Wasserstoff

Wasserstoff ist das leichteste Element im Universum und unter Normalbedingungen auf der Erde ein farbloses, geruchloses und brennbares Gas. Es ist damit als Energieträger geeignet; bei der Verbrennung entsteht reiner Wasserdampf, somit ist die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff weitgehend klimaneutral. Daher gibt es Bestrebungen, Wasserstoff als ein Element einer künftigen klimaneutralen Energieinfrastruktur zu etablieren; dies stößt jedoch auch an Grenzen.

Zur kommunalen Bedeutung des Wasserstoffs und zum Beitrag der Kommunen für die Entstehung einer Wasserstoffwirtschaft siehe den Artikel Wasserstoff in Kommunen.

Erzeugung

Wasserstoff kommt natürlicherweise auf der Erde kaum in ungebundener Form vor. Es ist jedoch der Hauptbestandteil von Wasser und damit grundsätzlich in riesigen Mengen verfügbar; für die Aufspaltung von Wasser in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff ist jedoch Energie erforderlich. Diese Aufspaltung geschieht meist durch elektrischen Strom, dieses Verfahren wird Elektrolyse genannt. Der Strom wird aus anderen Energiequellen - klimaneutral z.B. aus Solarzellen, Windkraftwerken oder Biomasse - erzeugt, ein Vorgang, der immer mit Verlusten behaftet ist. Auch bei den nächsten Schritten, dem Transport des Stroms über Leitungen und der Erzeugung von Wasserstoff auf elektrischem Wege gibt es Verluste, so dass diese in der Summe an dieser Stelle schon recht hoch sein können. Schließlich wird auch bei der Nutzung von Wasserstoff als Brenn- oder Treibstoff die in ihm steckende Energie nicht vollständig genutzt. Es muss also sorgfältig abgewogen werden, an welchen Stellen der Einsatz von Wasserstoff im Vergleich zu Alternativen energetisch sinnvoll ist.

Farbenlehre

Wird Wasserstoff, wie beschrieben, durch Elektrolyse erzeugt und stammt der dafür verbrauchte Strom aus erneuerbaren Quellen, so wird das Produkt als "grüner Wasserstoff" bezeichnet. Nur grüner Wasserstoff ist uneingeschränkt klimaneutral und umweltfreundlich.

Wird er hingegen aus fossilen Brennstoffen erzeugt - sei es chemisch durch Dampfreformierung, sei es elektrisch mit fossil erzeugtem Strom -, so wird der erzeugte Wasserstoff "grau" genannt; bei seiner Herstellung wird CO₂ freigesetzt. Derzeit wird etwa 70% des weltweit erzeugten Wasserstoffs auf diese Weise hergestellt (Stand: 2022). Es gibt Bestrebungen, auch diese Herstellungsweise klimaneutral zu machen, indem das erzeugte CO₂ unterirdisch gespeichert wird - dieser Wasserstoff wird "blau" genannt. Dabei kann allerdings sowohl ein Teil des CO₂ als auch das besonders klimaschädliche Methan entweichen; zudem benötigt das Verpressen im Untergrund zusätzliche Energie, so dass der gesamte Wirkungsgrad noch schlechter wird.

Ebenfalls umstritten ist "türkiser" Wasserstoff, der durch Methanpyrolyse entsteht; der dabei anfallende Kohlenstoff liegt in fester Form vor und kann damit leichter im Boden gespeichert werden. Doch auch hierbei wird immer etwas Methan freigesetzt.

Wird bei der Elektrolyse ein Mix aus erneuerbar und fossil erzeugtem Strom eingesetzt, so wird der erzeugte Wasserstoff als "gelb" bezeichnet. In diese Kategorie fällt auch Wasserstoff, der mit Strom aus Müllverbrennungsanlagen erzeugt und oft als "grün" deklariert wird. Bleibt noch die Verwendung von Atomstrom als Möglichkeit; dieser gilt als klimaneutral (solange Bau und Rückbau der Atomkraftwerke und die Gewinnung des Brennstoffs bei der Betrachtung außen vor bleiben), doch fällt radioaktiver Abfall an.

Last but not least gibt es auch natürlich vorkommenden, als "weiß" bezeichneten Wasserstoff. Unter welchen geologischen Bedingungen dieser entsteht und wo es nach ihm zu suchen lohnt, ist noch weitgehend unklar, damit ist auch unbekannt, wieviel davon tatsächlich in natürlichen Lagerstätten vorhanden und förderbar ist. Einzelne Vorkommen sind bekannt. Wieviel weißer Wasserstoff tatsächlich umweltfreundlich gefördert werden kann, ist umstritten, zumal bei einigen Vorkommen möglicherweise Fracking zur Förderung eingesetzt werden müsste.

Nutzung sonst brachliegender Kapazitäten

Wind- und Solarenergie haben den Nachteil, dass sie je nach Wetterlage sehr unterschiedlich zur Verfügung stehen. In Spitzenzeiten von Sonne oder Wind müssen die entsprechenden Anlagen teilweise abgeregelt werden, so dass erneuerbare Kapazitäten brach liegen. Hier könnte die Erzeugung von Wasserstoff mit dem überschüssigen Strom eine Alternative sein, bei der zwar Verluste entstehen, doch immerhin ein guter Teil der Sonnen- oder Windenergie genutzt wird. Derzeit gilt nur diese Art der Produktion als wirtschaftlich, da überschüssiger Strom sehr günstig ist; die Herstellung mit grünem Strom zu Normalpreisen gilt derzeit als zu teuer. Nachteil bei der ausschließlichen Nutzung von ansonsten ungenutztem Strom ist, dass die Anlagen nur zeitweilig laufen und damit die Kapitalkosten stärker zu Buche schlagen. Diese Option steht außerdem in Konkurrenz zu anderen Speichertechnologien und könnte auf Dauer teilweise wieder wegfallen, wenn ein besserer Netzausbau und eine stärkere Steuerung des Verbrauchs je nach Menge des verfügbaren Stroms gelingt.

