Grauer Wasserstoff
Grauer Wasserstoff wird überwiegend durch Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt. Das entstehende CO₂ wird in die Atmosphäre abgegeben. Dadurch verursacht diese Herstellungsart erhebliche Treibhausgasemissionen.
Dieses Lexikon erklärt zentrale Begriffe rund um Wasserstoff verständlich und praxisnah – von den Wasserstofffarben über Herstellung, Speicherung und Transport bis zu Brennstoffzellen, Wirkungsgrad und Anwendungen.
Die Farben beschreiben nicht das Aussehen des farblosen Gases, sondern kennzeichnen vereinfacht den Herstellungsweg und die damit verbundene Klimawirkung.
Grauer Wasserstoff wird überwiegend durch Dampfreformierung aus Erdgas hergestellt. Das entstehende CO₂ wird in die Atmosphäre abgegeben. Dadurch verursacht diese Herstellungsart erhebliche Treibhausgasemissionen.
Blauer Wasserstoff wird meist wie grauer Wasserstoff aus Erdgas hergestellt. Ein großer Teil des entstehenden CO₂ wird jedoch abgeschieden und gespeichert oder weiterverwendet. Die tatsächliche Klimabilanz hängt unter anderem von der Abscheiderate und Methanemissionen ab.
Grüner Wasserstoff entsteht durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Energien. Während der Herstellung entstehen grundsätzlich keine direkten CO₂-Emissionen.
Türkiser Wasserstoff entsteht durch Methanpyrolyse. Dabei wird Methan thermisch in Wasserstoff und festen Kohlenstoff aufgespalten. Die Klimabilanz ist besonders günstig, wenn erneuerbare Energie eingesetzt und der Kohlenstoff dauerhaft gebunden wird.
Weißer Wasserstoff wird auch natürlicher oder geologischer Wasserstoff genannt. Er entsteht durch natürliche Prozesse im Untergrund und kann aus geeigneten Lagerstätten gefördert werden.
Goldener Wasserstoff bezeichnet Wasserstoff, der durch innovative Verfahren mit sehr geringer oder negativer CO₂-Bilanz hergestellt wird. Der Begriff ist bislang nicht international normiert und wird unterschiedlich verwendet, beispielsweise für besonders nachhaltige Herstellungsverfahren oder natürlichen Wasserstoff.Hierzu zählt nach Darstellung der The Hydrogen AG auch deren Wasserstoff, da er zu 100 % CO₂-neutral hergestellt werden soll.
Dieser Wasserstoff wird durch Elektrolyse erzeugt, wobei der Strom aus Kernenergie stammt. Je nach Begriffsverwendung kann auch Prozesswärme aus Kernkraftwerken einbezogen werden.
Roter Wasserstoff wird meist mit Verfahren verbunden, die Kernenergie und insbesondere hohe Prozesstemperaturen zur Wasserstoffherstellung nutzen. Die Abgrenzung zu pinkem oder violettem Wasserstoff ist nicht einheitlich.
Je nach Quelle bezeichnet orangener Wasserstoff die Gewinnung aus Abfällen, Reststoffen oder biogenen Ausgangsstoffen. Da der Begriff nicht einheitlich definiert ist, sollte das konkrete Herstellungsverfahren stets mitgenannt werden.
Diese Bezeichnungen stehen für Wasserstoff aus Braun- beziehungsweise Steinkohle. Ohne CO₂-Abscheidung entstehen dabei besonders hohe Treibhausgasemissionen.
Gelber Wasserstoff bezeichnet häufig Wasserstoff aus Elektrolyse mit Solarstrom. Teilweise wird der Begriff auch für Elektrolyse mit Netzstrom verwendet und ist daher nicht eindeutig.
Dieser Wasserstoff entsteht ohne technische Herstellung in Gesteinsschichten und Lagerstätten. Er wird häufig dem weißen Wasserstoff zugerechnet. Förderung, Aufbereitung und Transport bestimmen seine gesamte Klimabilanz.
Wasserstoff besitzt bezogen auf seine Masse einen hohen Energieinhalt, benötigt jedoch wegen seiner geringen Dichte geeignete Speicherverfahren.
Gasförmiger Wasserstoff wird in druckfesten Behältern gespeichert, häufig bei 350 oder 700 bar. Das Verfahren ist technisch etabliert, benötigt jedoch Energie für die Verdichtung.
