Wasserstoff - Hoffnungsträger der Energiewende

Obwohl Wasserstoff das mit Abstand häufigste Element im Universum ist, tritt das unsichtbare, geruchlose und ungiftige Gas nur sehr selten in seiner chemisch reinen Form auf. Meist liegt der hochreaktive Stoff in gebundener Form vor. Bei der Wasserstoffgewinnung muss diese chemische Bindung durch das Einbringen von Energie gelöst werden. Dies ist mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Prozessen möglich.

Grüner Wasserstoff wird hauptsächlich durch die Elektrolyse von Wasser mithilfe von erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie hergestellt. Der Prozess der Elektrolyse spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Die Verwendung von erneuerbaren Energiequellen zur Elektrolyse macht den produzierten Wasserstoff "grün", weil so im Gegensatz zu anderen Herstellungsmethoden keine klimaschädlichen CO₂-Emissionen freigesetzt werden.

Wasserstoff bietet als vielseitiger chemischer Energieträger das Potenzial, eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung des Energiesystems und der Reduktion der Treibhausgasemissionen zu spielen.

Durch die hohe Leistungs- und Energiedichte sowie die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff ist es möglich, den CO₂-Fußabdruck in Sektoren zu reduzieren, die über eine Elektrifizierung schwer zu dekarbonisieren sind, wie beispielsweise die Stahl-, Chemie- oder Papierindustrie und das Transportwesen.

Die Nutzung von Wasserstoff als Energiespeicher trägt außerdem zur Lösung eines der Hauptprobleme bei der Integration erneuerbarer Energien bei - der Volatilität von Wind- und Sonnenenergie. Wasserstoffspeicher können überschüssige Energie aufnehmen, die zu Zeiten der Überproduktion erzeugt wird, und sie dann in Kombination mit schnellen Gaskraftwerken freigeben, wenn die Nachfrage hoch ist oder wenn die erneuerbaren Energiequellen nicht verfügbar sind. Auf diese Weise kann Wasserstoff zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen und die Zuverlässigkeit der Energieversorgung erhöhen.

Energiespeicherung: Wasserstoff kann insbesondere zur Speicherung überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen dienen. Diese Eigenschaft ist entscheidend, um die Stabilität der Stromversorgung zu verbessern und die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz zu erleichtern.

Industrielle Prozesse: Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen und Brenneraggregate auf Wasserstoffbasis erlauben die effiziente Auskopplung von Hochtemperaturwärme. Diese ist Voraussetzung für den Betrieb von vielen Industrieprozessen. Wasserstoff kann aber nicht nur als Energieträger, sondern auch als Ausgangsstoff in verschiedenen Industriebranchen eingesetzt werden. So dient er vorwiegend in der Metallurgie und der chemischen Industrie als Basis für die Herstellung klimaneutraler Produkte.

Mobilität: Die vollständige Elektrifizierung der Sektoren Schwerlast-, Schiffs- und Flugverkehr gilt derzeit als technologische Herausforderung. Wasserstoffanwendungen hingegen bieten durch die brennstoffspezifisch hohe Leistungsdichte den Vorteil, auch in diesen Bereichen die Treibhausgasemissionen deutlich zu reduzieren. Zusätzlich können hohe Reichweiten bei geringer Betankungszeit erzielt werden.

Stromerzeugung: Wasserstoff kann in Brennstoffzellen, Motoren und Turbinen verwendet werden, um Strom zu erzeugen. Die Anlagen können in stationären Anwendungen Elektrizität für Gebäude, Unternehmen und den Verkehr liefern. Über Kraft-Wärme-Kopplung ist es möglich, auf effiziente Weise zusätzliche Wärme zu gewinnen.

Viele wichtige Industrieprozesse benötigen neben Strom vor allem Wärme. Letztere wird häufig auf sehr hohen Temperaturniveaus benötigt und kann deshalb nur eingeschränkt mit strombasierten Technologien bereitgestellt werden. Wasserstoff bietet hier aufgrund seiner hohen Leistungs- und Energiedichte dennoch eine effiziente Möglichkeit der Dekarbonisierung. 

Wasserstoff zählt ähnlich wie Methan zur Gruppe der Brenngase. Es ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass Industrieprozesse, die bisher mit Erdgas betrieben wurden, mit moderatem Investitionsaufwand umgerüstet und damit dekarbonisiert werden können.

Neben dem Einsatz als Energieträger kann Wasserstoff aber auch als Ausgangsstoff für verschiedene Herstellungsprozesse dienen. Besonders in der Metallurgie und der chemischen Industrie wird er zukünftig unverzichtbar bei der Herstellung klimaneutraler Produkte sein. 

Im heutigen Energiesystem gibt es verschiedene Typen von Energiespeichern mit unterschiedlichen Rollen. So können Pumpspeicherwerke und Großakkumulatoren (chemische Speicher) für mehrere Stunden direkt Strom speichern und dem Energiesystem bei Bedarf zur Verfügung stellen. 

Schwungmassespeicher sorgen in heutigen Kraftwerken für die Speicherung von Energie im Sekunden- und Minutenbereich. Einzig Untergrunderdgasspeicher können großtechnische Energiemengen für den saisonalen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage speichern. 

Auch die zukünftige Wasserstoffspeicherung wird in unterirdischen Gasspeichern stattfinden, da die Rolle des Wasserstoffs unter anderem der Ausgleich zwischen hohen und niedrigen Aufkommen von erneuerbarem Strom sowie dem schwankenden Bedarf von Energie, insbesondere saisonale Wärme, liegt. Hierbei sind längere Zeiträume durch Speicherung (Dunkelflaute, Heizsaison) abzubilden. Genutzt werden können neben Kavernenspeicher auch Untertageporenspeicher.