Wasserstofferzeugung und Wasserstoffmarkt

Der größte Anteil an Wasserstoff wird heute über die Dampfreformierung von Erdgas erzeugt und als grauer Wasserstoff bezeichnet. Er weist derzeit die geringsten Kosten auf. Allerdings werden bei der Herstellung große Mengen an CO₂ freigesetzt. Wird dieses CO₂ bei der Reformierung abgetrennt und in der Erde gespeichert (Carbon Capture and Storage, CCS), ist von blauem Wasserstoff die Rede. Die Herausforderung besteht in der langfristig sicheren Lagerung des CO₂. Der sogenannte türkise Wasserstoff wird ebenfalls aus Erdgas erzeugt, wobei Methan durch die Zufuhr von thermischer oder elektrischer Energie in seine Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff gespalten wird. Bei dem Verfahren selbst wird zwar kein CO₂ freigesetzt, jedoch sind wie bei allen erdgasbasierten Herstellprozessen die Vorkettenemissionen zu berücksichtigen. Hierzu zählen auch diffuse Methanemissionen der Erdgasförderung, die im Vergleich zu CO₂ einen noch größeren spezifischen Treibhausgaseffekt verursachen. Zudem ist die langfristige Bindung des festen Kohlenstoffs bzw. seine klimaunschädliche Lagerung noch ungeklärt. Bei allen diesen Verfahren besteht auch die Möglichkeit, Biogas anstelle von Erdgas zu verwenden. Dabei ist vor allem der Einsatz biogener Reststoffe im Hinblick auf die Nachhaltigkeit vorteilhaft. Die Herstellkosten lägen jedoch aufgrund der kleineren Anlagengrößen deutlich höher. Weiterhin müssten auch die Prozesskette und die damit verbundenen Emissionen in Abhängigkeit der verwendeten Einsatzstoffe wie Abfall- oder Reststoffe betrachtet werden.

Weitestgehend emissionsfrei ist die Herstellung von Wasserstoff über die Wasser-Elektrolyse, sofern dafür Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird. In diesem Fall handelt es sich um grünen Wasserstoff. Hierfür arbeitet das Fraunhofer IKTS an unterschiedlichen Elektrolyseverfahren (siehe Elektrolyse). Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Hochtemperatur-Elektrolyse.

Eine weitere Möglichkeit zur Wasserstofferzeugung bieten bio-technologische Verfahren oder Konzepte zur Gewinnung von solarem Wasserstoff mittels Photokatalyse. Die photokatalytische Wasserspaltung besitzt klare Kostenvorteile durch eine geringe Systemkomplexität und den Einsatz großtechnisch erprobter Technologien aus der PV-Industrie. Ein wesentlicher Nachteil liegt aber im derzeit geringeren Gesamtwirkungsgrad. Das Fraunhofer IKTS arbeitet daher an neuen Materialien, weiterentwickelten Beschichtungsverfahren und an integrierten Gesamtsystemen, um die Effizienz zukünftig zu erhöhen.

Derzeit wird ein Großteil des Wasserstoffs in Raffinerien sowie in der Ammoniaksynthese für die Massenproduktion von Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen benötigt. Des Weiteren werden große Mengen an grauem Wasserstoff für die Methanolsynthese oder die Fischer-Tropsch-Synthese eingesetzt. Die Herstellung findet über Dampfreformierung in sehr großen Anlagen statt. Dabei wird nahezu die Gesamtmenge des erzeugten Wasserstoffs direkt vor Ort genutzt und nicht auf dem Markt gehandelt. Ein bereits etablierter Pfad zur Herstellung von Wasserstoff unter Einsatz elektrischer Energie ist die Chlor-Alkali-Elektrolyse, bei der Wasserstoff als Nebenprodukt anfällt und zum Teil auf den Markt gebracht wird.  Der Anteil an der gesamten Wasserstoffproduktion liegt allerdings lediglich bei zwei Prozent.

Für den nachhaltigen Aufbau eines Markts für grünen Wasserstoff müssen die Herstellungskosten sinken. Dies kann gelingen, wenn die Effizienz und Langzeitstabilität der angewendeten Elektrolyseprozesse weiter gesteigert sowie geeignete Rahmenbedingungen gesetzt werden. Darüber hinaus ist es erforderlich, eine bedarfsgerechte Wasserstoffinfrastruktur aufzubauen.

Ergänzend kann eine dezentrale Wasserstofferzeugung einen geeigneten Ansatz bieten. In Abhängigkeit von der erforderlichen Menge an Wasserstoff kann die Produktion direkt vor Ort günstiger sein – beispielsweise für den Betrieb einer Wasserstofftankstelle für Busse und LKW. Auch in der Kalk- und Zementindustrie oder in Biogasanlagen zur Herstellung werthaltiger Produkte ermöglicht die dezentrale Produktion einen schnelleren Einsatz und eine geringere Abhängigkeit von Verteilerstrukturen.

In Hinblick auf die Marktfähigkeit von grünem Wasserstoff muss in ausreichendem Maße reines Wasser für die Herstellung verfügbar sein. Insbesondere in dezentralen Anwendungen gewinnen daher kostengünstige Verfahren zur Wasseraufbereitung an Bedeutung. Dies betrifft je nach Standort des Elektrolyseurs zum einen die Entsalzung von Meerwasser und zum anderen die Aufbereitung von industriellen Prozesswässern.

Das Fraunhofer IKTS kombiniert hierfür die klassische keramische Membrantechnik mit elektrochemisch, sonochemisch und photokatalytisch basierten Prozessen und bindet diese in modulare Anlagenkonzepte ein. Damit lassen sich Lösungen für die dezentrale Wasseraufbereitung schaffen und die lokale Wertschöpfung erhöhen. Insbesondere für die Behandlung von Bergbauwässern hat das IKTS langjährige Entwicklungsarbeit betrieben und unikale elektrochemische Verfahren sowie technische Ausrüstungen in einem sehr hohen Reifegrad entwickelt. Diese ermöglichen es, Bergbauwässer aufzubereiten und gleichzeitig Wasserstoff als verwertbares Nebenprodukt abzutrennen (siehe Membran-Elektrolyse). Für den Strukturwandel in den Kohle-Regionen könnte dies ein vielversprechender Ansatz sein.