Wasserstoff wird auf etwa −253 °C abgekühlt und verflüssigt. Dadurch steigt die volumetrische Energiedichte. Kühlung, Isolierung und Verdampfungsverluste erhöhen jedoch den Aufwand.
Bestimmte Materialien können Wasserstoff chemisch oder physikalisch binden. Solche Speicher arbeiten oft bei niedrigeren Drücken, sind aber je nach Material schwer und kostenintensiv.
Für große saisonale Energiemengen kommen Salzkavernen und andere geeignete geologische Formationen infrage. Standort, Dichtheit und Genehmigung sind entscheidend.
Wasserstoff kann in Stoffen wie Ammoniak, Methanol oder flüssigen organischen Wasserstoffträgern gebunden werden. Vor der Nutzung muss er häufig wieder abgespalten oder direkt weiterverarbeitet werden.
Verdichtung, Verflüssigung, Umwandlung und Rückgewinnung benötigen Energie. Deshalb sollte das Speicherverfahren passend zu Dauer, Menge, Entfernung und Anwendung gewählt werden.
Pipelines eignen sich besonders für kontinuierliche, große Mengen zwischen festen Standorten. Bestehende Erdgasleitungen können teilweise umgerüstet werden, müssen jedoch auf Materialverträglichkeit, Dichtheit und Betriebsdruck geprüft werden.
Bei einem Tube-Trailer wird komprimierter Wasserstoff auf der Straße transportiert. Diese Lösung ist flexibel und für kleinere bis mittlere Mengen oder den Aufbau neuer Märkte geeignet.
Verflüssigter Wasserstoff kann in isolierten Tankfahrzeugen transportiert werden. Pro Fahrt lässt sich mehr Wasserstoff bewegen als gasförmig, allerdings ist die Verflüssigung energieintensiv.
Für internationale Lieferketten kommen Flüssigwasserstoff, Ammoniak, Methanol oder andere Wasserstoffträger infrage. Die Wahl hängt von Entfernung, Infrastruktur, Sicherheitskonzept und späterer Nutzung ab.
Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie von Wasserstoff elektrochemisch in Strom und Wärme um. Als Reaktionsprodukt entsteht bei reinem Wasserstoff hauptsächlich Wasser.
Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle arbeitet bei relativ niedrigen Temperaturen, reagiert schnell und wird häufig in Fahrzeugen, mobilen Anwendungen und Notstromsystemen eingesetzt.
Die SOFC arbeitet bei hohen Temperaturen und kann neben Wasserstoff teilweise auch andere Brennstoffe nutzen. Sie eignet sich besonders für stationäre Anwendungen und Kraft-Wärme-Kopplung.
Ein Brennstoffzellen-Stack besteht aus mehreren Einzelzellen. Die gewünschte Spannung und Leistung entstehen durch deren elektrische Verschaltung.
Zum Brennstoffzellensystem gehören Luftversorgung, Kühlung, Leistungselektronik und Steuerung. Daher liegt der Gesamtwirkungsgrad unter dem theoretischen Zellwirkungsgrad.
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.
Ein seit Jahrzehnten eingesetztes Verfahren mit flüssigem alkalischem Elektrolyten. Es gilt als robust und eignet sich besonders für größere, kontinuierlich betriebene Anlagen.
Die PEM-Elektrolyse reagiert schnell auf schwankende Stromangebote und kann kompakt gebaut werden. Sie benötigt jedoch hochwertige Materialien und Katalysatoren.
Hier wird ein Teil der benötigten Energie als Wärme zugeführt. Bei verfügbarer Prozesswärme kann der elektrische Energiebedarf sinken.
Der Elektrolyseur ist das technische Gesamtsystem aus Zellstapel, Wasseraufbereitung, Gasreinigung, Kühlung, Stromversorgung und Steuerung.
Photokatalytische Verfahren nutzen Licht und geeignete Halbleiter- oder Katalysatormaterialien, um chemische Reaktionen anzuregen. Ziel ist unter anderem die direkte Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser.
Ein Photokatalysator absorbiert Licht und erzeugt angeregte Ladungsträger. Diese können Redoxreaktionen an der Materialoberfläche ermöglichen, ohne dass der Katalysator dabei dauerhaft verbraucht wird.
