis sind ebenfalls fossile Brennstoffe. Das entstehende CO2 wird gespeichert und gelangt nicht in die Atmosphäre. Im Idealfall deshalb „bilanziell“ CO2-neutral.
Türkiser Wasserstoff: Aus Erdgas entstehen durch Pyrolyse Wasserstoff und fester Kohlenstoff. Wird dieser dauerhaft gebunden, ist dies ein neutrales Verfahren.
Kann man Wasserstoff aus Bananenschalen gewinnen?
Wohlklingende Zukunftsmusik? Wissenschaftlern im schweizerischen Lausanne ist es gelungen, Wasserstoff aus Biomüll wie Bananenschalen oder Maiskolbenresten herzustellen: Bei der Pyrolyse wird die Biomasse mit Lichtpulsen schnell und kurz erhitzt. Als Nebenprodukt entsteht nützliche Biokohle. Die Forschung steht noch am Anfang. Trotzdem hält man es jetzt schon für möglich, diese Technik auch im größeren Maßstab einsetzen zu können.
Wie ist der aktuelle Entwicklungsstand?
Industriell produzierter Wasserstoff ist zu 90 Prozent umweltschädlicher grauer Wasserstoff. Blauer Wasserstoff ist längst nicht immer CO2-neutral, da das CO2 zum Beispiel aufgrund von Lecks in der Erdgas-Infrastruktur nicht immer einbehalten werden kann. Grüner Wasserstoff ist derzeit nur teuer und ineffizient herzustellen. Alternative Herstellungsformen, etwa aus Enzymen, stehen noch am Anfang. Momentan untersuchen unter anderem die Kopernikus Projekte und HYPOS, wie man in Deutschland eine breite Infrastruktur aufbauen kann. Um die Forschung weiter voranzutreiben, will die Bundesregierung 200 Milliarden Euro in die Klimawende und damit auch in Wasserstoff investieren.
„Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende“
In naher Zukunft soll die Nutzung von Wasserstoff die Energiewende vor allem in der Industrie und im Verkehr unterstützen. Unter bestimmten Voraussetzungen ist auch der Einsatz im Gebäudebereich sinnvoll, weiß Christoph Hildebrandt. Der Ingenieur hat ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk mitgebaut.
Herr Hildebrandt, wieso sollte Wasserstoff seinen Weg in unsere Eigenheime finden?
Ich denke, Wasserstoff wird zukünftig ein wichtiger Baustein sein, um im Gebäudebereich grüne Energie zu erzeugen. Und zwar nicht nur in Form von Wärme, sondern auch von Strom.
Was unterscheidet Wasserstoff von anderen Energieerzeugern?
Man kann nicht überall in Deutschland auf Solarthermie, Windenergie oder die Wärmepumpe zurückgreifen, das geht zum Beispiel in Großstädten schlecht. Wasserstoff kann da zu einer Alternative werden. Das Gas hat auch den Vorteil, dass es Energie speichern kann.
Damit würde Wasserstoff ja ein grundsätzliches Problem in Deutschland lösen, nämlich wie man Strom für die Wintermonate speichern kann.
Genau. Die Sonne scheint ja nun mal im Winter nicht so häufig, weshalb man dann weniger Erträge mit Solarenergie erzielt. Wir brauchen deshalb einen speicherfähigen Energieträger, der Erdgas ersetzen kann, und das ist Wasserstoff. Mit Wasserstoff kann man potenziell Energie in kleinen Speichern lokal speichern. Man kann aber auch einen größeren Vorrat in Kavernen anlegen.
Wie ist denn derzeit der Stand der Technik? Wie kann ich mir Wasserstoff jetzt schon beschaffen?