Die Erzeugung von Wasserstoff direkt am Ort der Energieerzeugungsanlagen wird z.B. im Projekt H₂Mare für Offshore-Windenergieanlagen untersucht. Dabei wird auch geprüft, ob ebenfalls auf hoher See Folgeprodukte wie Methanol oder Ammoniak hergestellt werden können. Die Produktion direkt im Windpark hat zwei Vorteile: Leitungsverluste durch den Transport des Stroms werden vermieden, und Flächen für die benötigten Anlagen sind hier leichter verfügbar als an Land. Doch müssen die Anlagen den rauen Umgebungsbedingungen standhalten, und die Elektrolyse muss auch mit salzhaltigem Meerwasser funktionieren. Schließlich muss das erzeugte Gas abtransportiert werden, vorzugsweise über (noch zu bauende) Pipelines.

Auch bei Solar- und Windparks an Land wird über die Herstellung von grünen Wasserstoff vor Ort nachgedacht, um die Kapazitäten dieser Anlagen bestmöglich zu nutzen. Nahezu alle großen Energieunternehmen und auch einige lokale oder regionale Genossenschaften planen entsprechende Projekte oder loten zumindest die Realisierbarkeit aus. Jedoch stoßen sie dabei noch auf große Schwierigkeiten, da häufig eine Infrastruktur zum Abtransport des Wasserstoffs oder Abnehmer vor Ort fehlen. Dies könnte sich in den kommenden Jahren schrittweise ändern.

Es bleibt jedoch festzuhalten, dass nach Einschätzung der Bundesregierung im Jahr 2030 höchstens 30-50% des in Deutschland benötigten grünen Wasserstoffs im eigenen Land produziert werden können, danach bei weiter steigendem Verbrauch ein noch geringerer Anteil. Eine zentrale Rolle für die Versorgung mit Wasserstoff spielt daher noch auf Jahrzehnte der Import - siehe dazu weiter unten.

Transport und Speicherung

Tauglichkeit der Gasnetze

In Deutschland liegen heute Gasleitungen mit einer Gesamtlänge von mehr als 550.000 km im Boden, die überwiegend für den Transport von Erdgas, teilweise auch von Biogas genutzt werden. Soll über diese Leitungen Wasserstoff - rein oder als Beimischung - transportiert werden, muss zunächst die Tauglichkeit des Netzes untersucht werden. Denn Wasserstoff ist das kleinste vorkommende Molekül; Dichtungen lassen Wasserstoff etwa dreimal leichter entweichen als Erd- oder Biogas. Auch die chemischen Eigenschaften und die Druckverhältnisse sind bei Wasserstoff andere als bei Erdgas. Eine Studie im Auftrag des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) kommt zu dem Ergebnis, dass die für die Leitungen verwendeten Materialien für den Transport von Wasserstoff taugen. Allerdings müssten laut dem DVGW einzelne Komponenten des Gasnetzes ertüchtigt bzw. ausgetauscht werden. Die Kosten dafür beziffert er auf deutschlandweit ca. 30 Mrd. €, eine nicht geringe Investitionssumme. Unter den Endgeräten (z. B. Heizungen, Herde ...) ist ein Teil wasserstofftauglich, ein Teil lässt sich leicht dafür umrüsten. Allerdings ist das Ersetzen von Erd- oder Biogas durch Wasserstoff in vielen Fällen energetisch nicht sinnvoll - siehe hierzu weiter unten.

Transport in Form von Ammoniak

Für den Transport von Wasserstoff über weitere Strecken, z.B. mit der Bahn, auf Schiffen oder durch Pipelines, wird dieser zumeist unter Verwendung von Stickstoff aus der Luft in Ammoniak umgewandelt. Das hat mehrere Vorteile: Der Siedepunkt von Ammoniak liegt wesentlich höher (-33 °C) als der von Wasserstoff (-253 °C), somit lässt sich Ammoniak leichter in eine flüssige, transportfähige Form bringen. Zudem hat flüssiges Ammoniak eine deutlich höhere Dichte, d.h. pro Kubikmeter kann wesentlich mehr Wasserstoff und damit Energie transportiert werden als mit verflüssigtem Wasserstoff. Beide Prozesse - die Herstellung des Ammoniaks und die Aufspaltung am Bestimmungsort, um wieder reinen Wasserstoff zu erhalten - benötigen Energie, doch ist die Gesamtbilanz wegen der beschriebenen Vorteile beim Transport für das Ammoniak deutlich günstiger. Dies gilt natürlich erst recht, wenn es gelingt, die in die Prozesse eingespeiste Energie in Form von nutzbarer Abwärme teilweise zurückzugewinnen. Für viele Einsatzzwecke, z.B. für Schiffsantriebe, kann auch das Ammoniak direkt verwendet werden, die Rückumwandlung ist oft nicht notwendig (siehe hierzu weiter unten).

Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass es für die Herstellung und den Transport von Ammoniak bereits heute eine weltweite Infrastruktur und entsprechende Erfahrungen gibt. Ammoniak wird vielfach verwendet, beispielsweise als Grundstoff in der chemischen Industrie und als Düngemittel (was allerdings zur Anreicherung von gebundenem Stickstoff im Boden und damit auch im Grundwasser beiträgt). Wenn die Herstellung von Ammoniak künftig auf regenerative Energiequellen umgestellt wird, kann dies immerhin positive Wirkungen auf den Klimawandel haben.

In einer vom Umweltbundesamt veröffentlichten Studie werden diese Vorteile vor allem für den Transport über weite Strecken gesehen, aber auch mögliche Umweltrisiken benannt, die weiter erforscht und durch entsprechende Gegenmaßnahmen (z.B. Vermeidung von Leckagen) gemindert werden müssen.