Bei der photokatalytischen Wasserspaltung sollen Wasserstoff und Sauerstoff direkt aus Wasser entstehen. Entscheidend sind Lichtausbeute, Materialstabilität, Reaktionsgeschwindigkeit und sichere Gastrennung.
Wird Sonnenlicht unmittelbar für die Reaktion genutzt, kann die Zahl der Umwandlungsschritte gegenüber Photovoltaik plus Elektrolyse reduziert werden. Die technische Umsetzung befindet sich je nach Verfahren in unterschiedlichen Entwicklungsstadien.
Die The Hydrogen AG entwickelt ein photokatalytisches Verfahren zur CO₂-neutralen Wasserstofferzeugung. Dies bei einem STH (Sun to Hydrogen) von über 15 %.
Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsenergie zur eingesetzten Energie. Ein Wirkungsgrad von 70 % bedeutet, dass 70 % der eingesetzten Energie nutzbar werden.
Er betrachtet nur die erzeugte elektrische Energie. Bei Brennstoffzellen kann zusätzlich nutzbare Wärme entstehen, die den Gesamtwirkungsgrad erhöht.
Der Gesamtwirkungsgrad berücksichtigt neben der Hauptanlage auch Verdichtung, Kühlung, Speicherung, Transport, Umwandlung und Nebenaggregate.
Dieser Wert beschreibt die gesamte Kette von Strom zu Wasserstoff und zurück zu Strom. Jeder Umwandlungsschritt verursacht Verluste, weshalb direkte Elektrifizierung oft effizienter ist, sofern sie technisch möglich ist.
Wasserstoff wird unter anderem in Raffinerien, der Chemieindustrie, bei der Ammoniakherstellung und künftig verstärkt zur klimafreundlicheren Stahlproduktion eingesetzt.
Überschüssiger erneuerbarer Strom kann in Wasserstoff umgewandelt und später stofflich oder energetisch genutzt werden. Besonders relevant ist dies für Langzeit- und Saisonalspeicherung.
Brennstoffzellenfahrzeuge können insbesondere bei hohen Reichweiten, kurzen Betankungszeiten und schweren Nutzfahrzeugen Vorteile bieten. Wirtschaftlichkeit und Klimabilanz hängen von Erzeugung und Infrastruktur ab.
Brennstoffzellen und wasserstofffähige Kraftwerke können Strom und Wärme bereitstellen. Mögliche Einsatzfelder sind Notstrom, dezentrale Versorgung, Kraft-Wärme-Kopplung und Spitzenlastabdeckung.
Direkter Wasserstoff sowie Folgeprodukte wie Ammoniak, Methanol oder synthetische Kraftstoffe gelten als mögliche Bausteine für emissionsärmere Antriebe.
Wasserstoff kann mit CO₂ zu E-Fuels und chemischen Grundstoffen weiterverarbeitet werden. Dafür werden zusätzliche Energie und geeignete Kohlenstoffquellen benötigt.
Diese drei Begriffe werden im Zusammenhang mit klimafreundlichem Wasserstoff häufig gemeinsam genannt, beschreiben jedoch unterschiedliche Systeme. CO₂-Zertifikate bepreisen Emissionen, RFNBO ist eine regulatorische Kraftstoff- und Nachhaltigkeitsklassifizierung, und die THG-Quote verpflichtet Kraftstoffanbieter zur Minderung der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor.
Ein CO₂-Zertifikat beziehungsweise eine Emissionsberechtigung steht grundsätzlich für das Recht, eine bestimmte Menge Treibhausgas auszustoßen. Im europäischen Emissionshandel entspricht eine Emissionsberechtigung regelmäßig einer Tonne CO₂-Äquivalent. Verpflichtete Unternehmen müssen für ihre berichtspflichtigen Emissionen eine entsprechende Anzahl an Berechtigungen abgeben.
Die Berechtigungen werden je nach System versteigert, teilweise kostenlos zugeteilt und anschließend gehandelt. Wer weniger emittiert, benötigt weniger Zertifikate; wer mehr emittiert, muss zusätzliche Zertifikate erwerben. Die insgesamt verfügbare Menge wird politisch begrenzt und schrittweise reduziert. Dadurch entsteht ein CO₂-Preis und ein wirtschaftlicher Anreiz zur Emissionsminderung.
