Wasserstoffwirtschaft

Die Wasserstoffwirtschaft nutzt Wasserstoff zur Dekarbonisierung von Wirtschaftssektoren, die sich nur schwer elektrifizieren lassen, d. h. im Wesentlichen die "schwer abbaubaren" Sektoren wie Zement, Stahl, Langstreckenverkehr usw. Um aus den fossilen Brennstoffen auszusteigen und den Klimawandel zu begrenzen, kann Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe erneuerbarer Quellen wie Wind und Sonne erzeugt werden, und bei seiner Verbrennung wird nur Wasserdampf in die Atmosphäre abgegeben. ⓘ

Wasserstoff ist ein energiereicher Brennstoff, der häufig als Raketentreibstoff verwendet wird, aber zahlreiche technische Herausforderungen verhindern die Schaffung einer Wasserstoffwirtschaft im großen Maßstab. Dazu gehören die Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Langzeitspeichern, Pipelines und Motorausrüstungen, der relative Mangel an serienmäßiger Motorentechnologie, die derzeit sicher mit Wasserstoff betrieben werden kann, Sicherheitsbedenken hinsichtlich der hohen Reaktivität von Wasserstoffkraftstoff mit Sauerstoff in der Umgebungsluft, die Kosten für die Herstellung durch Elektrolyse und das Fehlen einer effizienten photochemischen Wasserspaltungstechnologie. Wasserstoff kann auch in einer Brennstoffzelle reagieren, die in einem Prozess, der die Umkehrung der Wasserelektrolyse darstellt, effizient Strom erzeugt. Die Wasserstoffwirtschaft entwickelt sich dennoch langsam als ein kleiner Teil der kohlenstoffarmen Wirtschaft. ⓘ

Ab 2019 wird Wasserstoff hauptsächlich als industrieller Rohstoff verwendet, vor allem für die Herstellung von Ammoniak und Methanol sowie für die Erdölraffination. Ursprünglich ging man davon aus, dass Wasserstoffgas in der Natur nicht in geeigneten Lagerstätten vorkommt, doch inzwischen hat sich gezeigt, dass dies nicht der Fall ist; in der Region Bourakebougou in Mali wird derzeit ein Wasserstoffsystem genutzt, das Strom für die umliegenden Dörfer erzeugt. In den letzten Jahren wurden weitere Entdeckungen von natürlich vorkommendem Wasserstoff in kontinentalen, küstennahen geologischen Umgebungen gemacht, die den Weg für den neuen Bereich des natürlichen oder nativen Wasserstoffs ebnen und die Bemühungen um die Energiewende unterstützen. Ab 2019 werden fast alle (95 %) der weltweit 70 Millionen Tonnen Wasserstoff, die jährlich in der industriellen Verarbeitung verbraucht werden, insbesondere in Düngemitteln für 45 % der weltweiten Nahrungsmittel, durch Methan-Dampfreformierung (SMR) erzeugt, bei der auch das Treibhausgas Kohlendioxid freigesetzt wird. ⓘ

Eine mögliche weniger umweltschädliche Alternative ist die neuere Technologie der Methanpyrolyse,

Aber auch SMR mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) kann die Kohlenstoffemissionen erheblich reduzieren.

Geringe Mengen an Wasserstoff (5 %) werden durch die gezielte Herstellung von Wasserstoff aus Wasser erzeugt, in der Regel als Nebenprodukt bei der Erzeugung von Chlor aus Meerwasser. Im Jahr 2018 gibt es noch nicht genug billigen sauberen Strom (aus erneuerbaren Energien und Kernkraft), um diesen Wasserstoff zu einem bedeutenden Bestandteil der kohlenstoffarmen Wirtschaft zu machen, und Kohlendioxid ist ein Nebenprodukt des SMR-Prozesses, kann aber aufgefangen und gespeichert werden. ⓘ

Die unterschiedlichen Einsatzbereiche von sauberem Wasserstoff nach ihrer Wirtschaftlichkeit eingeordnet. ⓘ

Eine Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept einer Energiewirtschaft, die hauptsächlich oder ausschließlich Wasserstoff als Energieträger verwendet. Außer der Nutzung von elektrischem Strom, könnte Wasserstoff in Zukunft die zweite wichtige grundlegende Art von Energieträger werden, sofern der Anteil der regenerativen Energie stark gesteigert werden soll. ⓘ

Wasserstoff ist zwar chemisch gesehen ein Primärenergieträger, in der Natur jedoch nicht in freier Form vorhanden. Er muss erst mit Hilfe anderer Energiequellen (fossile Energie, Kernenergie oder erneuerbare Energien) durch Hydrolyse gewonnen werden. Damit ist eine Wasserstoffwirtschaft nicht automatisch nachhaltig, sondern nur so nachhaltig wie die Primärenergien, aus denen der Wasserstoff gewonnen wird. Derzeit geschieht die Gewinnung von Wasserstoff primär auf Basis fossiler Energieträger wie des in Erdgas enthaltenen Methans. Konzepte für zukünftige Wasserstoffwirtschaft sehen zumeist die Wasserstoffgewinnung aus erneuerbaren Energien vor, womit die Bilanz einer solchen Wasserstoffwirtschaft emissionsfrei sein könnte. ⓘ

Während eine klassische Wasserstoffwirtschaft auch künftig in keinem Staat der Erde angestrebt werden wird, existieren im Rahmen der Energiewende und des Ausbaus erneuerbarer Energien Planungen, Wasserstoff oder aus Wasserstoff gewonnene Brennstoffe wie Methan oder Methanol verstärkt in die bisherige Energieinfrastruktur einzubinden. Als kostengünstigere Alternative zur Wasserstoffwirtschaft wird insbesondere die Methanolwirtschaft diskutiert. Inzwischen gibt es unter anderem von der deutschen Bundesregierung nochmals deutlich verstärkte Förderprogramme für regenerativ erzeugten sauberen grünen Wasserstoff. ⓘ

Begründung

Elemente der Wasserstoffwirtschaft ⓘ

In der derzeitigen Kohlenwasserstoff-Wirtschaft wird die Heizung hauptsächlich mit Erdgas und der Verkehr mit Erdöl betrieben. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen werden Kohlendioxid und andere Schadstoffe freigesetzt. Die Nachfrage nach Energie steigt, insbesondere in China, Indien und anderen Entwicklungsländern. Wasserstoff kann eine umweltfreundlichere Energiequelle für die Endverbraucher sein, ohne dass Schadstoffe wie Partikel oder Kohlendioxid freigesetzt werden. ⓘ

Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte nach Gewicht, aber eine geringe Energiedichte nach Volumen. Selbst wenn er stark komprimiert, in fester Form gelagert oder verflüssigt wird, beträgt die Energiedichte nach Volumen nur 1/4 derjenigen von Benzin, obwohl die Energiedichte nach Gewicht etwa dreimal so hoch ist wie die von Benzin oder Erdgas. Wasserstoff kann zur Dekarbonisierung des Fernverkehrs, der chemischen Industrie sowie der Eisen- und Stahlindustrie beitragen und hat das Potenzial, erneuerbare Energie über große Entfernungen zu transportieren und langfristig zu speichern, z. B. aus Windkraft oder Solarstrom. ⓘ

Geschichte

Der Begriff Wasserstoffwirtschaft wurde von John Bockris während eines Vortrags geprägt, den er 1970 im Technischen Zentrum von General Motors (GM) hielt. Das Konzept wurde zuvor von dem Genetiker J.B.S. Haldane vorgeschlagen. ⓘ

Eine Wasserstoffwirtschaft wurde von der Universität Michigan vorgeschlagen, um einige der negativen Auswirkungen der Verwendung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen zu lösen, bei denen der Kohlenstoff in die Atmosphäre freigesetzt wird (als Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe usw.). Das heutige Interesse an der Wasserstoffwirtschaft lässt sich im Allgemeinen auf einen technischen Bericht von Lawrence W. Jones von der Universität Michigan aus dem Jahr 1970 zurückführen. ⓘ

Ein sprunghafter Anstieg der Aufmerksamkeit für das Konzept in den 2000er Jahren wurde von einigen Kritikern und Befürwortern alternativer Technologien wiederholt als Hype bezeichnet. In den 2010er Jahren erwachte das Interesse an dem Energieträger wieder, insbesondere durch die Gründung des Hydrogen Council im Jahr 2017. Mehrere Hersteller brachten Wasserstoff-Brennstoffzellenautos auf den Markt, wobei Hersteller wie Toyota und Industriegruppen in China planen, die Zahl der Autos im Laufe des nächsten Jahrzehnts in die Hunderttausende zu steigern. ⓘ

Aktueller Wasserstoffmarkt

Zeitleiste ⓘ

Die weltweite Wasserstoffproduktion wurde auf über 120 Mrd. USD geschätzt und wird voraussichtlich bis 2028 jährlich um über 5 % wachsen. ⓘ

Diese Marktnachfrage wird in der Regel durch die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen zur Herstellung des Wasserstoffs gedeckt, was zu CO₂-Emissionen führt. ⓘ

Ab 2019 wird der Wasserstoff hauptsächlich in der Düngemittelproduktion und der Ölraffination verwendet. Etwa die Hälfte wird im Haber-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak (NH₃) verwendet, das dann direkt oder indirekt als Düngemittel eingesetzt wird. Da sowohl die Weltbevölkerung als auch die intensive Landwirtschaft, die zu ihrer Unterstützung betrieben wird, wachsen, steigt auch die Nachfrage nach Ammoniak. Ammoniak kann als sicherere und einfachere indirekte Methode für den Transport von Wasserstoff verwendet werden. Das transportierte Ammoniak kann dann an der Zapfstelle durch eine Membrantechnologie wieder in Wasserstoff umgewandelt werden. ⓘ

Die andere Hälfte der derzeitigen Wasserstoffproduktion dient der Umwandlung schwerer Erdölquellen in leichtere Fraktionen, die als Kraftstoffe verwendet werden können. Dieser letztere Prozess wird als Hydrocracking bezeichnet. Das Hydrocracken stellt einen noch größeren Wachstumsbereich dar, da steigende Ölpreise die Ölgesellschaften dazu veranlassen, schlechteres Ausgangsmaterial wie Ölsande und Ölschiefer zu fördern. Die Größenvorteile, die mit der Ölraffination und der Düngemittelherstellung in großem Maßstab verbunden sind, ermöglichen die Produktion vor Ort und den "Eigenverbrauch". Kleinere Mengen von "Handels"-Wasserstoff werden ebenfalls hergestellt und an die Endverbraucher geliefert. ⓘ

Ab 2020 wird fast (96 %) der gesamte Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen hergestellt, wobei 900 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr emittiert werden, eine Zahl, die theoretisch 163, tatsächlich aber nur 90 Millionen Tonnen Diwasserstoff pro Jahr entspricht. (Tatsächlich sind 55 % der Reaktion CH₄ + 2 H₂O = 4 H₂ + CO₂). Die Verteilung der Produktion spiegelt die Auswirkungen der thermodynamischen Zwänge auf die wirtschaftlichen Entscheidungen wider: Von den vier Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff bietet die teilweise Verbrennung von Erdgas in einem NGCC-Kraftwerk (Natural Gas Combined Cycle) den effizientesten chemischen Weg und die größte Ausbeute an nutzbarer Wärmeenergie. ⓘ

Der große Markt und die stark steigenden Preise für fossile Brennstoffe haben auch ein großes Interesse an alternativen, billigeren Methoden der Wasserstofferzeugung geweckt. ⓘ

Abnehmer

Die beiden größten Verbraucher sind Ölraffinerien und Düngemittelfabriken (beide verbrauchen etwa die Hälfte der gesamten Produktion). ⓘ

Produktion, Speicherung, Infrastruktur

Seit 2002 wird Wasserstoff hauptsächlich (>90%) aus fossilen Quellen hergestellt. ⓘ