Wir stehen derzeit noch relativ am Anfang der Wasserstoffversorgung im Haushalt, vor allem, was reine Wasserstoffenergiesysteme angeht. Es galt lange als zu teuer und zu aufwendig, eine Infrastruktur für Wasserstoff aufzubauen. Die derzeit kommerziell verfügbaren Blockheizkraftwerke (BHKW), die eine Brennstoffzelle besitzen, basieren deshalb auf Erdgas. Mithilfe der sogenannten Dampfreformierung wird ein wasserstoffreiches Gas erzeugt. Im Vergleich zum regulären Energiemix in Deutschland lassen sich zwar durch diese relativ effiziente Art der Wärmeerzeugung jetzt schon immerhin 30 Prozent der CO2-Emissionen einsparen. In naher Zukunft sollte man sich aber komplett vom Erdgas wegbewegen.
Und dann gibt es ja noch das Picea-System bei der heimischen Stromversorgung.
Ja, das Picea-System ist eine der wenigen Lösungen, die am Markt verfügbar sind und mit reinem Wasserstoff agieren. Das ist eine Kopplung von einer Photovoltaikanlage auf dem Dach mit einem Batteriespeicher, einer Wärmepumpe und einem Wasserstoffspeicher mit Elektrolyseur, der aus Wasser Wasserstoff produziert. Ich würde sagen, das ist eine Lösung, die vor allem im Neubaubereich für Einfamilienhäuser gut funktionieren kann. Es ist wahrscheinlich nicht das potenziell wirtschaftlichste Modell. Aber das Picea-Modell an sich und auch Wasserstoff im Allgemeinen sind durchaus für die Hausbesitzer interessant, denen die Autarkie in der Energieversorgung wichtig ist.
Mal angenommen, ich bin interessiert daran, mein Heim mit Wasserstoff zu versorgen: Welche Schritte muss ich dazu erledigen?
Man sollte zum Beispiel prüfen: Gibt es eine Infrastruktur, an die man sich anschließen kann? Oder sollte man darüber nachdenken, selbst Wasserstoff im eigenen Heim zu erzeugen? In Deutschland gibt es zurzeit logischerweise kein flächendeckendes Wasserstoffnetz. Einzelne Stadtteile und Wohnquartiere wurden jedoch schon probeweise umgestellt. Für Selbstversorger ist sicher der Kostenaspekt entscheidend. Ich sage mal bildlich gesprochen: Ich hole mir dann ja quasi das Gasfeld oder das Ölfeld nach Hause. Und die gesamte Technik, die für die Wasserstofferzeugung notwendig ist. Das macht es auf jeden Fall nicht billiger. Ein weiterer Punkt ist natürlich, dass auch einige Regularien zu beachten sind.
Was kommt da auf die potenziellen Selbstversorger zu?
Man muss sich eine Reihe von Fragen stellen: Mit welchem Speicher arbeite ich? Wo wird er aufgestellt? Dann muss auf jeden Fall eine Begutachtung des Ganzen stattfinden, zum Beispiel mit einem Partner wie dem TÜV. Das ist momentan alles schon machbar, aber es hat sich noch kein Standardprozess dafür etabliert.
Sie haben den Speicher angesprochen. Wie sicher ist das denn, wenn ich zu Hause Wasserstoff in Tanks oder Flaschen lagere?
Natürlich sollte man Wasserstoff mit Vorsicht genießen. Aber Gleiches gilt ja auch für Erdgas oder elektrischen Strom. Wenn man bestimmte Regeln einhält, gibt es da keine Probleme. Wasserstoff wird ja in vielen Bereichen eingesetzt und gilt als sicher. Neue Modelle von Tanks sind besonders stabil und sorgen dafür, dass kein Wasserstoff ausströmt, auch wenn die Außenwand irgendwie beschädigt werden sollte.
Wenn ich also entschlossen bin, mein Projekt zu starten: Wer kann mir dann bei den Planungen helfen?
Man sollte sich am besten mehrere Ansprechpartner mit ins Boot holen. Wir als Systemhersteller können da unterstützen. Wir würden dann schauen, dass wir Partner aus den Bereichen Elektrolyse und Speicherung mit dazunehmen, die auch Erfahrung haben. Zusammen würden wir dann das Projekt Schritt für Schritt durchgehen und abarbeiten. Ich würde mal sagen, der erste Anlauf ist dann immer der Hersteller.
Was kann Wasserstoff alles im Haus, beziehungsweise, was soll er können?