Mögliche Verwendung von Wasserstoff

Gebäudesektor

Die Tauglichkeit von Wasserstoff für die Gebäudeheizung wurde von einem Team von Autor:innen für das Norddeutsche Reallabor untersucht. Ergebnis: Um den Wasserstoff für die Beheizung eines Gebäudes durch Elektrolyse zu erzeugen, ist ca. sechsmal so viel Strom notwendig wie für die Bereitstellung derselben Wärmemenge durch Wärmepumpen. Das liegt nicht nur an den Verlusten bei der Elektrolyse; Hauptgrund ist, dass eine Wärmepumpe die Wärme überwiegend aus der Umgebungsluft oder dem Boden bezieht, der Strom also nur einen kleinen Beitrag zur Wärmeerzeugung leistet. Dementsprechend warnen Umweltverbände in einem Offenen Brief an alle Bürgermeister:innen Deutschlands vor dem Einsatz von Wasserstoff in der kommunalen Wärmeplanung und zitieren die Energieexpertin des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung Prof. Dr. Claudia Kemfert: „Heizen mit Wasserstoff ist wie Duschen mit Champagner“. Wasserstoff sei allenfalls zur Abdeckung von Spitzenlasten in kommunalen Wärmenetzen einsetzbar. Neben den Kosten argumentiert der Offene Brief auch mit der Infrastruktur: Sollte Wasserstoff ein zentrales Element der kommunalen Wärmeplanung sein, so verlängere dies die Laufzeit von Verbrennungsanlagen, die heute mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, in der Hoffnung auf eine spätere Umstellung, die letztlich aus Kostengründen nicht kommen wird. Eine solche Planung würden den notwendigen technischen Wandel verzögern und damit den Klimawandel verstärken. Als klimafreundliche Alternative für die Gebäudeheizung bietet sich in vielen Fällen natürlich auch die Solarthermie an.

Dies Argument gilt grundsätzlich auch bei anderen Anwendungen im Haushalt wie Warmwasserbereitung oder Kochen mit Gasherden. Auch hier ist die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom effizienter als seine Umwandlung in Wasserstoff und dessen Verbrennung, wenn auch der Unterschied bei weitem kleiner ist als beim Vergleich mit der Wärmepumpe für die Heizung. Zudem müsste, wie oben dargestellt, die vorhandene Infrastruktur für Speicherung und Transport von Gas überprüft und teilweise erneuert werden. Für Nischenanwendungen wie z.B. Camping oder nicht an das Gasnetz angeschlossene Hütten könnte allerdings Wasserstoff zukünftig die heute üblichen Butanflaschen ersetzen, doch auch das dürfte wegen der höheren Drücke und der anspruchsvolleren Dichtung technische Umrüstungen erfordern.

Verkehrssektor

Bei der Mobilität wird mit Wasserstoff als Antrieb experimentiert, doch sind heute nur wenige Anwendungen breit verfügbar.

PKWs

Wasserstoffgetriebene PKWs werden überwiegend als Prototypen oder Kleinserie zum Erproben hergestellt. Dabei kann der Treibstoff auf zwei unterschiedliche Weisen genutzt werden: Zum einen können herkömmliche Verbrennermotoren mit wenig Aufwand für die Nutzung von Wasserstoff statt Benzin oder Diesel umgerüstet werden. Eine andere Lösung sind Fahrzeuge mit einem Elektromotor, der seinen Strom statt aus einer Batterie aus einer Brennstoffzelle bezieht, die Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbindet ("rekombiniert") und dabei Strom erzeugt - sozusagen die Umkehrung der Elektrolyse.

Beide Varianten haben unterschiedliche Vor- und Nachteile: Der Verbrennermotor ist robuster gegenüber Erschütterungen und Verunreinigungen des Kraftstoffs; er scheint deshalb für raue Einsatzfelder wie Baumaschinen, Landwirtschaft oder Militär die bessere Wahl zu sein. Allerdings ist beim Brennstoffzellen-Antrieb die Effizienz größer: Für dieselbe Fahrleistung wird rund 25% weniger Treibstoff benötigt als bei einem Verbrennermotor. Daher zeichnet sich ab, dass der von einer Brennstoffzelle getriebene Elektromotor für Anwendungen wie PKWs, Busse oder den Schienenverkehr eher geeignet ist; er ist außerdem leichter herzustellen und wartungsärmer als ein Verbrennermotor. Die Anforderungen an einen hochreinen Treibstoff lassen sich hier ebenso erfüllen wie ein verhältnismäßig erschütterungsarmer Betrieb. Allerdings ist der Gesamtwirkungsgrad immer noch deutlich geringer als bei batteriegetriebenen Fahrzeugen. Als Vorteil könnte dagegen ins Gewicht fallen, dass das System aus Drucktank und Brennstoffzelle leichter ist als heutige Batterien und zugleich eine höhere Reichweite erzielt. Im Übrigen fällt ein großer Anteil der Verluste bei der Umwandlung als Abwärme der Brennstoffzelle an, die zumindest im Winter für die Fahrzeugheizung genutzt werden kann. Dennoch hat momentan bei PKWs der Batterieantrieb die Nase vorn, schon wegen der heute und in absehbarer Zeit geringen Verfügbarkeit von (preislich konkurrenzfähigem) grünen Wasserstoff.

Gemeinsam ist allen wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen, dass sie einen Drucktank benötigen, der mit bis zu 700 bar betankt wird. Dabei wird eine höhere Energiedichte erreicht als mit flüssigen Kraftstoffen; mit einem kg Wasserstoff (ca. 1,5 l Volumen bei 700 bar) kommt ein PKW rund 100 km weit (ein heutiger Benziner benötigt dafür mindestens 3 kg Treibstoff mit ca. 4 l Volumen). Das Tanken ist etwas anspruchsvoller als bei Benzin- oder Dieselautos, dauert allerdings nur wenig Minuten - ein Vorteil gegenüber dem Laden von Batterien, das mindestens 20-30 Minuten benötigt. Anders als vielfach befürchtet ist ein Wasserstofftank vergleichsweise sicher: Sollte er bei einem Unfall leck schlagen, entweicht der Treibstoff in kürzester Zeit als Gas; er löst höchstens eine kurze Stichflamme aus, setzt aber praktisch nie das gesamte Fahrzeug in Brand; flüssige Treibstoffe sind in dieser Hinsicht weitaus gefährlicher.