Farbcodes

Wasserstoff wird oft mit verschiedenen Farben bezeichnet, um seine Herkunft zu kennzeichnen. Wie unten dargestellt, haben einige Produktionsquellen mehr als eine Kennzeichnung, wobei die häufigere zuerst aufgeführt wird. Die Verwendung von Farbcodes ist zwar nicht standardisiert, aber auch nicht mehrdeutig. ⓘ

Farben, die sich auf die Produktionsmethode beziehen ⓘ

Farbe		Produktionsquelle	Anmerkungen	Referenzen
grün		erneuerbare Energie und Strom	durch Elektrolyse von Wasser
türkis		instabile Wasserstoffspeicherung; thermische Spaltung von Methan	durch Methanpyrolyse
blau		Wasserstoffspeicherung, siehe Oberflächenchemie; Kohlenwasserstoffe mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung	CCS-Netze erforderlich
grau		fossile Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Dampfreformierung von Erdgas
braun oder schwarz		Wasserstoff Minimum, Kohle
violett oder rosa oder rot		Wasserstoffspeicher; Kernkraft	ohne Elektrolyse von Wasser
gelb		Wasserstoff auf niedrigem Niveau in Sonnenenergie	über Fotovoltaik	https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/hydrogen-colour-spectrum
Gold		Wasserstoff, der natürlich in der Erdkruste vorkommt	durch Bergbau gewonnen	https://www.earth.ox.ac.uk/2021/09/gold-hydrogen-oxford-earth-sciences-in-the-times/
weiß		medizinischer Wasserstoff	bezieht sich auf natürlich vorkommenden Wasserstoff

Methoden der Herstellung

Molekularer Wasserstoff wurde im Superdeep-Bohrloch von Kola entdeckt. Es ist unklar, wie viel molekularer Wasserstoff in natürlichen Lagerstätten vorhanden ist, aber mindestens ein Unternehmen hat sich auf Bohrungen zur Gewinnung von Wasserstoff spezialisiert. Der meiste Wasserstoff in der Lithosphäre ist an den Sauerstoff im Wasser gebunden. Die Herstellung von elementarem Wasserstoff erfordert den Verbrauch eines Wasserstoffträgers, z. B. eines fossilen Brennstoffs oder von Wasser. Der erstgenannte Träger verbraucht die fossile Ressource und erzeugt bei der Methandampfreformierung (SMR) das Treibhausgas Kohlendioxid. Beim neueren Verfahren der Methanpyrolyse entsteht jedoch kein Treibhausgas Kohlendioxid. Diese Verfahren erfordern in der Regel neben dem fossilen Brennstoff keinen weiteren Energieeinsatz.

Veranschaulichung der Inputs und Outputs der Dampfreformierung von Erdgas, einem Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff. Ab 2020 wird der Schritt der Kohlenstoffsequestrierung nicht mehr kommerziell genutzt. ⓘ

Die Zersetzung von Wasser, dem letztgenannten Energieträger, erfordert einen elektrischen oder thermischen Input, der aus einer Primärenergiequelle (fossiler Brennstoff, Kernkraft oder erneuerbare Energie) erzeugt wird. Wasserstoff, der durch emissionsfreie Energiequellen wie die Elektrolyse von Wasser mit Hilfe von Wind-, Sonnen-, Kern-, Wasser-, Wellen- oder Gezeitenkraft erzeugt wird, wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Wird er aus Erdgas durch treibhausgasfreie Methanpyrolyse gewonnen, spricht man von türkisfarbenem Wasserstoff. Wird er aus fossilen Brennstoffen mit Treibhausgasemissionen gewonnen, spricht man von grauem Wasserstoff. Wird der größte Teil der Kohlendioxidemissionen abgeschieden, spricht man von blauem Wasserstoff. Aus Kohle hergestellter Wasserstoff kann als brauner Wasserstoff bezeichnet werden. ⓘ

Derzeitige Produktionsmethoden

Dampfreformierung - grau oder blau

Wasserstoff wird industriell durch Dampfreformierung (SMR) hergestellt, bei der Erdgas verwendet wird. Der Energiegehalt des erzeugten Wasserstoffs ist geringer als der Energiegehalt des ursprünglichen Brennstoffs, da ein Teil davon als überschüssige Wärme während der Produktion verloren geht. Bei der Dampfreformierung wird Kohlendioxid, ein Treibhausgas, freigesetzt. ⓘ

Methanpyrolyse - türkis

Veranschaulichung der Inputs und Outputs der Methanpyrolyse, einem Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ⓘ

Die Pyrolyse von Methan (Erdgas) mit einem einstufigen Verfahren, bei dem Methan durch einen geschmolzenen Metallkatalysator geleitet wird, ist ein "treibhausgasfreier" Ansatz zur Herstellung von Wasserstoff, der 2017 perfektioniert wurde und nun im großen Maßstab getestet wird. Das Verfahren wird bei hohen Temperaturen (1065 °C) durchgeführt. Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff werden etwa 5 kWh Strom für die Prozesswärme benötigt. Die Pyrolyse von Methan kann durch die folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden. ⓘ

CH
₄(g) → C(s) + 2 H
₂(g) ΔH° = 74,8 kJ/mol ⓘ

Der feste Kohlenstoff in Industriequalität kann als Ausgangsmaterial für die Herstellung verkauft oder auf einer Deponie entsorgt werden (keine Verschmutzung). ⓘ

Elektrolyse von Wasser - grün oder violett

Veranschaulichung der Inputs und Outputs der einfachen Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff ⓘ

Wasserstoff kann durch Hochdruckelektrolyse, Niederdruckelektrolyse von Wasser oder eine Reihe anderer neuer elektrochemischer Verfahren wie Hochtemperaturelektrolyse oder kohlenstoffgestützte Elektrolyse hergestellt werden. Die derzeit besten Verfahren zur Wasserelektrolyse haben jedoch einen effektiven elektrischen Wirkungsgrad von 70-80 %, so dass für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff (der eine spezifische Energie von 143 MJ/kg oder etwa 40 kWh/kg hat) 50-55 kWh Strom benötigt werden. ⓘ

In einigen Teilen der Welt kostet die Methandampfreformierung im Durchschnitt zwischen 1 und 3 $/kg, wobei die Kosten für die Druckbeaufschlagung des Wasserstoffgases nicht berücksichtigt sind. Dies macht die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse in vielen Regionen bereits zu wettbewerbsfähigen Kosten, wie von Nel Hydrogen und anderen dargelegt, einschließlich eines Artikels der IEA, in dem die Bedingungen untersucht werden, die zu einem Wettbewerbsvorteil für die Elektrolyse führen könnten. ⓘ

Ein kleiner Teil (2 % im Jahr 2019) wird durch Elektrolyse unter Verwendung von Strom und Wasser hergestellt, wobei etwa 50 bis 55 Kilowattstunden Strom pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff verbraucht werden. ⓘ

Kværner-Verfahren

Das Kværner-Verfahren oder Kvaerner-Ruß- und Wasserstoffverfahren (CB&H) ist ein in den 1980er Jahren von dem gleichnamigen norwegischen Unternehmen entwickeltes Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen (CnHm) wie Methan, Erdgas und Biogas. Von der verfügbaren Energie des Einsatz_materials sind etwa 48 % im Wasserstoff, 40 % in der Aktivkohle und 10 % im überhitzten Dampf enthalten. ⓘ

Experimentelle Produktionsmethoden

Biologische Produktion

Bei der fermentativen Wasserstofferzeugung handelt es sich um die fermentative Umwandlung organischer Substrate in Biowasserstoff, die von einer Vielzahl von Bakterien unter Verwendung von Multienzym-Systemen in drei Schritten ähnlich der anaeroben Umwandlung durchgeführt wird. Dunkelfermentationsreaktionen benötigen keine Lichtenergie, so dass sie in der Lage sind, Tag und Nacht kontinuierlich Wasserstoff aus organischen Verbindungen zu produzieren. Die Photofermentation unterscheidet sich von der Dunkelfermentation, da sie nur in Gegenwart von Licht abläuft. So kann beispielsweise die Photofermentation mit Rhodobacter sphaeroides SH2C eingesetzt werden, um niedermolekulare Fettsäuren in Wasserstoff umzuwandeln. Die Elektrohydrogenese wird in mikrobiellen Brennstoffzellen eingesetzt, bei denen Wasserstoff aus organischem Material (z. B. aus Abwasser oder Feststoffen) unter Anlegen einer Spannung von 0,2 bis 0,8 V erzeugt wird. ⓘ

Biologischer Wasserstoff kann in einem Algenbioreaktor hergestellt werden. In den späten 1990er Jahren wurde entdeckt, dass die Algen, wenn ihnen Schwefel entzogen wird, von der Produktion von Sauerstoff, d. h. der normalen Photosynthese, auf die Produktion von Wasserstoff umschalten. ⓘ

Biologischer Wasserstoff kann in Bioreaktoren hergestellt werden, die andere Ausgangsstoffe als Algen verwenden, wobei die häufigsten Ausgangsstoffe Abfallströme sind. Bei diesem Verfahren ernähren sich die Bakterien von Kohlenwasserstoffen und scheiden Wasserstoff und CO₂ aus. Das CO₂ kann mit verschiedenen Methoden erfolgreich abgeschieden werden, wobei Wasserstoffgas übrig bleibt. In den Jahren 2006-2007 demonstrierte NanoLogix erstmals einen Prototyp eines Wasserstoff-Bioreaktors, der Abfälle als Ausgangsmaterial in der Welch's Traubensaftfabrik in North East, Pennsylvania (USA), verwendet. ⓘ

Biokatalysierte Elektrolyse

Neben der herkömmlichen Elektrolyse ist die Elektrolyse mit Hilfe von Mikroben eine weitere Möglichkeit. Bei der biokatalysierten Elektrolyse wird nach dem Durchlaufen der mikrobiellen Brennstoffzelle Wasserstoff erzeugt, wobei eine Vielzahl von Wasserpflanzen verwendet werden kann. Dazu gehören Rohrglanzgras, Schnurgras, Reis, Tomaten, Lupinen und Algen. ⓘ

Hochdruckelektrolyse

Die Hochdruckelektrolyse ist die Elektrolyse von Wasser durch Zersetzung von Wasser (H₂O) in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoffgas (H₂) mittels eines elektrischen Stroms, der durch das Wasser geleitet wird. Der Unterschied zu einem Standardelektrolyseur besteht in der komprimierten Wasserstoffleistung von etwa 120-200 bar (1740-2900 psi, 12-20 MPa). Durch die Druckbeaufschlagung des Wasserstoffs im Elektrolyseur mittels eines als chemische Kompression bezeichneten Prozesses entfällt die Notwendigkeit eines externen Wasserstoffkompressors; der durchschnittliche Energieverbrauch für die interne Kompression beträgt etwa 3 %. Die größte europäische Wasserstoffproduktionsanlage (1 400 000 kg/a, Hochdruckelektrolyse von Wasser, alkalische Technologie) ist in Kokkola, Finnland, in Betrieb. ⓘ

Hochtemperaturelektrolyse

Wasserstoff kann mit Hilfe der Hochtemperatur-Elektrolyse (HTE) aus Energie in Form von Wärme und Strom erzeugt werden. Da ein Teil der Energie bei der HTE in Form von Wärme zugeführt wird, muss weniger Energie zweimal umgewandelt werden (von Wärme in Strom und dann in chemische Form), so dass potenziell viel weniger Energie pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff benötigt wird. ⓘ