Wasserstoff erhält nicht automatisch eigene CO₂-Zertifikate. Relevant ist vielmehr, ob seine Herstellung oder Nutzung Emissionen verursacht oder fossile Prozesse ersetzt. Anlagen zur Herstellung von fossilbasiertem Wasserstoff können je nach Anwendungsbereich dem Emissionshandel unterliegen und müssen für ihre erfassten Emissionen Berechtigungen abgeben.
CO₂-armer oder erneuerbarer Wasserstoff kann den Zertifikatebedarf eines Unternehmens verringern, wenn dadurch tatsächlich emissionsintensive Brennstoffe oder Produktionsverfahren ersetzt werden. Der wirtschaftliche Vorteil entsteht dann aus vermiedenen Emissionen und vermiedenen Zertifikatskosten, nicht aus einer automatischen Zuteilung handelbarer CO₂-Zertifikate an den Wasserstoffproduzenten.
RFNBO steht für Renewable Fuels of Non-Biological Origin, auf Deutsch „erneuerbare Kraftstoffe nicht biogenen Ursprungs“. Dazu kann erneuerbarer Wasserstoff gehören, wenn er die europäischen Anforderungen an die eingesetzte erneuerbare Energie und an die Treibhausgasminderung erfüllt.
Bei netzgekoppelter Herstellung sind insbesondere die Regeln zur Zusätzlichkeit sowie zur zeitlichen und geografischen Korrelation der erneuerbaren Stromerzeugung zu beachten. Zusätzlich muss die Treibhausgasminderung über den gesamten Lebenszyklus grundsätzlich mindestens 70 Prozent gegenüber dem maßgeblichen fossilen Vergleichswert betragen. Berücksichtigt werden dabei unter anderem Strombereitstellung, Herstellung, Verarbeitung und Transport.
RFNBO ist kein frei handelbares CO₂-Zertifikat, sondern eine nachzuweisende Produkteigenschaft. Der Produzent muss Herkunft, Strombezug, Produktionszeitpunkte, Standorte, Stoff- und Energiemengen sowie die Lebenszyklus-Emissionen dokumentieren. Die Einhaltung wird über anerkannte Zertifizierungssysteme und unabhängige Prüfstellen kontrolliert.
Nach erfolgreicher Prüfung können für konkrete Mengen Nachhaltigkeits- beziehungsweise RFNBO-Nachweise ausgestellt und entlang der Lieferkette weitergegeben werden. Voraussetzung ist eine nachvollziehbare Massenbilanz, damit dieselbe erneuerbare Eigenschaft nicht mehrfach beansprucht wird. Auch außerhalb der EU hergestellter Wasserstoff kann anerkannt werden, wenn die europäischen Kriterien erfüllt und ordnungsgemäß zertifiziert werden.
Die Treibhausgasminderungsquote verpflichtet Unternehmen, die fossile Otto- oder Dieselkraftstoffe in Deutschland in Verkehr bringen, die durchschnittlichen Treibhausgasemissionen ihrer Kraftstoffe um einen gesetzlich festgelegten Anteil zu senken. Die Verpflichtung wird nicht allein durch eine physische Beimischung erfüllt. Zulässig sind verschiedene gesetzlich anrechenbare Erfüllungsoptionen.
Zu diesen Optionen können nachhaltige Biokraftstoffe, erneuerbarer Strom im Straßenverkehr und unter den gesetzlichen Voraussetzungen auch RFNBO-Kraftstoffe wie erneuerbarer Wasserstoff oder daraus hergestellte synthetische Kraftstoffe gehören.
Zunächst muss nachgewiesen werden, dass der Wasserstoff beziehungsweise der daraus hergestellte Kraftstoff die gesetzlichen Kriterien erfüllt und im anrechenbaren Verkehrsbereich verwendet oder in Verkehr gebracht wurde. Anschließend wird die Treibhausgasminderung gegenüber dem maßgeblichen fossilen Vergleichswert berechnet. Das Ergebnis wird üblicherweise als eingesparte Menge in Kilogramm CO₂-Äquivalent ausgewiesen.