Wasserstoff-PKWs sind ein kleiner Nischenmarkt: Im Jahr 2022 wurden weltweit ca. 20.700 Fahrzeuge neu zugelassen, seitdem ist diese Zahl wieder rückläufig. Als Gründe werden schwankende Wasserstoffpreise, steigende Kosten für das Tanken und der Mangel an Infrastruktur genannt.

• Siehe ausführlich zum Einsatz von Wasserstoff als PKW-Antrieb: Josef Reitberger (efahrer.com): So stehen die Chancen für den grünen Sprit: Wasserstoff im Tank, 07.02.2023

Noch schwieriger scheint die Verwendung von Wasserstoff für Motorräder zu sein. Laut dem Fachmagazin speedweek zeigen Patentzeichnungen, die die Firma Kawasaki veröffentlicht hat, dass dies derzeit nicht praktikabel ist: Die Drucktanks für den Wasserstoff, der einen Verbrennungsmotor antreibt, haben ein solches Volumen, dass weder Beifahrer:in noch Gepäck Platz haben.

Fahrräder

Seit Anfang 2024 ist in Deutschland auch ein mit Wasserstoff betriebenes Fahrrad erhältlich, genauer: Ein E-Bike, dessen Strom durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Um das Problem der Verfügbarkeit von Wasserstoff zu lösen, liefert der Hersteller auf Wunsch eine "Home Wasserstoff Erzeugungsstation" gleich mit, die als Ausgangsstoff gereinigtes Wasser benötigt. Mit der Wasserstoffmenge, die mit 1,3 kWh Strom hergestellt werden kann (bei heutigen Strompreisen für ca. 40 cent), ist nach Herstellerangaben eine Reichweite von ca. 60 km erreichbar. Ein handelsübliches E-Bike bietet mit etwa 40% dieser elektrischen Energie die doppelte Reichweite - ein ähnliches Verhältnis wie bei PKWs. Auch hier zeigt sich die unzureichende Energieeffizienz dieses Ansatzes.

Busse und andere Nutzfahrzeuge

Mit Wasserstoff angetriebene Busse sind vereinzelt bereits im Einsatz. Bisher haben sie sich jedoch aus wirtschaftlichen Gründen nur ausnahmsweise bewährt. Einige Kommunen betreiben Brennstoffzellen-Busse, insbesondere wenn eine Wasserstoff-Infrastruktur bereits vorhanden ist. Andere haben sich nach Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen für batteriebetriebene Fahrzeuge entschieden oder haben sogar bereits begonnene Versuche mit Wasserstoff-Bussen wieder abgebrochen. Der parallele Betrieb von Bussen mit unterschiedlichen Antriebsarten kann für die Betriebshöfe eine große Herausforderung darstellen, ebenso wie die Notwendigkeit, den Treibstoff zu beschaffen und die notwendige Infrastruktur bereitzustellen. Auch wenn in Deutschland einige hundert Brennstoffzellen-Busse fahren, ist die Technologie von einem echten Durchbruch noch weit entfernt.

• Siehe für weitere Details und Beispiele den Abschnitt Nahverkehr im Artikel Wasserstoff in Kommunen.

Andere kommunale Nutzfahrzeuge wie Müllwagen fahren vereinzelt auch bereits mit Wasserstoff. Ähnlich bei LKWs, bei denen sich die jährlichen Zulassungszahlen im zweistelligen Bereich befinden - während etwa die hundertfache Anzahl an LKWs mit Batterieantrieb verkauft wird. Auch wasserstoffgetriebene Transporter sind vereinzelt verfügbar, so bietet Opel inzwischen zwei Modelle an, die mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie (zur Pufferung der Energie für das Starten und das Beschleunigen sowie zur Rückspeisung von Energie beim Bremsen) ausgestattet sind.

Schiene

Vereinzelt sind im Schienenverkehr wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Züge unterwegs. Sinnvoll ist ihr Einsatz nur auf nicht elektrifizierten Strecken, wo sie dieselgetriebene Züge ersetzen können. Ihr Vorteil gegenüber batteriebetriebenen Zügen liegt in der größeren Reichweite: Heute verfügbare Züge erreichen mit einer Tankladung Wasserstoff eine Reichweite von ca. 1.000 km, so dass sie nur einmal täglich betankt werden müssen; batteriebetriebene Züge benötigen jeweils nach ca. 120 km eine Aufladung. Allerdings muss für Brennstoffzellen-Züge eine eigene Wasserstoff-Infrastruktur geschaffen werden. Batterien in Zügen können in Bahnhöfen oder auf elektrifizierten Teilstrecken aus der Oberleitung nachgeladen werden (Züge, die sowohl mit Batterie- als auch mit Oberleitungsstrom fahren und dabei die Batterie nachladen können, werden "Batterie-Hybrid-Züge" genannt). Im günstigen Fall muss also nur z.B. in einem Bahnhof auf der Strecke eine Oberleitung existieren, oder sie kann auf einer Teilstrecke eingerichtet oder verlängert werden. Wegen der deutlich günstigeren Infrastrukturkosten dieser Variante werden daher derzeit kaum Brennstoffzellen-Züge in Deutschland neu angeschafft, einige bereits begonnene Projekte sollen auslaufen. Interessant könnte die Technik in Ländern sein, in denen große Teile des Schienennetzes nicht elektrifiziert sind. In Deutschland wäre, so Professor Markus Hecht von der TU Berlin, ein Ausbau der Oberleitungen der beste Weg zur Klimaneutralität des Schienenverkehrs. Kürzere Teilstrecken, deren Elektrifizierung unwirtschaftlich wäre, könnten von Batteriefahrzeugen bedient werden, die am nächsten Abschnitt mit Oberleitung wieder aufgeladen werden. In Deutschland sind bislang nur 62% des Schienennetzes elektrifiziert, andere europäische Länder sind da weiter (z. B. die Schweiz mit 100%, Österreich, Italien und die Niederlande mit über 70%.