Während nuklear erzeugter Strom für die Elektrolyse verwendet werden könnte, kann nukleare Wärme direkt zur Spaltung von Wasserstoff aus Wasser eingesetzt werden. Gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren (950-1000 °C) haben das Potenzial, Wasserstoff mit Hilfe von Kernwärme auf thermochemischem Wege von Wasser abzuspalten. Die Erforschung von Hochtemperatur-Kernreaktoren könnte schließlich zu einer Wasserstoffversorgung führen, die mit der Dampfreformierung von Erdgas kostenmäßig wettbewerbsfähig ist. General Atomics geht davon aus, dass Wasserstoff, der in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor (HTGR) erzeugt wird, 1,53 $/kg kosten würde. Im Jahr 2003 lag der Preis für Wasserstoff bei der Dampfreformierung von Erdgas bei 1,40 $/kg. Bei den Erdgaspreisen von 2005 kostet Wasserstoff 2,70 $/kg. ⓘ

Die Hochtemperatur-Elektrolyse wurde in einem Labor mit 108 MJ (thermisch) pro Kilogramm erzeugtem Wasserstoff demonstriert, aber nicht im kommerziellen Maßstab. Außerdem handelt es sich dabei um minderwertigen "kommerziellen" Wasserstoff, der für die Verwendung in Brennstoffzellen ungeeignet ist. ⓘ

Photoelektrochemische Wasserspaltung

Die sauberste Art, Wasserstoff zu erzeugen, ist die Nutzung von Strom aus Photovoltaikanlagen. Wasser wird durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten - ein photoelektrochemischer Zellprozess (PEC), der auch als künstliche Photosynthese bezeichnet wird. William Ayers von Energy Conversion Devices demonstrierte und patentierte 1983 das erste hocheffiziente photoelektrochemische System mit Mehrfachübergängen für die direkte Wasserspaltung. Diese Gruppe demonstrierte die direkte Wasserspaltung, die heute als "künstliches Blatt" oder "kabellose solare Wasserspaltung" bezeichnet wird, mit einer kostengünstigen amorphen Silizium-Dünnschicht-Multifunktionsschicht, die direkt in Wasser getaucht wurde. Auf der mit verschiedenen Katalysatoren versehenen Vorderseite aus amorphem Silizium bildete sich Wasserstoff, während sich auf der Rückseite aus einem Metallsubstrat Sauerstoff bildete. Eine Nafion-Membran oberhalb der Mehrfachzelle sorgte für den Ionentransport. In ihrem Patent sind neben amorphem Silizium und Silizium-Germanium-Legierungen auch eine Reihe anderer Halbleiter-Mehrfachübergangsmaterialien für die direkte Wasserspaltung aufgeführt. An den Universitäten und in der Photovoltaikindustrie wird weiter an der Entwicklung einer hocheffizienten Mehrfachzellen-Technologie geforscht. Wenn dieser Prozess durch Photokatalysatoren unterstützt wird, die direkt im Wasser suspendiert sind, anstatt ein photovoltaisches und ein elektrolytisches System zu verwenden, erfolgt die Reaktion in nur einem Schritt, was die Effizienz verbessern kann. ⓘ

Photoelektrokatalytische Produktion

Eine von Thomas Nann und seinem Team an der University of East Anglia untersuchte Methode besteht aus einer Goldelektrode, die mit Schichten von Indiumphosphid (InP)-Nanopartikeln bedeckt ist. Sie brachten einen Eisen-Schwefel-Komplex in die Schichtanordnung ein, die, wenn sie in Wasser getaucht und unter einem geringen elektrischen Strom mit Licht bestrahlt wurde, Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von 60 % erzeugte. ⓘ

Im Jahr 2015 wurde berichtet, dass die Panasonic Corp. einen Photokatalysator auf der Basis von Niobnitrid entwickelt hat, der 57 % des Sonnenlichts absorbieren kann, um die Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoffgas zu unterstützen. Das Unternehmen plant eine kommerzielle Anwendung "so früh wie möglich", nicht vor 2020. ⓘ

Konzentrierende Solarthermie

Für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sind sehr hohe Temperaturen erforderlich. Ein Katalysator ist erforderlich, damit der Prozess bei praktikablen Temperaturen abläuft. Die Erwärmung des Wassers kann durch die Nutzung der konzentrierenden Solarenergie erreicht werden. Hydrosol-2 ist eine 100-Kilowatt-Pilotanlage auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien, die das Sonnenlicht nutzt, um die erforderlichen 800 bis 1.200 °C zur Erwärmung von Wasser zu erreichen. Hydrosol II ist seit 2008 in Betrieb. Die Konstruktion dieser 100-Kilowatt-Pilotanlage basiert auf einem modularen Konzept. Daher ist es möglich, dass diese Technologie durch Vervielfachung der verfügbaren Reaktoreinheiten und durch Anschluss der Anlage an Heliostatfelder (Felder aus sonnennachgeführten Spiegeln) geeigneter Größe problemlos auf den Megawattbereich aufgestockt werden kann. ⓘ

Thermochemische Erzeugung

Es gibt mehr als 352 thermochemische Zyklen, die für die Wasserspaltung verwendet werden können. Etwa ein Dutzend dieser Zyklen, wie der Eisenoxidzyklus, der Cer(IV)-oxid-Cerium(III)-oxid-Zyklus, der Zink-Zink-Oxid-Zyklus, der Schwefel-Jod-Zyklus, der Kupfer-Chlor-Zyklus und der Hybrid-Schwefel-Zyklus, der Aluminium-Aluminium-Oxid-Zyklus, werden derzeit erforscht und befinden sich in der Testphase, um Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Wärme zu erzeugen, ohne Strom zu verwenden. Diese Verfahren können effizienter sein als die Hochtemperatur-Elektrolyse, typischerweise im Bereich von 35 % - 49 % LHV-Wirkungsgrad. Die thermochemische Erzeugung von Wasserstoff mit chemischer Energie aus Kohle oder Erdgas wird im Allgemeinen nicht berücksichtigt, da der direkte chemische Weg effizienter ist. ⓘ

Keines der thermochemischen Wasserstoffproduktionsverfahren wurde bisher in der Praxis erprobt, obwohl einige davon in Labors demonstriert wurden. ⓘ

Mikrowellenverfahren für Kunststoffe

Durch einige Sekunden langes Erhitzen von gemahlenen und mit Eisen- und Aluminiumoxid vermischten Kunststoffen in der Mikrowelle wurde eine 97 %ige Rückgewinnung von Wasserstoff erreicht. ⓘ

Wasserstoff als Nebenprodukt bei anderen chemischen Prozessen

Bei der industriellen Herstellung von Chlor und Natronlauge durch Elektrolyse fällt eine beträchtliche Menge Wasserstoff als Nebenprodukt an. Im Hafen von Antwerpen wird ein 1-MW-Demonstrations-Brennstoffzellenkraftwerk mit diesem Nebenprodukt betrieben. Diese Anlage ist seit Ende 2011 in Betrieb. Der überschüssige Wasserstoff wird häufig mit einer Wasserstoff-Pinch-Analyse verwaltet. Das weltweit erste wasserstoffbetriebene Kraftwerk in Italien hatte eine Kapazität von 12 MW, kostete etwa sechsmal mehr als konventionelle Mittel und wurde nach weniger als zwei Jahren abgeschaltet. ⓘ

Das in Koksöfen bei der Stahlherstellung erzeugte Gas ist mit 60 Volumenprozent Wasserstoff dem Syngas ähnlich. Der Wasserstoff kann kostengünstig aus dem Kokereigas extrahiert werden. ⓘ

Speicherung

Obwohl molekularer Wasserstoff eine sehr hohe Energiedichte auf Massenbasis aufweist, was zum Teil auf sein geringes Molekulargewicht zurückzuführen ist, hat er als Gas bei Umgebungsbedingungen eine sehr geringe Energiedichte pro Volumen. Wenn er als Kraftstoff an Bord eines Fahrzeugs verwendet werden soll, muss reines Wasserstoffgas in einer energiedichten Form gespeichert werden, um eine ausreichende Reichweite zu erzielen. ⓘ

Unter Druck stehendes Wasserstoffgas

Die Erhöhung des Gasdrucks verbessert die Energiedichte pro Volumen, so dass kleinere Tanks benötigt werden. Das Standardmaterial für die Speicherung von Druckwasserstoff in Tube-Trailern ist Stahl (bei Wasserstoffgas gibt es kein Problem der Wasserstoffversprödung). Tanks aus kohlenstoff- und glasfaserverstärktem Kunststoff, wie sie in Toyota Marai- und Kenworth-Lkw eingebaut sind, müssen die Sicherheitsstandards erfüllen. Nur wenige Materialien sind für Tanks geeignet, da Wasserstoff als kleines Molekül dazu neigt, durch viele polymere Materialien zu diffundieren. Die gängigste Form der Wasserstoffspeicherung an Bord von Fahrzeugen der Generation 2020 ist Wasserstoff mit einem Druck von 700 bar = 70 MPa. Die Energiekosten für die Komprimierung von Wasserstoff auf diesen Druck sind erheblich. ⓘ

Druckgaspipelines sind immer aus Stahl und arbeiten mit viel niedrigeren Drücken als Schlauchanhänger. ⓘ

Flüssiger Wasserstoff

Alternativ kann auch flüssiger Wasserstoff mit höherer volumetrischer Energiedichte oder Slush-Wasserstoff verwendet werden. Flüssiger Wasserstoff ist jedoch kryogen und siedet bei 20.268 K (-252.882 °C oder -423.188 °F). Die kryogene Speicherung spart Gewicht, erfordert aber große Verflüssigungsenergien. Der Verflüssigungsprozess, der Druck- und Kühlstufen umfasst, ist energieintensiv. Die Energiedichte des verflüssigten Wasserstoffs ist aufgrund der geringen Dichte von flüssigem Wasserstoff etwa um den Faktor vier geringer als die von Benzin - in einem Liter Benzin (116 Gramm) befindet sich mehr Wasserstoff als in einem Liter reinem flüssigem Wasserstoff (71 Gramm). Wie jede andere Flüssigkeit bei kryogenen Temperaturen müssen auch die Flüssigwasserstoffspeicher gut isoliert sein, um das Verdampfen zu minimieren. ⓘ

Japan verfügt über eine Speicheranlage für Flüssigwasserstoff (LH2) in einem Terminal in Kobe, und es wird erwartet, dass die erste Lieferung von Flüssigwasserstoff per LH2-Träger im Jahr 2020 eintrifft. Wasserstoff wird verflüssigt, indem seine Temperatur auf -253 °C gesenkt wird, ähnlich wie bei verflüssigtem Erdgas (LNG), das bei -162 °C gelagert wird. Dabei kann ein potenzieller Wirkungsgradverlust von 12,79 % erzielt werden, was 4,26 kWh/kg von 33,3 kWh/kg entspricht. ⓘ

Speicherung als Hydrid

Im Gegensatz zur Speicherung von molekularem Wasserstoff kann Wasserstoff auch als chemisches Hydrid oder in einer anderen wasserstoffhaltigen Verbindung gespeichert werden. Wasserstoffgas wird mit einigen anderen Materialien umgesetzt, um das Wasserstoffspeichermaterial herzustellen, das relativ leicht transportiert werden kann. Am Verwendungsort kann das Wasserstoffspeichermaterial unter Bildung von Wasserstoffgas zersetzt werden. Neben den Problemen mit der Massen- und Volumendichte, die mit der Speicherung von molekularem Wasserstoff verbunden sind, werden praktische Speichersysteme derzeit durch die hohen Druck- und Temperaturbedingungen behindert, die für die Hydridbildung und die Wasserstofffreisetzung erforderlich sind. Bei vielen potenziellen Systemen sind auch die Hydridierungs- und Dehydridierungskinetik und das Wärmemanagement Probleme, die es zu lösen gilt. Das französische Unternehmen McPhy Energy entwickelt derzeit das erste industrielle Produkt auf der Grundlage von Magnesiumhydrat, das bereits an einige Großkunden wie Iwatani und ENEL verkauft wurde. Aufstrebende Hydrid-Wasserstoffspeichertechnologien haben ein komprimiertes Volumen von weniger als 1/500 erreicht. ⓘ