Grüner Wasserstoff ist ein wertvolles Gut, deshalb wäre es schade, wenn man ihn einfach „nur“ zur Wärmeerzeugung verbrennen würde. Unser eigenes BHKW kann elektrischen Strom mit einem Wirkungsgrad von 50 Prozent erzeugen. Die restlichen 40 bis 45 Prozent fallen für Wärme an. Das bedeutet, dass nur fünf Prozent des Wasserstoffs ungenutzt verfallen.
Wie stehen die Chancen, dass wir in Zukunft alle mit Wasserstoff heizen und Strom erzeugen?
Das wird in Deutschland noch ein wenig dauern. Erst einmal muss genug grüner Wasserstoff produziert werden, um unseren Bedarf zu decken. Außerdem muss eine Infrastruktur aufgebaut werden, mit der der Wasserstoff nach Hause transportiert werden kann. Glücklicherweise müssen wir da nicht bei null anfangen, da wahrscheinlich das bestehende Gasnetz zumindest in Teilen dafür genutzt werden kann. Seit etwa sechs Jahren wird dazu bei HYPOS bereits geforscht.
Was ist das Besondere am Unternehmen HYPOS?
Bevor das Projekt 2016 in Bitterfeld-Wolfen begann, war Wasserstoff als Energieträger in Deutschland noch gar kein großes Thema. Das HYPOS hat sich der Sache ganzheitlich genähert: von der Ermittlung von Potenzialen zur Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff über die Technologie für den Transport bis hin zur Speicherung in kleinen mobilen Speichern oder auch riesigen Kavernen. Wir haben so innerhalb weniger Jahre wertvolle Ergebnisse erzielt.
Was für Ergebnisse sind das konkret?
Zum Beispiel haben wir bereits ein BHKW entwickelt und gebaut, das jetzt schon reinen Wasserstoff verbraucht. Und zwar in einer Menge, dass man damit größere Anlagen mit Strom und Wärme versorgen kann, also Hotels, Mehrfamilienhäuser und so weiter. Die Voraussetzung, um das jetzt großflächig zu nutzen, wird die Infrastruktur sein, an der wir mitforschen. Ich denke also, man kann schon mit Fug und Recht behaupten, dass das Projekt die allgemeine Sichtweise auf Wasserstoff ein Stück weit mitgeprägt hat.
Drei Wasserstoff-Fragen rund ums Eigenheim
1. Wie kann ich Wasserstoff in meinem Eigenheim nutzen?
Wasserstoff ist heute vor allem ein möglicher Bestandteil für energieautarkes Leben. Der Ganzjahres-Stromspeicher Picea speichert überschüssigen Sommer-Solarstrom mittels des Energieträgers Wasserstoff. Im Winter kann der gespeicherte Strom genutzt werden, um beispielsweise eine Wärmepumpe zu betreiben. Auch in Brennstoffzellenheizgeräten kann die Nutzung von Wasserstoff erfolgen.
2. Wie viel kostet mich die Anschaffung?
Noch muss man sich Wasserstoff im Haus leisten können: Brennstoffzellenheizungen kosten derzeit etwa mindestens 23.000 Euro. Das Picea-System wird individuell an Standort und Strombedarf angepasst und erfordert zwischen 85.000 und 120.000 Euro. Erschwinglicher wird es mithilfe des KfW-Förderprogramms 433: Hier gibt es bis zu 40 Prozent der förderfähigen Kosten bzw. bis zu 34.300 Euro pro Brennstoffzelle als finanzielle Unterstützung (Stand: Juni 2022).
3. Wie produziert man mit Wasserstoff Wärme und Strom?
Die Brennstoffzelle vollzieht den gegenteiligen Schritt der Elektrolyse: Hier wird nicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten, sondern die beiden Elemente reagieren zu Wasser. Diesen Vorgang nennt man „kalte Verbrennung“. Dabei entsteht jedoch nicht nur Wasser, sondern als Nebenprodukte werden auch Wärme und Strom gewonnen, die ein Haus mit Energie versorgen.