Flugverkehr

Bei Flugzeugen wird über den Einsatz von Wasserstoff als klimaneutralem Antriebsmittel erst nachgedacht, erste Prototypen werden entwickelt, dabei handelt es sich jedoch um Leichtflugzeuge, nicht um große Passagiermaschinen. Die International Air Transport Association (IATA), Dachverband von über 290 Fluggesellschaften, peilt einen klimaneutralen Flugverkehr für 2050 an. Bis dahin sind noch viele Probleme zu lösen:

• Entwicklung von Antrieben. Zwei Wege sind hier denkbar: mit Wasserstoff statt mit Kerosin betriebene Düsentriebwerke oder die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen, um über Elektromotoren Propeller anzutreiben.
• Ausreichende Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Preisen.
• Konstruktion von geeigneten Tanks - wegen des notwendigen hohen Drucks müssten die Tanks zylindrisch sein und könnten daher kaum, wie die bisherigen Kerosintanks, in Flugzeugflügel passen. Entsprechend schrumpft der freie Platz im Rumpf.
• Schaffung der notwendigen Infrastruktur an den Flughäfen.

Nach derzeitigem Stand wird, auch wenn diese Probleme irgendwann gelöst werden, erwartet, dass Wasserstoff-Flugzeuge eine geringere Reichweite haben und weniger Passagiere befördern können als heutige Maschinen. Airbus hat sich das Ziel gesetzt, bis 2035 ein erstes kommerziell nutzbares emissionsfreies Passagierflugzeug mit über 100 Sitzen und einer Reichweite von über 3.500 km zu präsentieren - ein Ziel, hinter das viele Expert:innen ein dickes Fragezeichen setzen. Das Unternehmen ZeroAvia setzt nicht auf eine komplette Neuentwicklung, sondern will ein bereits existierendes, wesentlich kleineres Flugzeug umrüsten - es könnte dann 10-20 Passagiere bis zu 1.000 km weit befördern. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet seit 2020 an der Ent­wick­lung neu­er Tech­no­lo­gie­bau­stei­ne für ein kli­maf­reund­li­ches Ver­kehrs­flug­zeug; unter anderem wird ein Verkehrsflugzeug entworfen, das mit Brennstoffzellen Propeller antreibt und bis zu 70 Passagiere rund 2.000 km weit befördern soll. Die Firma Apus in Brandenburg stellte im September 2024 den ersten Prototyp eines wasserstoffbetriebenen Propeller-Kleinflugzeugs mit dem Namen "Mira" vor, das mit einer Tankfüllung von 23 kg bei 350 bar eine Reichweite von gut 900 km und eine Geschwindigkeit von ca. 300 km/h erreichen soll. Die Tanks des relativ leichten Flugzeugs (max. Gesamtgewicht 2.200 kg) sind in den Flügeln untergebracht. Die Markteinführung ist für 2027 geplant.

Auch wenn diese Projekte gelingen - bis ein relevanter Teil der vorhandenen Flotte ausgemustert und durch neuartige klimaneutrale Maschinen ersetzt ist, dürften weitere Jahrzehnte vergehen. Die Industrie setzt deshalb neben der Entwicklung von Wasserstoff-Flugzeugen vor allem auf nachhaltig produzierten Treibstoff (Sustainable Aviation Fuel – SAF) für die vorhandenen Maschinen. Dieser wird derzeit nur in geringen Mengen aus biogenen Reststoffen (z.B. gebrauchte Speisefette) hergestellt und spart im Vergleich zu Kerosin in der gesamten Produktionskette immerhin 80% CO₂ ein. Er wird heute zumeist nur als Beimischung zu herkömmlichem Kerosin eingesetzt. Für die Zukunft wird an Verfahren zur Herstellung synthetischer SAF mittels Sonnenenergie gearbeitet, diese Verfahren befinden sich jedoch noch im Laborstadium.

Schiffsverkehr

Wie oben dargestellt, ist Ammoniak, der auch aus grünem Wasserstoff hergestellt werden kann, direkt zum Antrieb von Schiffen verwendbar. Bei der Verbrennung von Ammoniak können allerdings schädliche Abgase wie z.B. Stickoxide entstehen. Als Alternative für Schiffsantriebe bietet sich die Verwendung von Methanol an, das ebenfalls aus grünem Wasserstoff hergestellt werden kann. Auch der Einsatz der Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)-Technologie, bei der der Wasserstoff in einem flüssigen Trägermedium gebunden wird, kommt in Frage - dabei muss er allerdings in einem kleinen Reaktor aus dem Trägermedium wieder herausgelöst werden. Die Verwendung von Ammoniak, Methanol oder der LOHC-Technik in Schiffsantrieben ist jedoch noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung; eine entsprechende Infrastruktur müsste noch aufgebaut werden.

Für kleine Boote in Binnengewässern setzen sich teilweise mit Solarzellen ergänzte Elektroantriebe durch - diese Variante ist praktisch emissionsfrei und zudem sehr leise. Viel spricht dafür, in kleinen Wasserfahrzeugen zukünftig auf jede Art von Verbrennermotoren zu verzichten. Allerdings existiert hierfür praktisch noch keine Lade-Infrastruktur, so dass Elektroboote bislang nur für kurze Strecken oder Tagesausflüge geeignet sind. Allerdings arbeitet die HADAG Seetouristik und Fährdienst AG, die die Fähren im Hamburger Hafen betreibt, an der Umstellung ihrer Flotte auf elektrisch betriebene Schiffe bis 2032, wozu auch der Aufbau einer entsprechenden Lade-Infrastruktur gehört. Der ursprüngliche Plan, die Schiffe mit Wasserstoff zu betreiben, wurde fallengelassen, nachdem Fördermittel nicht in der gewünschten Höhe zur Verfügung standen.