Adsorption

Ein dritter Ansatz ist die Adsorption von molekularem Wasserstoff an der Oberfläche eines festen Speichermaterials. Anders als bei den oben erwähnten Hydriden dissoziiert/rekombiniert der Wasserstoff nicht beim Laden/Entladen des Speichersystems und leidet daher nicht unter den kinetischen Beschränkungen vieler Hydridspeichersysteme. Mit geeigneten Adsorptionsmitteln lassen sich ähnliche Wasserstoffdichten wie bei verflüssigtem Wasserstoff erzielen. Zu den vorgeschlagenen Adsorbentien gehören Aktivkohle, nanostrukturierte Kohlenstoffe (einschließlich CNTs), MOFs und Wasserstoffclathrathydrat. ⓘ

Unterirdische Wasserstoffspeicherung

Verfügbare Speichertechnologien, ihre Kapazität und Entladezeit". ARBEITSDOKUMENT DER KOMMISSIONSDIENSTSTELLEN Energiespeicherung - die Rolle der Elektrizität ⓘ

Unterirdische Wasserstoffspeicherung ist die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, Salzstöcken und erschöpften Öl- und Gasfeldern. Große Mengen gasförmigen Wasserstoffs werden von ICI seit vielen Jahren problemlos in Kavernen gespeichert. Die unterirdische Speicherung großer Mengen flüssigen Wasserstoffs kann als Netzenergiespeicher fungieren. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 % (gegenüber 75-80 % bei der Pumpspeicherung (PHES)), und die Kosten sind etwas höher als bei der Pumpspeicherung. Eine andere Studie, auf die in einem Arbeitspapier der europäischen Dienststellen Bezug genommen wird, kommt zu dem Ergebnis, dass für die Speicherung in großem Maßstab Wasserstoff mit 140 €/MWh bei einer Speicherdauer von 2.000 Stunden unter Verwendung eines Elektrolyseurs, eines Salzkavernenspeichers und eines Kombikraftwerks die günstigste Option ist. Das europäische Projekt Hyunder wies 2013 darauf hin, dass für die Speicherung von Wind- und Solarenergie zusätzliche 85 Kavernen erforderlich sind, da diese nicht durch PHES- und CAES-Systeme abgedeckt werden können. Eine deutsche Fallstudie über die Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen ergab, dass für den Fall, dass der deutsche Stromüberschuss (7 % der gesamten variablen erneuerbaren Erzeugung bis 2025 und 20 % bis 2050) in Wasserstoff umgewandelt und unterirdisch gespeichert würde, diese Mengen bis 2025 etwa 15 Kavernen mit je 500.000 Kubikmetern und bis 2050 etwa 60 Kavernen erfordern würden - was etwa einem Drittel der derzeit in Deutschland betriebenen Gaskavernen entspricht. In den USA erforschen die Sandia Labs die Speicherung von Wasserstoff in erschöpften Öl- und Gasfeldern, die leicht große Mengen an erneuerbar erzeugtem Wasserstoff aufnehmen könnten, da es etwa 2,7 Millionen erschöpfte Bohrlöcher gibt. ⓘ

Power-to-Gas

Power-to-Gas ist eine Technologie, bei der elektrische Energie in einen gasförmigen Brennstoff umgewandelt wird. Es gibt zwei Methoden: Bei der ersten wird der Strom für die Wasserspaltung verwendet und der dabei entstehende Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist. Bei der zweiten (weniger effizienten) Methode werden Kohlendioxid und Wasser durch Elektrolyse und die Sabatier-Reaktion in Methan (siehe Erdgas) umgewandelt. Der von Windgeneratoren oder Solaranlagen erzeugte Überschuss- oder Spitzenstrom wird dann zum Lastausgleich im Energienetz verwendet. Nutzung des bestehenden Erdgassystems für Wasserstoff Der Brennstoffzellenhersteller Hydrogenics und der Erdgasversorger Enbridge haben sich zusammengetan, um ein solches Power-to-Gas-System in Kanada zu entwickeln. ⓘ

Speicherung in der Pipeline

In einer voll ausgebauten Infrastruktur mit entsprechenden Abnahmemengen könnte eine Verteilung über Pipelines deutlich energieeffizienter und kostengünstiger sein. Dazu könnte ein Großteil des bereits bestehenden Erdgasnetzes verwendet werden. Das Erdgasnetz ist für die Aufnahme von Wasserstoff geeignet und es treten, bei korrekter Materialwahl, keine Probleme mit Wasserstoffversprödung oder Dichtigkeit auf. Vor der Umstellung auf Erdgas wurden die deutschen Gasnetze mit Stadtgas betrieben, das zu 51 % aus Wasserstoff bestand. Der Energietransport über ein Gasnetzwerk erfolgt mit wesentlich weniger Verlusten (< 0,1 %) als bei einem Stromnetzwerk (8 %). Die Kapazität der Speicher im deutschen Erdgasnetz liegt bei mehr als 200.000 GWh und kann den Energiebedarf mehrerer Monate zwischenspeichern. Zum Vergleich: die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke beträgt dagegen nur 40 GWh. Das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Baden-Württemberg will künftig (Stand 2011) den Ausbau einer Wasserstoff-Infrastruktur unterstützen. Es gibt zudem praktische Erfahrungen mit Wasserstoffleitungen:

• Im Ruhrgebiet wird seit Jahrzehnten ein über 240 km langes Wasserstoffnetz betrieben.
• In Sachsen-Anhalt besteht ein 90 km langes, gut ausgebautes Wasserstoff-Pipeline-System der Linde-Gas AG in einer Region mit starker industrieller Gasnachfrage zwischen Rodleben-Bitterfeld-Leuna-Zeitz.
• Weltweit existierten 2010 mehr als tausend Kilometer Wasserstoffleitungen. Air Liquide betreibt 12 Pipeline-Netze mit einer Gesamtlänge von 1200 km. ⓘ

Probleme gibt es noch mit der Langzeitspeicherung. So verflüchtigt sich ein Teil des Wasserstoffes aus den Kryotanks, wenn kein kontinuierlicher Verbrauch gesichert ist. Beispielsweise begann die Ausgasung beim BMW Hydrogen 7 mit Flüssigwasserstofftank nach 17 Stunden Standzeit, nach neun Tagen war ein halbvoller Tank verdampft. ⓘ

Infrastruktur

Praxair-Wasserstoffanlage ⓘ

Die Wasserstoffinfrastruktur würde hauptsächlich aus industriellen Wasserstoffpipelines und Wasserstofftankstellen bestehen, wie sie an einer Wasserstoffautobahn zu finden sind. Wasserstofftankstellen, die nicht in der Nähe einer Wasserstoffpipeline liegen, würden über Wasserstofftanks, Druckwasserstoffrohranhänger, Flüssigwasserstoffanhänger, Flüssigwasserstofftankwagen oder eine eigene Produktion vor Ort versorgt werden. ⓘ

In den Vereinigten Staaten gibt es derzeit über 700 Meilen an Wasserstoffpipelines. Obwohl teuer, sind Pipelines die billigste Art, Wasserstoff über große Entfernungen zu transportieren. Wasserstoffgasleitungen sind in großen Ölraffinerien Routine, da Wasserstoff zum Hydrocracken von Kraftstoffen aus Rohöl verwendet wird. ⓘ

Theoretisch können Wasserstoffleitungen in dezentralen Wasserstofferzeugungssystemen vermieden werden, bei denen der Wasserstoff routinemäßig vor Ort mit mittelgroßen oder kleinen Generatoren erzeugt wird, die genug Wasserstoff für den Eigenbedarf oder vielleicht für eine Nachbarschaft produzieren. Letztendlich könnte eine Kombination von Optionen für die Verteilung von Wasserstoffgas erfolgreich sein. ⓘ

Wasserstoffversprödung ist kein Problem für Wasserstoffgasleitungen. Wasserstoffversprödung tritt nur bei "diffusionsfähigem" Wasserstoff auf, d. h. bei Atomen oder Ionen. Bei Wasserstoffgas handelt es sich jedoch um molekularen Wasserstoff (H₂), für dessen Aufspaltung in Atome eine sehr hohe Energiebarriere besteht. ⓘ

Die IEA empfiehlt, die bestehenden Industriehäfen für die Produktion und die bestehenden Erdgaspipelines für den Transport zu nutzen, ebenso die internationale Zusammenarbeit und den Schiffsverkehr. ⓘ

Südkorea und Japan, die ab 2019 über keine internationalen Stromverbindungsleitungen verfügen, investieren in die Wasserstoffwirtschaft. Im März 2020 wurde in Namie, Präfektur Fukushima, eine Produktionsanlage eröffnet, die nach eigenen Angaben die weltweit größte sein soll. ⓘ

Ein entscheidender Kompromiss: zentralisierte vs. dezentrale Produktion

In einer künftigen Voll-Wasserstoffwirtschaft würden Primärenergiequellen und Ausgangsstoffe zur Herstellung von Wasserstoffgas als gespeicherte Energie für die Verwendung in verschiedenen Wirtschaftssektoren genutzt werden. Die Herstellung von Wasserstoff aus anderen Primärenergieträgern als Kohle und Öl würde zu einer geringeren Produktion von Treibhausgasen führen, die für die Verbrennung von Kohle und Öl als fossile Energieträger charakteristisch sind. Die Bedeutung der umweltfreundlichen Methanpyrolyse von Erdgas wird allmählich als Methode anerkannt, mit der die derzeitigen Investitionen in die Erdgasinfrastruktur zur Erzeugung von Wasserstoff ohne Treibhausgase genutzt werden können. ⓘ

Ein wesentliches Merkmal einer Wasserstoffwirtschaft wäre, dass bei mobilen Anwendungen (vor allem im Fahrzeugverkehr) Energieerzeugung und -verbrauch entkoppelt werden könnten. Die primäre Energiequelle müsste nicht mehr mit dem Fahrzeug transportiert werden, wie es derzeit bei Kohlenwasserstoffkraftstoffen der Fall ist. Anstelle von Auspuffrohren, die verstreute Emissionen verursachen, könnte die Energie (und die Umweltverschmutzung) von punktuellen Quellen wie großen, zentralisierten Anlagen mit verbesserter Effizienz erzeugt werden. Dies würde die Möglichkeit von Technologien wie der Kohlenstoffbindung eröffnen, die sonst für mobile Anwendungen unmöglich sind. Alternativ könnten auch dezentrale Energieerzeugungssysteme (z. B. kleine erneuerbare Energiequellen) eingesetzt werden, möglicherweise in Verbindung mit Wasserstofftankstellen. ⓘ

Abgesehen von der Energieerzeugung könnte die Wasserstoffproduktion zentral, dezentral oder in einer Mischung aus beidem erfolgen. Während die Erzeugung von Wasserstoff in zentralen Primärenergieanlagen eine höhere Effizienz der Wasserstoffproduktion verspricht, machen die Schwierigkeiten beim Transport von Wasserstoff in großen Mengen und über weite Entfernungen (aufgrund von Faktoren wie Wasserstoffschäden und der leichten Diffusion von Wasserstoff durch feste Materialien) die elektrische Energieverteilung in einer Wasserstoffwirtschaft attraktiv. In einem solchen Szenario könnten kleine regionale Anlagen oder sogar lokale Tankstellen Wasserstoff mit Hilfe von Energie erzeugen, die über das Stromverteilungsnetz oder die Methanpyrolyse von Erdgas bereitgestellt wird. Während der Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung wahrscheinlich geringer ist als bei der zentralen Wasserstofferzeugung, könnten die Verluste beim Wasserstofftransport ein solches System effizienter machen, was den Primärenergieverbrauch pro Kilogramm an den Endverbraucher angeht. ⓘ

Das richtige Gleichgewicht zwischen der Verteilung des Wasserstoffs, der Stromverteilung über weite Strecken und der Pyrolyse von Erdgas am Bestimmungsort ist eine der wichtigsten Fragen, die sich im Zusammenhang mit der Wasserstoffwirtschaft stellen. ⓘ

