Wasserstoff in der Industrie: Vor- und Nachteile bei Energiegewinnung und -speicherung

Wasserstofftanks

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Die Energiewende in der Industrie gilt insbesondere vor dem Hintergrund des Klimaschutzes als eines der wichtigsten Themen unserer Zeit. Dabei geht es vor allem darum, industrielle Prozesse, die bislang durch fossile Rohstoffe wie Erdgas oder Kohle betrieben wurden, zu dekarbonisieren. In Bezug auf die erfolgreiche Emissionsminderung ruhen dabei große Hoffnungen auf grünem Wasserstoff– vor allem in Bereichen, in denen eine direkte Elektrifizierung nicht möglich ist. Doch wo ist der Einsatz von grünem Wasserstoff in der Industrie wirklich sinnvoll – und darüber hinaus zeitnah auch im großen Maßstab möglich? Und welche Alternativen gibt es?

Wasserstoff­anwendung in der Industrie

„Grüner Wasserstoff ist das Erdöl von morgen“ – so heißt es vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Im Rahmen der Energiewende verfolgt Deutschland eine klare Linie. Das Ziel ist es, mithilfe von grünem Wasserstoff – also Wasserstoff, der klimaneutral mithilfe von erneuerbarem Strom hergestellt wird – die Abhängigkeit vieler industrieller Prozesse von fossilen Energieträgern wie Erdgas, Kohle oder Erdöl zu minimieren und, wo immer möglich, vollständig zu beenden – ganz im Sinne der für den Klimaschutz so dringend notwendigen Dekarbonisierung. Dazu wurde im Sommer 2020 die sogenannte „Nationale Wasserstoffstrategie“ vorgestellt. Mithilfe der Strategie will Deutschland zeigen, wie durch grünen Wasserstoff in der Industrie, im Verkehr und im Energiesystem die Wettbewerbsfähigkeit erhalten werden kann. Gleichzeitig stehen die Erreichung der Klimaschutzziele sowie die Erschließung neuer Märkte im Vordergrund.

Wasserstoff-Herstellung mit Erdgas

Obgleich Wasserstoff per se ein farbloses Gas ist, unterscheidet man aufgrund der unterschiedlichen Erzeugungsarten zwischen grünem, blauen, grauen und türkisen Wasserstoff. Grüner Wasserstoff ist Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt wird. Dieser Prozess verwendet Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solaranlagen. Grüner Wasserstoff gilt damit als „sauberster Wasserstoff“ und steht entsprechend im Fokus der industriellen Energiewende. Im Gegensatz dazu wird grauer Wasserstoff mithilfe von Dampfreformierung meist aus fossilem Erdgas hergestellt. Da hierbei CO2 in die Atmosphäre abgegeben wird und für den Herstellungsprozess Erdgas benötigt wird, steht er im Hinblick auf den Klimaschutz hinter grünem Wasserstoff zurück. Ähnlich verhält es sich mit blauem Wasserstoff, allerdings mit dem Unterschied, dass hier das in der Herstellung freigesetzte CO2 zum Teil abgeschieden und im Erdboden gespeichert wird. Türkiser Wasserstoff wird über die thermische Spaltung von Methan hergestellt. Hier befinden sich die Verfahren noch weitestgehend in der Entwicklung.

Grüner Wasserstoff als Ersatz für fossile Brennstoffe

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsselrohstoff im Rahmen der Energiewende. Dabei fungiert er sowohl als Treibstoff in der Brennstoffzelle und als Rohstoff für die Industrie – und gleichzeitig besteht auch die Möglichkeit, mit ihm Energie speichern und transportieren zu können. So soll die Energieversorgung der Zukunft deutlich flexibler werden. In der Stahlindustrie kann grüner Wasserstoff zum Beispiel Kohle als Reduktionsmittel ersetzen und so einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. In der Chemieindustrie hingegen braucht es Wasserstoff, um etwa Erdöl als Rohstoff zu ersetzen. Weiterhin kann grüner Wasserstoff Brennöfen der Industrie beheizen – zum Beispiel in der Glas-, Zement- und Stahlindustrie. Auch für die Nutzung von Abgasen und deren Umwandlung in Dünger-, Kunst- und Kraftstoff-Vorläufer ist grüner Wasserstoff relevant.

Dekarbonisierung mit Wasserstoff bei nicht elektrifizierbaren Prozessen

Nach Angaben des Nationalen Wasserstoffrates finden sich die wichtigsten industriellen Einsatzbereiche von grünem Wasserstoff aktuell in der Stahl- und die Chemieindustrie, da viele Prozesse hier bis dato noch nicht oder nur sehr schwierig elektrifizierbar sind. Die benötigten Strommengen wären schlicht zu teuer oder in der notwendigen Dimension nicht verfügbar. Dennoch weisen Experten immer wieder darauf hin, dass der Einsatz von grünem Wasserstoff auf diese Bereiche begrenzt bleiben muss, da der Energieträger in naher Zukunft noch nicht flächendeckend und kostengünstig zur Verfügung stehen wird.

Grüner Wasserstoff: Vor- und Nachteile

Grüner Wasserstoff ist aufgrund seiner Emissionsfreiheit und seiner vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ein großer Hoffnungsträger in der Industrie. Neben den Vorteilen gibt es allerdings auch zentrale Herausforderungen, die einer weiten Verbreitung bisher im Weg stehen.