Siehe auch

• Die Fraunhofer-Gesellschaft forscht zum möglichen Einsatz von Wasserstoff und seinen Derivaten in der Mobilität (Schwerpunkt Schiffsverkehr): Fraunhofer-Gesellschaft: Wasserstoff – so bleiben wir mobil

Industrie

Bereits heute ist Wasserstoff ein wichtiger Grundstoff in der Industrie. Er wird beispielsweise in der Metallverarbeitung, bei der Entschwefelung von Kraftstoffen oder zur Härtung von Fetten eingesetzt. Häufig wird dieser Wasserstoff direkt dort, wo er benötigt wird, auch produziert - ein Grund dafür (und zugleich eine Reaktion darauf), dass es bisher keine überregionale Wasserstoff-Infrastruktur gibt. Den heute in der Industrie überwiegend verwendeten grauen durch grünen Wasserstoff zu ersetzen ist eine wichtige Aufgabe im Rahmen des Klimaschutzes.

Auch in Branchen, die heute mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, sollen diese zukünftig durch Wasserstoff ersetzt werden. So setzen z.B. die Hoffungen, die Stahlerzeugung klimaneutral zu machen, auf den Ersatz von Kohle durch grünen Wasserstoff. Auch bei der Herstellung von Kohlenwasserstoffen sollen fossile Ausgangsstoffe durch Biomasse ersetzt werden, was zusätzlich den Einsatz von Wasserstoff erfordert. Schließlich hofft die Industrie, in energieintensiven Prozessen wie Metallverarbeitung, Glas- und Ziegelherstellung die notwendige Wärme zukünftig aus Wasserstoff gewinnen zu können. Die meisten dieser Anwendungen sind noch in der Forschungs- oder Erprobungsphase.

Neben notwendigen, oft kostspieligen Umrüstungen ist hierfür eine ausreichende Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff notwendig, die heute noch nicht gegeben ist. Da für die beschriebenen Anwendungen wenig Alternativen bekannt sind, wäre es sinnvoll, den auch in den nächsten Jahren noch knappen grünen Wasserstoff hier einzusetzen und in Bereichen, in denen andere Energiequellen wie erneuerbarer Strom nutzbar sind, den Einsatz von Wasserstoff zunächst zurückzustellen. Auch die Bundesregierung betont in ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie (siehe weiter unten), dass "die Herstellung von Wasserstoff verhältnismäßig energieintensiv [ist], weshalb er voraussichtlich in erster Linie dort eingesetzt werden sollte, wo eine direkte Nutzung erneuerbaren Stroms nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist."

Stromerzeugung

Auf den ersten Blick erscheint es widersinnig, mit erneuerbarem Strom grünen Wasserstoff zu produzieren, um daraus wieder Strom zu erzeugen. Tatsächlich haben beide Prozesse mit heutigen Technologien (die in der Zukunft allerdings verbessert werden könnten) einen Wirkungsgrad von jeweils ca. 60%, woraus ein Gesamtwirkungsgrad von 36% resultiert - fast zwei Drittel des ursprünglich erzeugten grünen Stroms sind also verloren. Allerdings sollen zukünftige Wasserstoff-Gaskraftwerke nur dann laufen, wenn die Erneuerbaren zusammen zu wenig Leistung liefern, also wenn weder die Sonne scheint noch der Wind weht (sog. Dunkelflaute). Zudem sollen sie erst dann einspringen, wenn andere Speichertechniken wie Pumpspeicherkraftwerke und Batteriespeicher erschöpft sind. Wenn zudem Wasserstoff in Solar- und Windkraftanlagen vorwiegend dann erzeugt wird, wenn diese andernfalls wegen Überproduktion heruntergeregelt werden müssten, erscheint das Konzept schon sinnvoller.

Die Bundesregierung hat im Sommer 2024 - nach entsprechender Einigung in der Ampelkoalition im Februar - eine "Kraftwerkstrategie" vorgelegt, die auch mit der EU abgestimmt wurde. Darin ist vorgesehen, über Ausschreibungen, flankiert mit Fördermitteln, folgende Kapazitäten für die Verstromung von Wasserstoff zu schaffen:

• 500 MW reine Wasserstoffkraftwerke und 500 MW Langzeitspeicher
• 5 GW Gaskraftwerke, die nach 8 Jahren auf Wasserstoff umgerüstet werden ("H2-ready")
• Weitere 5 GW Gaskraftwerke ohne spätere Umrüstung als "Brücke" in einen zukünftigen Kapazitätsmechanismus. Diese Kraftwerke sollen einen Teil der schrittweise stillgelegten Kohlekraftwerke ersetzen.

Die Strategie ist Teil des Wachstumspakets für die Wirtschaft und wird in einem zukünftigen "Kraftwerkssicherheitsgesetz" umgesetzt. Die ersten Ausschreibungen sollen um den Jahreswechsel 2024/2025 erfolgen. In der Anfangszeit sollen die wasserstofftauglichen nicht nur mit dem - dann immer noch knappen - grünen, sondern auch mit blauem Wasserstoff betrieben werden.

Die geplanten Wasserstoffkraftwerke decken also keinesfalls die Grundlast ab, sondern sollen nur in seltenen Fällen einspringen - das erfordert ein eues Finanzierungsmodell, denn wenn sie sich nur über den produzierten Strom finanzierten, wären sie unwirtschaftlich. In welchem Umfang sie tatsächlich benötigt werden, ist bei weitem noch nicht klar, denn sie sind ein Baustein eines umfassenderen Konzepts:

• Zukünftige "smarte" Stromnetze können zusammen mit entsprechenden Preisanreizen dafür sorgen, dass sich der Verbrauch teilweise an das momentane Angebot an Strom anpasst;
• kurzfristige Engpässe können durch Batteriespeicher, Pumpspeicherkraftwerke und Biomasse- sowie Biogas-Kraftwerke ausgeglichen werden; benötigt werden auch größere Speicher für Wasserstoff, wofür eventuell bestehende unterirdische Erdgas-Kavernen umgerüstet werden können;
• ein verbessertes europäisches Verbundnetz sorgt für einen besseren Ausgleich zwischen Ländern mit geringer und Ländern mit höherer momentaner Stromerzeugung.