Auch hier kann das Dilemma der Produktionsquellen und des Wasserstofftransports durch die Erzeugung von Wasserstoff vor Ort (zu Hause, im Unternehmen oder an der Tankstelle) aus netzunabhängigen erneuerbaren Quellen gelöst werden. ⓘ

Verteilte Elektrolyse

Bei der dezentralen Elektrolyse werden die Probleme der Wasserstoffverteilung umgangen, indem stattdessen Strom verteilt wird. Sie würde die bestehenden Stromnetze nutzen, um den Strom zu kleinen Elektrolyseuren zu transportieren, die sich an den Tankstellen befinden. Allerdings würde die Gesamteffizienz durch die Berücksichtigung der für die Stromerzeugung verbrauchten Energie und der Übertragungsverluste verringert. ⓘ

Verwendungen

Industrie

Die Stahlherstellung und die Ammoniakproduktion sind Industrien, die zu Großverbrauchern werden könnten. ⓘ

Zum Heizen und Kochen anstelle von Erdgas

Wasserstoff kann das Erdgas in Gasnetzen teilweise oder ganz ersetzen. Ab 2020 darf der Anteil in einem Netz maximal 20 % betragen. ⓘ

Brennstoffzellen als Alternative zu Verbrennungsmotoren und Elektrobatterien

Eines der Hauptangebote einer Wasserstoffwirtschaft besteht darin, dass der Kraftstoff den fossilen Brennstoff ersetzen kann, der in Verbrennungsmotoren und Turbinen als primärer Weg zur Umwandlung von chemischer Energie in kinetische oder elektrische Energie verbrannt wird, wodurch Treibhausgasemissionen und Umweltverschmutzung durch diesen Motor vermieden werden. Ad van Wijk, Professor an der TU Delft für Zukunftsenergiesysteme, weist auch darauf hin, dass Wasserstoff für größere Fahrzeuge - wie Lastwagen, Busse und Schiffe - besser geeignet ist als elektrische Batterien. Denn eine 1 kg schwere Batterie (Stand 2019) kann 0,1 kWh Energie speichern, während 1 kg Wasserstoff einen nutzbaren Energiegehalt von 33 kWh hat. ⓘ

Obwohl Wasserstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren verwendet werden kann, haben Brennstoffzellen als elektrochemische Systeme einen theoretischen Effizienzvorteil gegenüber Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellen sind in der Herstellung teurer als herkömmliche Verbrennungsmotoren. ⓘ

Bei Wasserstoffgas ist zu unterscheiden zwischen "technischer Qualität" (fünf Neunen rein, 99,999 %), die durch Methanpyrolyse oder Elektrolyse hergestellt wird und für Anwendungen wie Brennstoffzellen geeignet ist, und "kommerzieller Qualität", die kohlenstoff- und schwefelhaltige Verunreinigungen aufweist, aber durch das etwas billigere Dampfreformierungsverfahren hergestellt werden kann, bei dem das Treibhausgas Kohlendioxid freigesetzt wird. Brennstoffzellen erfordern hochreinen Wasserstoff, da die Verunreinigungen die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels schnell beeinträchtigen würden. ⓘ

Ein Großteil des Interesses am Konzept der Wasserstoffwirtschaft konzentriert sich auf den Einsatz von Brennstoffzellen zum Antrieb von Wasserstofffahrzeugen, insbesondere von großen Lastkraftwagen. Wasserstoff-Brennstoffzellen haben ein schlechtes Verhältnis von Leistung zu Gewicht. Brennstoffzellen sind effizienter als Verbrennungsmotoren. Wenn eine praktikable Methode zur Wasserstoffspeicherung eingeführt wird und die Brennstoffzellen billiger werden, können sie für den Antrieb von Hybridfahrzeugen mit Brennstoffzelle und Batterie oder von reinen Brennstoffzellenfahrzeugen wirtschaftlich rentabel sein. Die Kombination aus Brennstoffzelle und Elektromotor ist 2-3 Mal effizienter als ein Verbrennungsmotor. Die Investitionskosten für Brennstoffzellen sind in den letzten Jahren erheblich gesunken, wobei das Energieministerium Kosten von 50 $/kW angibt. ⓘ

Andere Brennstoffzellentechnologien, die auf dem Austausch von Metallionen beruhen (z. B. Zink-Luft-Brennstoffzellen), sind in der Regel effizienter bei der Energieumwandlung als Wasserstoff-Brennstoffzellen, aber der weit verbreitete Einsatz von Systemen mit elektrischer Energie → chemischer Energie → elektrischer Energie würde die Erzeugung von Strom erfordern. ⓘ

Kurzfristig wurde Wasserstoff als Methode zur Verringerung schädlicher Dieselabgase vorgeschlagen. ⓘ

Ein mit Wasserstoff angetriebenes Fahrzeug besitzt im Allgemeinen einen Drucktank (z. B. 700 bar), der an einer Wasserstofftankstelle aufgetankt werden kann. Im Mai 2000 stellte BMW in Berlin die erste Serie von 15 Exemplaren eines Wasserstoffautos mit der Typenbezeichnung 750hL vor. Als Methoden der Krafterzeugung ist entweder ein weitgehend herkömmlicher Verbrennungsmotor möglich, ähnlich dem Fahren mit Erdgas, oder eine „kalte Verbrennung“ in einer Brennstoffzelle. Im Brennstoffzellenfahrzeug wird mit der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt, der einen Elektromotor antreibt. ⓘ

Sicherheit

Wasserstoff hat von allen Gasen mit wenigen Ausnahmen wie Acetylen, Silan und Ethylenoxid einen der breitesten Explosions-/Zündbereiche mit Luft. Das bedeutet, dass unabhängig vom Mischungsverhältnis zwischen Luft und Wasserstoff ein Wasserstoffleck in einem geschlossenen Raum höchstwahrscheinlich zu einer Explosion und nicht nur zu einer Flamme führen wird. Dies macht die Verwendung von Wasserstoff in geschlossenen Räumen wie Tunneln oder Tiefgaragen besonders gefährlich. Reine Wasserstoff-Sauerstoff-Flammen brennen im ultravioletten Bereich und sind mit bloßem Auge kaum zu erkennen, so dass ein Flammendetektor erforderlich ist, um zu erkennen, ob ein Wasserstoffleck brennt. Wie Erdgas ist auch Wasserstoff geruchlos, und Lecks können nicht durch Geruch erkannt werden. Aus diesem Grund wird dem Erdgas ein chemischer Geruchsstoff beigemischt, der den Geruch nach faulen Eiern erzeugt. ⓘ

Bei den Vorschriften und Normen für Wasserstoff handelt es sich um Vorschriften und Normen für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge, stationäre Brennstoffzellenanwendungen und tragbare Brennstoffzellenanwendungen. Es gibt Vorschriften und Normen für die sichere Handhabung und Lagerung von Wasserstoff, z. B. die Norm für die Installation von stationären Brennstoffzellensystemen der National Fire Protection Association. ⓘ

Vorschriften und Normen wurden wiederholt als ein großes institutionelles Hindernis für die Einführung von Wasserstofftechnologien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft genannt. Ab 2019 werden internationale Normen für den Transport, die Lagerung und die Rückverfolgbarkeit der Umweltauswirkungen benötigt. ⓘ

Eine der Maßnahmen auf dem Fahrplan ist die Einführung höherer Sicherheitsstandards wie die frühzeitige Leckerkennung mit Wasserstoffsensoren. Das kanadische Wasserstoffsicherheitsprogramm kam zu dem Schluss, dass die Betankung mit Wasserstoff genauso sicher ist wie die Betankung mit komprimiertem Erdgas (CNG) oder sogar noch sicherer. Die Europäische Kommission hat das weltweit erste Hochschulprogramm für Wasserstoffsicherheitstechnik an der Universität von Ulster finanziert. Es wird erwartet, dass die Allgemeinheit in der Lage sein wird, Wasserstofftechnologien im täglichen Leben mit mindestens dem gleichen Maß an Sicherheit und Komfort zu nutzen wie die heutigen fossilen Brennstoffe. ⓘ

Kosten

H2-Produktionskosten ($-gge unversteuert) bei unterschiedlichen Erdgaspreisen ⓘ

Obwohl ein Großteil des bestehenden Erdgasnetzes mit 100 % Wasserstoff wiederverwendet werden könnte, würde die Abschaffung von Erdgas in einem großen Gebiet wie Großbritannien enorme Investitionen erfordern. Die Umstellung von Erdgas auf eine kohlenstoffarme Heizung ist kostspieliger, wenn sich die Kohlenstoffkosten des Erdgases nicht in seinem Preis widerspiegeln. ⓘ

Kraftwerkskapazitäten, die heute nachts ungenutzt bleiben, könnten zur Erzeugung von grünem Wasserstoff genutzt werden, was aber nicht ausreichen würde. Daher wird türkisfarbener Wasserstoff aus umweltfreundlicher Methanpyrolyse oder blauer Wasserstoff mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung benötigt, möglicherweise nach autothermischer Reformierung von Methan anstelle der Methandampfreformierung. ⓘ

Ab 2020 kostet grüner Wasserstoff zwischen 2,50 und 6,80 $ pro Kilogramm, türkisfarbener Wasserstoff 1,40 bis 2,40 $/kg und blauer Wasserstoff 1,40 bis 2,40 $/kg, während grauer Wasserstoff mit hohem Kohlenstoffgehalt 1 bis 1,80 $/kg kostet. Der Einsatz von Wasserstoff kann eine kosteneffiziente Option sein, um kohlenstoffverschmutzende fossile Brennstoffe in Anwendungen zu ersetzen, in denen eine Emissionsreduzierung ansonsten unpraktisch und/oder teuer wäre. Dazu gehören die Wärmeversorgung von Gebäuden und Industrie, die Umstellung von erdgasbefeuerten Kraftwerken sowie Treibstoff für die Luftfahrt und vor allem für schwere Lastwagen. ⓘ

In Australien hat die australische Agentur für erneuerbare Energien (ARENA) 55 Millionen Dollar in 28 Wasserstoffprojekte investiert, von der frühen Forschungs- und Entwicklungsphase bis hin zu ersten Versuchen und Einsätzen. Das erklärte Ziel der Agentur ist die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse für 2 Dollar pro Kilogramm, wie der Minister für Energie und Emissionen Angus Taylor in einer Erklärung zu emissionsarmen Technologien 2021 ankündigte. ⓘ

Im August 2021 trat Chris Jackson als Vorsitzender der UK Hydrogen and Fuel Cell Association, eines führenden Verbandes der Wasserstoffindustrie, zurück und behauptete, britische und norwegische Ölgesellschaften hätten ihre Kostenprognosen für blauen Wasserstoff absichtlich aufgebläht, um künftige Technologieförderungszahlungen der britischen Regierung zu maximieren. ⓘ

Beispiele und Pilotprogramme

Ein mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebener Mercedes-Benz O530 Citaro in Brünn, Tschechische Republik. ⓘ

Die Verteilung von Wasserstoff für Transportzwecke wird weltweit getestet, insbesondere in den USA (Kalifornien, Massachusetts), Kanada, Japan, der EU (Portugal, Norwegen, Dänemark, Deutschland) und Island. ⓘ

Mehrere US-Automobilhersteller wie GM und Toyota haben Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb entwickelt. Im Februar 2020 war die Infrastruktur für Wasserstoff jedoch außer in einigen Teilen Kaliforniens noch unterentwickelt. Die Vereinigten Staaten haben ihre eigene Wasserstoffpolitik. Ein Joint Venture zwischen NREL und Xcel Energy kombiniert in Colorado Windenergie und Wasserstoff auf die gleiche Weise. Hydro in Neufundland und Labrador baut das derzeitige Wind-Diesel-Kraftwerk auf der abgelegenen Insel Ramea zu einem Wind-Wasserstoff-Hybridkraftwerk um. Ein ähnliches Pilotprojekt auf Stuart Island nutzt Sonnenenergie anstelle von Windkraft zur Stromerzeugung. Wenn nach dem vollständigen Aufladen der Batterien überschüssiger Strom zur Verfügung steht, wird durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt und für die spätere Stromerzeugung durch Brennstoffzellen gespeichert. Die USA verfügen außerdem über ein umfangreiches Erdgaspipelinesystem, das bereits in Betrieb ist. ⓘ