Nutzungsmöglichkeit von grünem Wasserstoff als Stromspeicher

Wasserstoff ist nicht nur Energiequelle und Rohstoff, sondern auch eine Speichermöglichkeit für erneuerbare Energien. Ist grüner Strom im Überschuss vorhanden, kann dieser zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden, der dann gespeichert werden kann, um daraus bei Bedarf wieder Strom und Wärme zu machen.

 

In diesem Zusammenhang kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Am verbreitetsten sind die sogenannten Druckgasspeicher, die Wasserstoff als Gas unter sehr hohem Druck in Tanks pressen sowie Flüssig-Wasserstoffspeicher. Letztere speichern den unter großem Energieaufwand auf -253°C abgekühlten Wasserstoff als tiefkalte Flüssigkeit.

Die Probleme beim Einsatz von grünem Wasserstoff in der Industrie

Neben seinen vielen Vorteilen ist der Einsatz von grünem Wasserstoff als Stromspeicher in der Industrie nicht ganz unproblematisch. Fakt ist: In Deutschland steht die Produktion von grünem Wasserstoff noch relativ weit am Anfang. So wurden hierzulande im vergangenen Jahr insgesamt 54 Power-to-Gas-Projekte gezählt. (Quelle: Statista Research). Nachteilig sind bei grünem Wasserstoff primär die vergleichsweise hohen Kosten der Erzeugung und Beschaffung zu nennen. Denn grüner Wasserstoff ist hier teurer als die fossil-basierten grauen und blauen Wasserstoffe und gerade für Industriebetriebe schwer skalierbar.

 

Während öffentlich zugänglicher grüner Wasserstoff noch nicht in ausreichender Menge für den industriellen Großeinsatz verfügbar ist, setzen betriebseigene Produktionsstätten von grünem Wasserstoff – sogenannte „Power-to-Gas-Anlagen“ – hohe Investitionskosten seitens der industriellen Betriebe voraus. Eine weitere Herausforderung, die den Einsatz von grünem Wasserstoff als Stromspeicher in der Industrie erschwert, ist der vergleichsweise niedrige Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse – also der Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels elektrischen Stroms. Dieser liegt aktuell bei ungefähr 70 Prozent. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass etwa 30 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie, insbesondere in Form von Wärme, verloren gehen. Speicherung, Transport, Nutzung sowie eine eventuelle Rückverstromung verschlechtern den Wirkungsgrad weiter. Deshalb gilt: Wo immer es möglich ist, sollte Strom aus erneuerbaren Energien direkt genutzt werden.

Thermische Energiespeicher: Diese Vorteile haben sie gegenüber grünem Wasserstoff

Klar ist: Grüner Wasserstoff wird laut aktuellem Stand auch in absehbarer Zukunft noch nicht flächendeckend zur Verfügung stehen. Er bleibt damit bis auf Weiteres zu kostbar, um ihn als Grundlast zu verbrennen. Sein Einsatz sollte daher auf die Bereiche beschränkt werden, in denen eine direkte Elektrifizierung nicht möglich ist.

 

Thermische Energiespeicherlösungen wie die ThermalBattery™ von ENERGYNEST bieten Unternehmen hier eine kostengünstige und zuverlässige Alternative, erneuerbare Energien zu speichern und für die Elektrifizierung industrieller Prozesse zu nutzen – und das mit einem deutlich besseren Wirkungsgrad als Wasserstoff. Energie wird – mit minimalen Verlusten – in Form von Wärme gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben. In Verbindung mit elektrischen Heizkesseln kann so Energie aus erneuerbaren Quellen genutzt werden, um die für die industriellen Prozesse benötigte Wärme zur Verfügung zu stellen. Der Wirkungsgrad der ThermalBattery™ liegt bei dieser Umwandlung von Strom in Wärme bei 98 Prozent – der von grünem Wasserstoff bestenfalls bei lediglich 50.

 

Auch wichtig: Die Technologie thermischer Energiespeicher, wie sie etwa in der ThermalBatteryTM zum Einsatz kommt, hat längst Marktreife erlangt. Die schnelle Verfügbarkeit verschafft ihnen gerade im industriellen Einsatz bei der Elektrifizierung der Prozesse einen Vorsprung gegenüber Wasserstofflösungen, wo viele Anwendungen noch in der wissenschaftlichen Erprobung sind. Ein weiterer Pluspunkt: Die thermischen Energiespeicher lassen sich unkompliziert und kosteneffizient in viele industrielle Prozesse integrieren. Studien zufolge ist die Amortisierung zur Senkung des CO2-Ausstoßes dazu bemerkenswert schnell. All das macht thermische Speicher für die Industrie zu einer attraktiven, gut skalierbaren Elektrifizierungslösung. 

An ENERGYNEST interessiert oder Fragen zu unseren thermischen Energiespeicherlösungen oder zu unseren Anwendungen für Ihre Branche?

 

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Der Umstieg auf erneuerbare Energien bietet Unternehmen nicht nur zahlreiche Vorteile, die Umstellung birgt auch einige Herausforderungen. Eine umfassende und vorausschauende Planung ist daher entscheidend.

Die Nutzung von erneuerbarer Energie für Power-to-Steam macht die industrielle Dampferzeugung grüner und nachhaltiger. Unternehmen können durch diesen innovativen Ansatz ihre CO2-Emissionen reduzieren und gleichzeitig ihre Betriebskosten senken.

Mit der ISO-Zertifizierung für das eigene Qualitätsmanagementsystem strebt ENERGYNEST weiterhin danach, höchste Standards einzuhalten und die internen Prozesse kontinuierlich zu verbessern.