Welche Beiträge diese Elemente in zehn oder zwanzig Jahren leisten, ist ebenso wenig bekannt wie der genaue Strombedarf zu diesen zukünftigen Zeiten. Die Kraftwerkstrategie dürfte daher in den kommenden Jahren immer wieder angepasst werden.

Nationale Wasserstoffstrategie

Aus Sicht der Bundesregierung ist die Verfügbarkeit und Nutzung von Wasserstoff ein Schlüsselfaktor für das Erreichen der politisch vereinbarten Klimaziele. Daher wurde auf Bundesebene 2020 eine "Nationale Wasserstoffstrategie" formuliert, die 2023 überarbeitet wurde. Sie hat u.a. folgende Ziele:

• Der Aufbau von Elektrolysekapazitäten, die derzeit mit hohen Kosten belastete Produktion, der Aufbau der notwendigen Infrastruktur sowie der wirtschaftliche Absatz von Wasserstoff soll mit mehreren Mrd. € gefördert werden.
• Damit soll zugleich der hohe technologische Standard der deutschen Wasserstoffwirtschaft erhalten und der Spitzenplatz, den viele deutsche Unternehmen international einnehmen, gehalten werden.

Mit der Fortschreibung 2023 wurden zusätzliche Ziele formuliert:

• Der Markthochlauf von Wasserstoff soll beschleunigt werden;
• die heimische Elektrolysekapazität soll 2030 bei 10 GW (statt, wie bislang angepeilt, bei 5 GW) liegen;
• bis 2027/28 soll in Deutschland ein "Wasserstoffstartnetz" von 1.800 km geschaffen werden;
• in der Industrie, bei schweren Nutzfahrzeugen sowie zunehmend im Luft- und Schiffsverkehr sollen bis 2030 Anwendungen für Wasserstoff etabliert sein, im Energiesektor sollen auf klimaneutrale Gase umrüstbare Gaskraftwerke zur Verfügung stehen;
• deutsche Firmen sollen bis 2030 in allen Elementen der Wasserstoff-Wertschöpfungskette unter den weltweiten Technologieführern sein;
• zur Unterstützung sollen national, europäisch und möglichst auch international die rechtlichen Rahmenbedingungen angepasst werden.

Administrativ wird die Strategie wie folgt realisiert:

• ein Ausschuss der Staatssekretäre verschiedener Ministerien überwacht die Umsetzung der Maßnahmen, sowohl zeitlich als auch im Hinblick auf die Zielerreichung;
• der Nationale Wasserstoffrat, ein unabhängiges, überparteiliches Beratungsgremium aus 26 Expertinnen und Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft, ergänzt durch bis zu vier Vertreter:innen der Bundesländer, begleitet die Strategie und berät die Bundesregierung bei der Umsetzung;
• eine Leitstelle unterstützt sowohl die Ministerien als auch den Wasserstoffrat durch ein Sekretariat und durch Projektmanagement-Kapazitäten;
• ein Bund-Länder-Arbeitskreis koordiniert die Maßnahmen zwischen Bund und Ländern.

Weitere Informationen

• Einen Überblick über vorhandene Fördermöglichkeiten auf Bundes- EU- und internationaler Ebene gibt die Förderberatung der Lotsenstelle Wasserstoff.
• Kurzvorstellungen konkreter Förderprojekte bzw. Projektskizzen von Projekten entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette gibt es hier: Praxisbeispiele
• Pressemitteilungen des Bundes zum Thema Wasserstoff: News

Importstrategie der Bundesregierung

Die Bundesregierung rechnet damit, noch auf Jahrzehnte den überwiegenden Teil des in Deutschland benötigten Wasserstoffs einschließlich seiner Derivate (z. B. aus grünem Wasserstoff hergestelltes Ammoniak oder Methanol) importieren zu müssen. Für 2030 wird der Bedarf auf 95-130 TWh geschätzt, von denen 50-70% (also 45-90 TWh) importiert werden müssen. Für 2045 wird mit einem Bedarf (einschließlich Derivate) von 560-700 TWh kalkuliert; da auch nach 2030 der Ausbau der einheimischen Produktion mit dem wachsenden Bedarf nicht Schritt hält, wird der Importanteil dabei weiter steigen. Ergänzend zur Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung daher im Juli 2024 auch eine Importstrategie für grünen Wasserstoff beschlossen. Da für die Bundesregierung der Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft Priorität hat, setzt sie auch auf einen Anteil von kohlenstoffarmem, also nicht komplett CO₂-freiem Wasserstoff beim Import, was Umweltverbände kritisieren.

Die Importstrategie nennt folgende Ziele:

• Sicherstellung einer nachhaltigen, stabilen, sicheren und diversifizierten Versorgung mit Wasserstoff und Wasserstoffderivaten;
• Erreichen einer zuverlässigen Versorgung mit grünem Wasserstoff und seinen Derivaten - dabei bezieht die Importstrategie auch kohlenstoffarmen Wasserstoff und seine Derivate ein;
• Unterstützung einer diversifizierte Produktpalette einschließlich diverse Derivate (wie Ammoniak, Methanol, Naphtha, strombasierte Kraftstoffe) und Trägermedien (z. B. LOHC, d.h. flüssige Trägermedien);
• paralleler Aufbau von Importinfrastrukturen für Pipeline- und Schiffstransporte;
• enge Kooperation mit europäischen Partnern zu regulatorischen Fragen, Erzeugungspotentialen und Infrastruktur, außerdem - um die Lieferquellen zu diversifizieren - Zusammenarbeit mit einer Vielzahl an Partnerländern, -regionen und Akteuren.

Dementsprechend sieht sie Strategie eine Vielzahl von Maßnahmen in verschiedenen Bereichen vor. Dazu gehören die Stärkung der Nachfrage, die Schaffung einer nachhaltigen Importinfrastruktur, Etablierung von Zertifizierungsprozessen, Förderung der Produktion von Wasserstoff in Partnerländern, mehr internationale Kooperation sowie begleitende Forschung und Entwicklung.