Zu den Ländern in der EU, die bereits über ein relativ großes Erdgasleitungsnetz verfügen, gehören Belgien, Deutschland, Frankreich und die Niederlande. Im Jahr 2020 hat die EU ihre Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff (ECHA) ins Leben gerufen. ⓘ

Das Vereinigte Königreich startete im Januar 2004 ein Brennstoffzellen-Pilotprogramm, in dessen Rahmen bis Dezember 2005 zwei Brennstoffzellenbusse auf der Linie 25 in London eingesetzt wurden und das bis Januar 2007 auf die Linie RV1 umgestellt wurde. Die Hydrogen Expedition arbeitet derzeit an der Entwicklung eines mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebenen Schiffs, mit dem die Welt umrundet werden soll, um die Leistungsfähigkeit von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu demonstrieren. Im August 2021 behauptete die britische Regierung, sie sei die erste, die eine Wasserstoffstrategie habe, und legte ein Dokument vor. ⓘ

Das Ministerium für Planung und Infrastruktur von Westaustralien setzte drei Daimler Chrysler Citaro-Brennstoffzellenbusse im Rahmen des "Sustainable Transport Energy for Perth Fuel Cells Bus Trial" in Perth ein. Die Busse wurden von Path Transit auf regulären Transperth-Buslinien eingesetzt. Der Versuch begann im September 2004 und endete im September 2007. Die Brennstoffzellen der Busse nutzten ein Protonenaustauschmembransystem und wurden mit Rohwasserstoff aus einer BP-Raffinerie in Kwinana, südlich von Perth, versorgt. Der Wasserstoff war ein Nebenprodukt des industriellen Prozesses der Raffinerie. Aufgetankt wurden die Busse an einer Tankstelle im nördlichen Vorort von Perth, Malaga. ⓘ

Island hat sich verpflichtet, bis zum Jahr 2050 die erste Wasserstoffwirtschaft der Welt zu werden. Island befindet sich in einer einzigartigen Lage. Derzeit importiert das Land alle Erdölprodukte, die es für den Antrieb seiner Autos und seiner Fischereiflotte benötigt. Island verfügt über große geothermische Ressourcen, die so groß sind, dass der lokale Strompreis sogar unter dem Preis der Kohlenwasserstoffe liegt, die zur Stromerzeugung verwendet werden könnten. ⓘ

Island wandelt seine überschüssige Elektrizität bereits in exportfähige Güter und Kohlenwasserstoffersatz um. Im Jahr 2002 produzierte das Land 2.000 Tonnen Wasserstoffgas durch Elektrolyse, hauptsächlich für die Herstellung von Ammoniak (NH₃) für Düngemittel. Ammoniak wird in der ganzen Welt hergestellt, transportiert und verwendet, und 90 % der Kosten für Ammoniak sind die Kosten für die Energie zu seiner Herstellung. ⓘ

Keiner der beiden Industriezweige ersetzt direkt Kohlenwasserstoffe. In Reykjavík, Island, gab es eine kleine Pilotflotte von Stadtbussen, die mit komprimiertem Wasserstoff betrieben wurden, und es wird daran geforscht, die Fischereiflotte des Landes mit Wasserstoff anzutreiben (z. B. von Unternehmen wie Icelandic New Energy). Für praktischere Zwecke könnte Island importiertes Öl mit Wasserstoff verarbeiten, um es zu verlängern, anstatt es ganz zu ersetzen. ⓘ

Die Busse in Reykjavík sind Teil eines größeren Programms, HyFLEET:CUTE, das wasserstoffbetriebene Busse in acht europäischen Städten einsetzt. HyFLEET:CUTE-Busse wurden auch in Peking, China, und Perth, Australien, eingesetzt (siehe unten). Ein Pilotprojekt zur Demonstration der Wasserstoffwirtschaft ist auf der norwegischen Insel Utsira in Betrieb. Die Anlage kombiniert Windenergie und Wasserstoffantrieb. In Zeiten, in denen es einen Überschuss an Windenergie gibt, wird die überschüssige Energie zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse genutzt. Der Wasserstoff wird gespeichert und steht für die Stromerzeugung in windschwachen Zeiten zur Verfügung. ⓘ

Indien soll Wasserstoff und H-CNG aus mehreren Gründen annehmen, unter anderem, weil bereits ein landesweiter Ausbau der Erdgasnetze stattfindet und Erdgas bereits ein wichtiger Fahrzeugkraftstoff ist. Darüber hinaus leidet Indien unter extremer Luftverschmutzung in städtischen Gebieten. Einigen Schätzungen zufolge sollen fast 80 % des indischen Wasserstoffs umweltfreundlich sein, was auf Kostensenkungen und neue Produktionstechnologien zurückzuführen ist. ⓘ

Derzeit befindet sich die Wasserstoffenergie jedoch erst im Stadium der Forschung, Entwicklung und Demonstration (RD&D). Infolgedessen ist die Zahl der Wasserstofftankstellen noch gering, auch wenn bald mit der Einführung weiterer Tankstellen gerechnet wird. ⓘ

Das türkische Ministerium für Energie und natürliche Ressourcen und die Organisation der Vereinten Nationen für industrielle Entwicklung haben 2003 eine Vereinbarung über einen Treuhandfonds in Höhe von 40 Mio. USD für die Einrichtung des Internationalen Zentrums für Wasserstoff-Energie-Technologien (UNIDO-ICHET) in Istanbul unterzeichnet, das 2004 seinen Betrieb aufnahm. In den Räumlichkeiten des UNIDO-ICHET werden ein Wasserstoffgabelstapler, ein Wasserstoffwagen und ein mit erneuerbaren Energien betriebenes mobiles Haus vorgeführt. Ein unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem ist seit April 2009 in der Zentrale des Unternehmens Istanbul Sea Buses in Betrieb. ⓘ

Ein weiterer Indikator für das Vorhandensein großer Erdgasinfrastrukturen in den Ländern, die von den Bürgern bereits genutzt werden, ist die Anzahl der Erdgasfahrzeuge im Land. Die Länder mit dem größten Bestand an Erdgasfahrzeugen sind (in der Reihenfolge der Größenordnung): Iran, China, Pakistan, Argentinien, Indien, Brasilien, Italien, Kolumbien, Thailand, Usbekistan, Bolivien, Armenien, Bangladesch, Ägypten, Peru, Ukraine, Vereinigte Staaten. Auch Erdgasfahrzeuge können für den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet werden. ⓘ

Einige Krankenhäuser haben kombinierte Elektrolyseur-Speicher-Brennstoffzellen-Einheiten für die lokale Notstromversorgung installiert. Diese sind für Notfälle vorteilhaft, da sie im Vergleich zu verbrennungsmotorischen Generatoren wenig Wartung erfordern und leicht zu installieren sind. ⓘ

Auch in einigen Privathaushalten finden sich Brennstoffzellen-Mikro-KWK-Anlagen, die mit Wasserstoff oder anderen Brennstoffen wie Erdgas oder Flüssiggas betrieben werden können. Wenn sie mit Erdgas betrieben werden, wird das Erdgas vor der Verwendung in der Brennstoffzelle durch Dampfreformierung in Wasserstoff umgewandelt. Dabei wird zwar immer noch CO₂ freigesetzt (siehe Reaktion), doch kann der (vorübergehende) Betrieb mit diesem Brennstoff eine gute Lösung sein, bis der Wasserstoff über das (Erdgas-)Rohrleitungssystem verteilt wird. ⓘ

Im Oktober 2021 kündigten die Premierministerin von Queensland, Annastacia Palaszczuk, und Andrew Forrest an, dass in Queensland die größte Wasserstoffanlage der Welt entstehen soll. ⓘ

Auch der deutsche Automobilhersteller BMW arbeitet seit Jahren mit Wasserstoff. ⓘ

Saudi-Arabien will im Rahmen des NEOM-Projekts jährlich rund 1,2 Millionen Tonnen grünes Ammoniak produzieren und 2025 mit der Produktion beginnen. ⓘ

Partielle Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff ist lediglich eine Methode zur Speicherung und Übertragung von Energie. Die Entwicklung verschiedener alternativer Energieübertragungs- und -speicherungsszenarien, die mit der Wasserstoffproduktion beginnen, ihn aber nicht für alle Teile der Speicher- und Übertragungsinfrastruktur verwenden, könnte sowohl kurz- als auch langfristig wirtschaftlicher sein. Dazu gehören: ⓘ

Ammoniak-Wirtschaft

Eine Alternative zu gasförmigem Wasserstoff als Energieträger besteht darin, ihn mit Stickstoff aus der Luft zu verbinden, um Ammoniak zu erzeugen, das leicht verflüssigt, transportiert und (direkt oder indirekt) als sauberer und erneuerbarer Brennstoff verwendet werden kann. So haben Forscher des CSIRO in Australien im Jahr 2018 einen Toyota Mirai und einen Hyundai Nexo mit Wasserstoff betankt, der mithilfe einer Membrantechnologie von Ammoniak getrennt wurde. ⓘ

Hybride Wärmepumpen

Hybride Wärmepumpen (nicht zu verwechseln mit Luft-Wasser-Hybriden) umfassen auch einen Heizkessel, der mit Methan oder Wasserstoff betrieben werden kann und einen Weg zur vollständigen Dekarbonisierung der Heizung von Wohngebäuden darstellen könnte, da der Heizkessel bei sehr kaltem Wetter zum Auffüllen der Heizung verwendet würde. ⓘ

Bio-SNG

Ab 2019 ist die Produktion von Synthesegas aus Wasserstoff und Kohlendioxid aus Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) über die Sabatier-Reaktion zwar technisch möglich, aber durch die Menge an verfügbarer nachhaltiger Bioenergie begrenzt: Daher kann jegliches Bio-SNG für die Produktion von Biokraftstoff für die Luftfahrt reserviert werden. ⓘ

Die Ebenen einer Energiewirtschaft

Die Vorstellungen gehen von einer Durchsetzung des Wasserstoffes auf allen Ebenen der Energiewirtschaft aus:

1. Erschließung benötigter Primär-Energiequellen
2. Energieumwandlung
3. Energiespeicherung
4. Nutzung der Energie
5. Energiehandel und Verteilung
6. Vertrieb und Abrechnung
7. Gewährleistung der Versorgungssicherheit ⓘ

Herstellung von Wasserstoff

Bisher wird Wasserstoff fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern, primär aus Methan, hergestellt. Die weltweit produzierte Menge von Wasserstoff aus Erdgas und Schweröl betrug 1999 ca. 310 Mrd. m³ i.N. und ca. 9 Mrd. m³ i.N. in Deutschland. Erdgas und Schweröl sind fossile Primärenergieträger. Bei der Herstellung von Wasserstoff mittels dieser Stoffe wird Kohlenstoffdioxid mit hohen Treibhauspotenzial freigesetzt. Dies steht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft entgegen. ⓘ

Ein Teil des Wasserstoffs entsteht auch als Nebenprodukt in der chemischen Industrie, z. B. bei der Benzinreformierung und der Ethylenproduktion. Er entsteht aber auch als Nebenprodukt bei der Chloralkali-Elektrolyse und der Herstellung von Kokereigas durch die Kohlevergasung. 1999 wurden durch die chemische Industrie weltweit 190 Mrd. m³ i.N. und in Deutschland 10 Mrd. m³ i.N. hergestellt. Meist wird der so entstandene Wasserstoff durch Verbrennung direkt vor Ort thermisch genutzt. ⓘ