RFNBOs können nach den deutschen Quotenregelungen besonders gewichtet werden. Die konkrete Anrechnung setzt eine ordnungsgemäße Dokumentation, Zertifizierung und Meldung an die zuständigen Stellen voraus. Für die Anrechnung strombasierter Kraftstoffe ist insbesondere die Biokraftstoffquotenstelle beim Hauptzollamt Frankfurt (Oder) zuständig; das Umweltbundesamt wirkt beim Nachweis- und Zertifizierungssystem mit.
Ein quotenverpflichtetes Mineralölunternehmen kann die Quote durch eigene anrechenbare Mengen erfüllen oder sich die Erfüllungsleistung eines anderen Unternehmens vertraglich zurechnen lassen. Gegenstand des Quotenhandels ist die nachgewiesene Treibhausgasminderung in Kilogramm CO₂-Äquivalent, nicht ein klassisches Emissionszertifikat.
Die Minderungsleistung darf nur einmal verwendet werden. Ein Weiterverkauf bereits im Quotenhandel erworbener Mengen ist grundsätzlich nicht vorgesehen. Wird die Quote nicht erfüllt, fällt für die Fehlmenge eine gesetzliche Ausgleichsabgabe an. Eine Übererfüllung kann unter den gesetzlichen Voraussetzungen auf das Folgejahr übertragen werden.
RFNBO-Wasserstoff kann eine anrechenbare THG-Minderung erzeugen, wenn alle gesetzlichen Anforderungen und Verwendungsbedingungen erfüllt sind. Diese THG-Minderungsleistung kann wirtschaftlich verwertet werden. Sie ist jedoch weder mit einer RFNBO-Zertifizierung noch mit einem CO₂-Zertifikat identisch.
Wasserstoff ist in den meisten Anwendungen ein Energieträger. Er muss zunächst hergestellt, gespeichert und transportiert werden. Seine Klimawirkung hängt deshalb stark vom Herstellungsweg ab.
Entscheidend ist nicht allein die Farbbezeichnung, sondern die vollständige Emissionsbilanz. Erneuerbar erzeugter grüner Wasserstoff und andere nachweislich sehr emissionsarme Verfahren können besonders klimafreundlich sein.
Gasförmiger Wasserstoff besitzt eine geringe Dichte. Durch Verdichtung kann mehr Wasserstoff in einem begrenzten Behältervolumen gespeichert und transportiert werden.
Teilweise ja. Leitungen, Verdichter, Armaturen und Messsysteme müssen jedoch technisch geprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Materialversprödung und höhere Leckageanforderungen sind wichtige Themen.
Bei der Elektrolyse treibt elektrischer Strom die Wasserspaltung an. Bei der Photokatalyse wird Licht direkt von einem Katalysatormaterial aufgenommen, um die chemische Reaktion zu ermöglichen.
Nein. Eine Batterie speichert ihre Reaktionsstoffe im Inneren. Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom, solange Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft kontinuierlich zugeführt werden.
Besonders relevant ist Wasserstoff dort, wo direkte Elektrifizierung schwierig ist, etwa bei bestimmten Industrieprozessen, saisonaler Energiespeicherung, Schwerlastverkehr oder der Herstellung synthetischer Energieträger.
Wasserstoff ist brennbar und muss sicher gehandhabt werden. Mit geeigneter Technik, Belüftung, Sensorik, Werkstoffauswahl und verbindlichen Sicherheitsregeln ist ein kontrollierter Betrieb möglich.
RFNBO ist eine rechtlich definierte und nachzuweisende Kategorie. Nicht jede allgemein als „grün“ bezeichnete Wasserstoffmenge erfüllt automatisch die RFNBO-Kriterien zu erneuerbarem Strom, Zusätzlichkeit, zeitlicher und geografischer Korrelation sowie Lebenszyklus-Emissionen.
Nein. Eine THG-Anrechnung setzt voraus, dass die konkrete Wasserstoffmenge die gesetzlichen Nachhaltigkeits- und Nachweiskriterien erfüllt und in einem anrechenbaren Verkehrsfall eingesetzt oder in Verkehr gebracht wird.
Nein. CO₂-Zertifikate sind Emissionsberechtigungen innerhalb eines Emissionshandelssystems. Die THG-Quote ist eine Minderungsverpflichtung im Verkehrssektor, deren Erfüllungsleistungen vertraglich übertragen werden können.