Ein erster Liefervertrag wurde im Sommer 2024 geschlossen: Ein Unternehmen aus den Vereinigten Arabischen Emiraten baut in Ägypten eigene Wind- und Solaranlagen, mit denen grüner Wasserstoff produziert und anschließend in Ammoniak umgewandelt wird, der mit Tankschiffen nach Deutschland kommt. In den Jahren 2027-2032 sollen so mindestens 259.000 Tonnen Ammoniak in Deutschland ankommen. Auch Wasserstoffleitungen, die von Algerien und Tunesien über Italien und Österreich nach Süddeutschland führen, sind geplant. Nach Schätzungen des Bundeswirtschaftsministeriums könnte Algerien bis 2040 mit Hilfe von Sonnenenergie rund 10% des deutschen Wasserstoffbedarfs decken. In Norddeutschland sollen Wasserstoff-Pipelines aus Norwegen und Großbritannien anlanden.

Ob es jedoch gelingt, in Ländern mit Potenzialen für erneuerbare Energien eine Wasserstoffproduktion in großem Stil für den Transport nach Europa zu etablieren, und ob es zugleich gelingt, diese in den entsprechenden Ländern auch sozial verträglich und mit positiven Wirkungen auf deren eigenes Energiesystem zu gestalten, stößt auf Zweifel. So problematisiert nicht nur die taz in mehreren Artikeln ein großes Projekt in Namibia, an dem das in Deutschland ansässige, weltweit agierende Unternehmen Enertrag beteiligt ist. Dort sollen große Flächen mit Solar- und Windkraftanlegen belegt werden, um mit dem erzeugten Strom grünen Wasserstoff für den Export zu produzieren. Die dafür genutzte Fläche liegt zu großen Teilen in einem wertvollen Naturschutzgebiet, auch der geplante Hafen könnte ökologisch wertvolle Gebiete beeinträchtigen. Problematisch könnte in dem sehr trockenen Land auch der Wasserverbrauch werden (9 l Wasser für 1 kg Wasserstoff). Zudem befürchten Indigene, dass beim geplanten Hafenausbau die Shark Island beschädigt werden, ein wichtiger Ort des Gedenkens an die Opfer des Völkermords von Nama und Herero. Im Deutschlandfunk bezeichnete eine Nama-Vertreterin den Bau der geplanten Anlage in einem ehemaligen Nama-Gebiet als "Rekolonialisierung". Die Nama fordern, bei den Planungen beteiligt zu werden, und werden dabei vom Klimabündnis und von der Gesellschaft für bedrohte Völker unterstützt.

Fazit

Ein Fazit kann nur vorläufig sein: Zu widersprüchlich sind die Nachrichten, die zum Thema Wasserstoff verbreitet werden. Während Energiekonzerne den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft propagieren und eigene Projekte vorantreiben - wohl auch, um die vorhandene Gas-Infrastruktur noch möglichst lange nutzen zu können -, warnen andere vor überzogenen Erwartungen und möglichen neuen Umweltrisiken. Sicher ist, dass Wasserstoff ein wichtiges Element einer zukünftigen klimaneutralen Energieinfrastruktur sein wird. Ebenso sicher ist jedoch, dass klimaneutraler "grüner" Wasserstoff auf absehbare Zeit - und das meint: auf Jahrzehnte - in Deutschland knapp und nur durch massive Importe ausreichend verfügbar sein wird.

Weil grüner Wasserstoff auf längere Zeit nur begrenzt verfügbar ist und zudem nur mit energetischen Verlusten produziert werden kann, sollte seine Anwendung zunächst auf die Verwendungszwecke konzentriert werden, bei denen es keine sinnvollen Alternativen gibt. Dazu gehört der Einsatz als Grundstoff und zur Erzeugung von Prozesswärme in der Industrie, möglicherweise eines Tages auch als Treibstoff für Schiffe oder Flugzeuge. Andere Verwendungen z.B. im Straßen- und Schienenverkehr erscheinen angesichts der Alternativen nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich und energetisch sinnvoll. Für die Wärmewende dürfte der Einsatz von Wasserstoff weitgehend untauglich und sogar kontraproduktiv sein. Wie bei allen Energiethemen gilt zudem: Energieeinsparung durch Steigerung der Effizienz und durch Reduzierung beispielsweise des PKW- und des Flugverkehrs hat immer Vorrang; die Hoffnung auf grünen Wasserstoff darf nicht dazu führen, dass diese Anstrengungen nachlassen.

Momentan ist Deutschland vom Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoff-Infrastruktur noch weit entfernt; Anwendungen beschränken sich zumeist auf Prototypen und wenige Praxisversuche. Dies zu ändern erfordert enorme Investitionen, bei denen immer auch geprüft werden sollte, ob sie nicht anderswo mit größerer Wirkung auf den Klimawandel eingesetzt werden können. Schon aus wirtschaftlichen Gründen wird so manches Wasserstoff-Projekt in den nächsten Jahren wieder eingestellt werden, zumal auch die Alternativen (z.B. neuartige Batteriekonzepte) weiterentwickelt werden. Dennoch handelt es sich um einen wachsenden Markt, in dem auch neue, heute noch kaum diskutierte Einsatzzwecke entdeckt werden können.

Materialien

• Heinrich-Böll-Stiftung: Energie für die klimaneutrale Zukunft: Wasserstoff. 15 Fakten über Wasserstoff, 29.10.2021 (in der Reihe Böll.Fakten, mit Link zum Download im PDF-Format, 40 Seiten)
• Heinrich-Böll-Stiftung: Dossier Grüner Wasserstoff - Nachhaltig investieren und fair handeln mit Fachartikeln, Erklärvideos, Podcast-Beiträgen, Publikationen und Veranstaltungs-Mitschnitten

Siehe auch

• Wasserstoff in Kommunen
• BR24: Grüner Wasserstoff - Vision oder Antrieb der Zukunft?, 17.04.2023
• mdr Wissen: Wasserstoff — Das sind die großen (und kleinen) Missverständnisse, 17.08.2022