Herstellung aus Elektrischer Energie (Elektrolyse)

Um eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu ermöglichen, muss der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Hier kommen v. a. die Windenergie und die Solarenergie (Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke) in Frage, die sowohl weltweit als auch in Deutschland über viel größere Potentiale verfügen als die Biomasse. Es wird davon ausgegangen, dass Wind- und Solarenergie die Hauptlast in einem regenerativen Energiesystem decken werden, einige Studien verzichten sogar vollständig auf den Einsatz von Biomasse. All diese Konzepte sehen zumeist aber nur eine ergänzende Rolle des Wasserstoffs in einer strombasierten Wirtschaft vor, keine vollständige Wasserstoffwirtschaft im eigentlichen Sinne. ⓘ

In einer vollständig regenerativen Stromwirtschaft werden bei hohen Anteilen variabler Erzeuger wie Wind- und Solarstrom zusätzliche Langfristspeicher zum Ausgleich benötigt. Hierfür kommen vor allem chemische Speicher wie die Wasserstoffherstellung, ggf. in Verbindung mit nachgeschalteter Methanisierung, in Frage. Bei der Wasserstoffherstellung, -speicherung und anschließender Rückverstromung liegt der Wirkungsgrad derzeit (2013) bei maximal 43 %, bei der Methanisierung bei 39 %. Sterner et al. geben Wirkungsgradspannen zwischen 34 und 44 % für die Kette Wasserstofferzeugung, Speicherung und Rückverstromung an. Es wird davon ausgegangen, dass perspektivisch elektrische Gesamtwirkungsgrade bis maximal 49 bis 55 % erreicht werden. ⓘ

Dieses Verfahren wurde seit Oktober 2011 in einem Pilotprojekt bei Enertrag im brandenburgischen Prenzlau eingesetzt. Nicht benötigter Strom wurde mit einem 500 kW Druck-Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt und steht so für Wasserstofftankstellen zur Verfügung oder wird bei Bedarf in einem Hybridkraftwerk wieder verstromt. ⓘ

Greenpeace Energy lieferte seit Oktober 2011 ebenfalls Wasserstoff aus überschüssigem Windstrom, der in reiner Form oder umgewandelt zu Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird. ⓘ

Die Audi AG plante, ab 2013 im niedersächsischen Werlte Wasserstoff aus Windstrom zu erzeugen. Der erzeugte Wasserstoff sollte zunächst in CNG umgewandelt werden, um als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge zu dienen. Der erzeugte Wasserstoff kann aber auch direkt in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden. ⓘ

Gute Wirkungsgrade verspricht die Hochtemperaturelektrolyse, weil der Bedarf an elektrischer Energie mit steigender Temperatur sinkt. Die Hochtemperaturelektrolyse ist besonders bei solarthermischen Kraftwerken interessant. Das Verfahren befand sich 2011 im Entwicklungsstadium. ⓘ

Auch das Fraunhofer-Institut in Leuna erforscht Verfahren zur nachhaltigen und günstigen Herstellung von Wasserstoff. Den benötigten Strom dazu liefern erneuerbare Energiequellen. Die Pilotanlage zur Herstellung von grünem Wasserstoff soll 2019 in Betrieb gehen. ⓘ

Wasserstoff aus Bioenergie

Die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse ist weitgehend klimaneutral, weil der gewonnene Wasserstoff sowie der gewonnene Kohlenstoff der Atmosphäre/Biosphäre vorher durch die Photosynthese entzogen wurde. Allerdings müssen der Aufwand zur Erzeugung, z. B. Düngemittel, Pflanzenschutzmittel, Aufwand für Transport und Verarbeitung sowie Aufbereitung der Biomasse berücksichtigt werden. Die Klimaneutralität entspricht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft. ⓘ

Wasserstoff kann aus Biomasse durch Gärung oder thermochemisch, z. B. durch Dampfreformierung, hergestellt werden. ⓘ

Eine großtechnische Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse existiert nicht (Stand 2011). Die Verfahren befinden sich meist noch im Stadium der Entwicklung. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt „Blauer Turm“ in Herten. Die geplante Anlage sollte 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren, die Haupteigentümerin, die Firma Solar Millennium AG ging Ende 2011 in die Insolvenz. ⓘ

Potential und Flächenbedarf der Energiepflanzen

In Deutschland lag der Primärenergiebedarf im Jahr 2014 bei ca. 13.000 PJ. Nach den Energieszenarien der Bundesregierung kann die zur Erzeugung von Biomasse genutzte Fläche bis 2050 ca. 4 Mio. ha (2011: 1,8 Mio. ha) betragen, ohne in Nutzungskonkurrenzen mit der Nahrungsmittelerzeugung zu geraten. Das sind nur 24 % der heute landwirtschaftlich genutzten Flächen. Daraus wird ein Primärenergiepotential von 740 PJ (18,5 MJ/kg bei 10 t/ha) errechnet. ⓘ

Am Beispiel der Ertragswerte von Miscanthus (18,5 MJ/kg bei bis zu 20 t/ha) errechnet sich ein Primärenergiepotential von 1480 PJ/Jahr. Abhängig von den angenommenen Parametern kann der Wert stark schwanken. ⓘ

Allerdings steht die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse neben deren direkten energetischen Nutzung auch in Konkurrenz zur Biomasseverflüssigung. Die so gewonnenen Kraftstoffe haben als Energieträger eine höhere Energiedichte als Wasserstoff und sind einfacher handhabbar. ⓘ

Potential biogener Reststoffe

Biogene Reststoffe aus der Landwirtschaft, Landschaftspflegeholz, Waldrestholz und unbelastetes Industrierestholz können ebenfalls zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Das Potential biogener Reststoffe wird vom Bundesumweltministerium auf 900 PJ geschätzt. ⓘ

Energetische Nutzung des Wasserstoffs

Wichtigstes Element der Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Sie wandelt die im Wasserstoff enthaltene Energie in Wärme und Elektrizität um. ⓘ

Nutzung im Haus

Bei der häuslichen Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle kann wie bei der Blockheizkraftwerktechnik auch eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden, die den Gesamtwirkungsgrad steigert. Da bei dieser Betriebsweise die Wärmeproduktion im Vordergrund steht, werden diese Systeme nach dem Wärmebedarf gesteuert, wobei der erzeugte überschüssige elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird. ⓘ

Vaillant hat ein Brennstoffzellenheizgerät entwickelt, das über einen Reformer auch mit Erdgas betrieben werden kann. ⓘ

Der theoretisch erreichbare brennwertbezogene Wirkungsgrad liegt bei ca. 83 %. Bezieht man den Wirkungsgrad, wie bei Wärmekraftwerken und Verbrennungsmotoren üblich auf den Heizwert, ergibt sich ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von ca. 98 %. Die angegebenen Systemwirkungsgrade liegen je nach Brennstoffzellentyp zwischen 40 % und 65 %, wobei unklar ist, ob diese brennwert- oder heizwertbezogen sind. ⓘ

Verbrennungsmotor

Als brennbares Gas kann Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor („Wasserstoffverbrennungsmotor“), ähnlich wie bei Erdgas-betriebenen Kfz, verbrannt werden. Ein Beispiel dieser Anwendung war der BMW Hydrogen 7. BMW-Entwicklungsvorstand Klaus Draeger teilte jedoch Ende 2009 mit, es werde vorerst keine neue Wasserstofftestflotte geben. ⓘ

Effizienz der Energiekette

Begriffsdefinition

Zu unterscheiden sind Kosteneffizienz als Maß für den Geldertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Kosten. Je kosteneffizienter eine Technologie, desto höher ist ihre Wirtschaftlichkeit. Die Energieeffizienz ist ein Maß für den Energieertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Energie. Je energieeffizienter eine Technologie, desto höher ist ihr Wirkungsgrad. Die ökologische Effizienz ist ein Maß für Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit. Sie wird oft anhand des CO₂-Ausstoßes durch die Verbrennung berechnet, wenn zum Beispiel fossile Energieträger bei der Produktion eingesetzt werden. ⓘ

Kosteneffizienz geht nicht zwingend mit Energieeffizienz und ökologischer Effizienz einher. So hat z. B. ein Kohlekraftwerk bei der Erzeugung von Strom mit einem Wirkungsgrad von 30–40 % eine schlechte Energieeffizienz, kann aber bei einem niedrigen Kohlepreises sehr kosteneffizient und damit auch wirtschaftlich sein. ⓘ

Beispiel: Die Umwandlungskette well to tank ohne Rohrleitungsnetz:

Strom aus Windkraft → Stromtransport → Wasserstoff aus Dampfreformation → Wasserstoffverflüssigung → Transport im Tankwagen → umfüllen/lagern an der Tankstelle

ist vom technischen Wirkungsgrad her nicht besonders energieeffizient. 1 kg Wasserstoff kostete 2018 nur 9,50 Euro. Dies ist der Wasserstoffpreis, den der Kunde an der Tankstelle zu zahlen hat, also einschließlich der Investitionen für Aufbau und Betrieb der Wasserstofftankstelle, allerdings ohne Berücksichtigung der staatlichen Subventionierung und der höheren Kosten für die Anschaffung des Fahrzeuges. ⓘ

Mineralöl und Wasserstoff werden in Deutschland steuerlich unterschiedlich behandelt: Auf Wasserstoff wird keine Mineralöl- bzw. Energiesteuer erhoben. ⓘ

	Fahrzeug mit … ⓘ
	… Brennstoffzelle	… Traktionsbatterie	… Ottomotor
Fahrzeugtyp	Mercedes-B-Klasse, Brennstoffzellenfahrzeug	Mercedes-B-Klasse Electric Drive mit Traktionsbatterie	Mercedes-B-Klasse mit Ottomotor
Verbrauch pro 100 km	0,97 kg	16 kWh	7 l (ca. 5,3 kg)
Kraftstoffpreis	9,50 €/kg	0,30 €/kWh	1,45 €/l (Superbenzin)
Kosten für 100 km	9,21 €	4,80 €	10,15 €

Damit ist das Brennstoffzellenfahrzeug in Bezug auf den Treibstoffverbrauch trotz mäßiger Energieeffizienz im Betrieb wirtschaftlicher als das Fahrzeug mit Ottomotor, aber unwirtschaftlicher als der direkte Elektroantrieb mit Traktionsbatterie. ⓘ

Auch nach dem Hart report sind die Nutzenergiekosten bei Verwendung von konventionell durch Dampfreformierung erzeugtem, unbesteuertem Wasserstoff im Verhältnis zu Benzin durchaus wettbewerbsfähig. Die zu erwartende Besteuerung würde durch steigende Preise für Benzin ausgeglichen. Die angeführte Studie geht dabei von konstanten Preisen für die Wasserstoffherstellung aus. ⓘ

Wirkungsgrade in einer Wasserstoffwirtschaft

Bei der Ermittlung der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft muss die gesamte Umwandlungskette von der Herstellung des Wasserstoffs bis zu Erzeugung der Endenergie beim Verbraucher betrachtet werden. ⓘ

Die Einschätzung der Wirkungsgrade in den Quellen sind teilweise sehr unterschiedlich, weil sich viele Verfahren noch in der Entwicklung befinden und deren praktische Produktionserfahrungen fehlen. Eine großtechnische Anwendung findet derzeit nicht statt, sodass vor allem die Wirkungsgradangaben zur Wasserstoffgewinnung bisher meist auf der Berechnung mit fossilen Energieträgern beruhen. ⓘ

Die für die Wirkungsgrade angenommenen Werte wurden aus der Schwankungsbreite gemittelt und können in der Realität durchaus nach oben oder unten abweichen. Die errechneten Gesamtwirkungsgrade können daher nur Näherungswerte sein. ⓘ

Art	Angenommener Wirkungsgrad	Daten aus verschiedenen Quellen ⓘ
Wasserstoff thermochemisch aus Biomasse	0,75	Der Wirkungsgrad der thermochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse wird je nach Verfahren zwischen 69 % und 78 % angegeben.
Wasserstoff aus Elektrolyse	0,80	Der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse wird mit 70 bis 90 % angegeben. Die Erzeugung der elektrischen Energie hat zusätzlich ebenfalls einen Wirkungsgrad < 100 %, der den Gesamtwirkungsgrad bzgl. fossiler bzw. nuklearer Primärenergiequellen sowie der Biomasse weiter reduziert. Dies gilt bei der international dominierenden Wirkungsgradmethode für alle Energieträger, denen ein Heizwert zugeordnet werden kann. Hingegen wird bei erneuerbaren Energien, denen kein Heizwert zugeordnet werden kann (z. B. der Windenergie oder der Wasserkraft), in Bilanzen ein Wirkungsgrad von 100 % angesetzt, sodass hier Endenergie gleich Primärenergie ist.
Wasserstofftransport im Gasnetzwerk	0,99	< 1 % Verluste im Gasnetzwerk.
Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung	0,85	85 % Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert mit Reformer. Bei Heizanlagen kann der Wirkungsgrad auch auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffes bezogen werden, dabei können Wirkungsgrade über 100 % entstehen, weil die bei der Kondensation zurückgewonnene Verdampfungsenthalpie im Heizwert nicht enthalten ist.
Brennstoffzelle elektrisch	0,60	Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen wird zwischen 35 % und 90 % angegeben. Der elektrische Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle beträgt 60 %.
Lithium-Ionen-Akku	0,94	Lithium-Ionen-Akkus haben einen Wirkungsgrad von 90–98 %.
Elektromotor	0,95	Der Wirkungsgrad von Elektromotoren wird zwischen 94 % und 97 % angegeben. Traktionsmotoren haben generell sehr hohe Wirkungsgrade.
Wasserstoff Verdichtung auf 700 bar	0,88	Die Verluste bei der Verdichtung betragen ca. 12 %.

In einer Wasserstoffwirtschaft ergibt sich also für die Energiekette

Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung

ein Wirkungsgrad von 0,75 × 0,99 × 0,95 = 0,70. ⓘ

Für Brennstoffzellenfahrzeuge ergibt sich die Energiekette

Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Verdichtung auf 700 bar → Brennstoffzelle elektrisch → Elektromotor

mit einem Wirkungsgrad von 0,75 × 0,99 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,37. ⓘ

Zum Vergleich: Wirkungsgrade in der fossilen Energiewirtschaft

Art	Angenommener Wirkungsgrad	Daten aus verschiedenen Quellen ⓘ
Wasserstoff aus Erdgasreformation	0,75	Praxiswerte für großtechnische Reformation und Aufbereitung
Strom aus Kohlekraftwerken	0,38	38 % Wirkungsgrad im Mittel der deutschen Kohlekraftwerke. 2010 betrug der Anteil der Stein- und Braunkohlekraftwerke an der deutschen Stromerzeugung 43 %, bis 2019 war er auf 29,1 % gefallen, für 2020 ist mit wenig mehr als 20 % zu rechnen.
Stromtransport	0,92	8 % Verluste im Stromnetz
Transport und Aufbereitung Motorenbenzin	0,85	Die Erzeugung und Bereitstellung fossiler Kraftstoffe wie Benzin und Diesel aus Erdöl erfolgt bei Wirkungsgraden bis 85 %.
Ottomotor	0,24	Ottomotoren besitzen einen Wirkungsgrad von 10–37 %

Für Strom aus einem Kohlekraftwerk ergibt sich mit der Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 = 0,35. ⓘ

Für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit fossiler Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse ergibt sich für die Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport → Elektrolyse → Verdichtung → BSZ → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,14. ⓘ

Für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit fossiler Wasserstofferzeugung durch Erdgasreformation (derzeit Standard) ergibt sich mit der Energiekette

Dampfreformation → Verdichtung → BSZ → Akku → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,75 × 0,88 × 0,6 × 0,94 × 0,95 = 0,35. ⓘ

Für ein akkugetriebenes Elektrofahrzeug mit Aufladung durch reinen Kohle-Strom ergibt sich mit der Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport → Akku → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 × 0,94 × 0,95 = 0,31.

Der reale Strommix in Deutschland erhöht den Wirkungsgrad je nach Anteil der Stromerzeuger. ⓘ

Für ein Fahrzeug mit Ottomotor ergibt sich mit der Energiekette

Transport und Aufbereitung Motorenbenzin → Ottomotor ein Wirkungsgrad von 0,85 × 0,24 = 0,20. ⓘ

Der Vergleich zeigt, dass die Gesamtwirkungsgrade einer Wasserstoffwirtschaft durchaus über denen der etablierten fossilen Energiewirtschaft liegen können. ⓘ

Zum Vergleich: Wirkungsgrade bei Elektrofahrzeugen

Bei Aufladung mit Ökostrom aus Eigenerzeugung ergibt sich: Für batteriegetriebene Elektrofahrzeuge mit der Energiekette ⓘ

Photovoltaikanlage/Wechselrichter → Akku stationär → Akku im Fahrzeug → Elektromotor ⓘ

ein Wirkungsgrad von 0,9 × 0,94 × 0,94 × 0,95 = 0,75. ⓘ

Für Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle mit der Energiekette ⓘ

Photovoltaikanlage/Wechselrichter → Akku stationär → Elektrolyse → Verdichtung auf 700 bar → Brennstoffzelle → Elektromotor ⓘ

ein Wirkungsgrad von 0,9 × 0,94 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,34. ⓘ

Dabei bleibt unberücksichtigt, dass eine Eigenherstellung von Wasserstoff durch Photovoltaikgleichstrom vor Ort und Höchstkompression /Betankung für den privaten Eigenbedarf im Gegensatz zum Eigenverbrauch von Strom technisch nicht existent ist. Bei Transport des regenerativen Stromes über das Wechselstromnetz und dem notwendigen Transport des Wasserstoffes zu den Tankstellen und dessen Lagerung (zumeist als Flüssigwasserstoff) wird der Wirkungsgrad der Gesamtkette für Brennstoffzellenfahrzeuge mit 20 bis 25 % angegeben. ⓘ

Der Vergleich zeigt, dass batteriegetriebene Fahrzeuge den besseren Wirkungsgrad besitzen. Bei zusätzlichem Bedarf an Heizung/Kühlung wird Energie für die Wärme/Kälte-Erzeugung benötigt. Dies kann die Reichweite abhängig von Batteriegewicht und Temperatur um bis zu 50 % verringern. Auch bei Brennstoffzellen-Kfz entstehen wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Winterbetrieb deutlich höhere Verbräuche. Durch die höhere mitgeführte Energiemenge wirken sich diese Mehrverbräuche allerdings nicht so deutlich auf die Reichweite aus wie beim Elektroauto. ⓘ

Umwelt- und Klimaschutz

Die Nutzung von erneuerbaren Energien ist oft klimaneutral und emissionsfrei, so könnte grüner Wasserstoff mit Elektrolyse erzeugt werden. Zusätzlich können auch bei der Verbrennung von Wasserstoff oder bei der Nutzung des Wasserstoffs Luftschadstoffe entstehen, zum Beispiel Stickoxide bei magerer Verbrennung. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle entstehen allerdings überhaupt keine schädlichen Abgase, sondern lediglich Wasserdampf. Der Aufwand für Anbau, Gewinnung und Verarbeitung der Biomasse für Biowasserstoff muss bei einer ökologischen Betrachtung berücksichtigt werden, sowie der Wirkungsgrad der Anlage bezogen auf den (theoretisch) maximalen Wirkungsgrad des jeweiligen Prozesses. Die Nutzung der Biomasse kann den Treibhauseffekt zusätzlich reduzieren: Entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff CO₂ wie beim blauen Wasserstoff in konzentrierter Form, so kann dies im Untergrund gespeichert werden. ⓘ

2003 befürchteten Wissenschaftler des California Institute of Technology in Pasadena aufgrund von Simulationen, dass eine umfassende Wasserstoffwirtschaft rund 100 Millionen Tonnen Wasserstoff in die Atmosphäre freisetzen und damit die Ozonschicht schädigen könnte. ⓘ

Nach neueren wissenschaftlichen Untersuchungen des Forschungszentrums Jülich im Jahr 2010 wird dieser Effekt bei realistischen Annahmen aber verschwindend gering sein. Der positive Effekt durch Verzicht auf fossile Energieträger überwiegt. Ursprünglich wurde davon ausgegangen, dass ca. 20 % des Wasserstoffes in die Atmosphäre entweicht. Aufgrund der technologischen Entwicklung geht man aber heute davon aus, dass weniger als 2 % entweichen. Hinzu kommt, dass der Wasserstoff seine volle Ozon schädigende Wirkung nur im Beisein von FCKW entfaltet. Mit dem Rückgang des FCKW in den nächsten Jahren wird der Wiederaufbau der Ozonschicht überwiegen. ⓘ

Unfallrisiko in einer Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff ist, wie z. B. Benzin oder Erdgas, hochentzündlich. Bei technischen Anlagen müssen die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoffs berücksichtigt werden. Die chemische Industrie nutzt Wasserstoff seit über hundert Jahren in großen Mengen, sodass hinreichende Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff bestehen. ⓘ

Wasserstoff ist wegen der geringen Dichte ein sehr flüchtiges Gas. Im Freien verflüchtigt es sich sehr schnell in höhere Luftschichten. Nur Sauerstoff/Wasserstoff-Gemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar, sodass bis zur Unterschreitung der 4-Volumenprozent-Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Allerdings tritt dies nur z. B. bei chemischen Prozessen, bei denen Wasserstoff entsteht oder eine solche Mischung genutzt wird und nicht versehentlich bei der Lagerung oder Verwendung von reinem Wasserstoff, auf und ist bei entsprechender sicherheitstechnischer Berücksichtigung kein Problem. ⓘ

Die heute verwendeten Drucktanks halten (im Gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus. Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt. ⓘ

Im Gegensatz dazu dürfen Fahrzeuge mit Flüssigwasserstoff nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden, da sich durch das Ausgasen explosive Gasansammlungen bilden können. ⓘ

Kritik

Eine Wasserstoffwirtschaft ist zurzeit nirgends im großen Stil verwirklicht und die Umsetzbarkeit ist umstritten. Folgende Aussagen werden angezweifelt: Die Wasserstoffwirtschaft wird als Alternative zur Stromwirtschaft dargestellt. Die Befürworter einer Wasserstoffwirtschaft heben die angebliche bessere Speicherbarkeit von Wasserstoff gegenüber derjenigen von Strom hervor. Wasserstoff besitze die Eigenschaft einer guten Kurzzeitspeicherung in Form von tolerierbaren Druckschwankungen in einem Pipeline-Verteilungsnetz (die Pipeline selbst ist der Speicher), sowie der Langzeitspeicherungsfähigkeit in Kavernen (so wie zurzeit Erdgas gespeichert wird). Benötigte elektrische Energie könne aus Wasserstoff vor Ort mit Hilfe von Brennstoffzellen mit einem Wirkungsgrad erzeugt werden, der deutlich den der deutschen Kraftwerke überträfe: Allerdings betrachten die angeführten Quellen zur Energieeffizienz der Brennstoffzellen lediglich die Umwandlung von Erdgas beziehungsweise Wasserstoff in Strom, berücksichtigen jedoch die Energieverluste nicht, die bei der Herstellung, Speicherung und Verteilung des benötigten Wasserstoffs anfallen. Auch wird der geringe volumenbezogene Energiegehalt selten berücksichtigt: „Ein 40-Tonner kann gerade mal 350 Kilogramm gasförmigen Wasserstoff transportieren“, sagt Bossel, „und auch flüssiger Wasserstoff ist leicht wie Styropor.“ ⓘ