Wasserstoff ist eines der Elemente, das im Zuge der Energiewende und dem Wechsel auf eine nachhaltige Energieversorgung immer mehr an Bedeutung gewinnt. Wasserstoff lässt sich als Energieträger und Speicher einsetzen. In dieser Funktion wird Wasserstoff in naher Zukunft nicht nur in verschiedenen Bereichen der Energieversorgung sowie der Mobilität zum Einsatz kommen, sondern auch Prozesse in der Baubranche verändern. Die weltweite Produktion von Wasserstoff liegt bereits heute bei über 600 Milliarden Kubikmetern.
Die Produktion von grünem Wasserstoff
In der Umwelt ist Wasserstoff vor allem im Wasser gebunden. Durch die Wasserstoffelektrolyse lässt sich Wasserstoff erzeugen. Diese Art der grünen Wasserstoffgewinnung soll vor allem in Zukunft ausgebaut werden. Die Gewinnung von Wasserstoff erfordert jedoch viel Energie. Diese ist dann zu einem großen Teil im Wasserstoff gespeichert, sodass es sich um eine Form der Energiespeicherung handelt.
Da es eine Reihe von Möglichkeiten gibt, wie Wasserstoff gewonnen wird, wird der Energieträger entsprechend seiner Herstellungsmethode klassifiziert. Hier kommen verschiedene Farben zur Einordnung zum Einsatz. Grüner Wasserstoff ist vollständig CO₂-neutral. Die Elektrizität für die Elektrolyse stammt ausschließlich aus nachhaltigen Quellen. Die zentrale Rolle spielen Solar- und Windkraft. Der Plan ist, im Sommer und in Zeiten mit viel Wind die überschüssige Elektrizität über die Elektrolyse in Wasserstoff zu speichern und so zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar zu machen.
Grauer Wasserstoff entsteht durch die Dampfreformierung. Als Energiequelle dienen fossile Brennstoffe, also Kohle, Öl oder Erdgas. Dementsprechend fällt die Umweltbilanz bei diesem Wasserstoff negativ aus. Blauer Wasserstoff wird ebenfalls mittels der Dampfreformierung und fossilen Energieträgern gewonnen. Das entstandene CO₂ wird hingegen durch die Kohlenstoffabscheidung am Eintritt in die Atmosphäre gehindert und mit der CCS-Technik (Carbon Capture and Storage) unterirdisch gespeichert.
Gelber Wasserstoff stammt aus der Elektrolyse mit Atomstrom, ist somit zwar ebenfalls CO₂-neutral, aber keine nachhaltige Option. Bei türkisem Wasserstoff kommt die Methanpyrolyse zum Einsatz. Der Grundstoff ist Methan, das in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten wird. Als weiterer Stoff fällt fester Kohlenstoff an, der sich beispielsweise unterirdisch lagern lässt. Diese Form der Wasserstoffgewinnung kann CO₂-neutral sein, wenn die benötigte Elektrizität aus nachhaltigen Quellen stammt. Der gesamte Prozess ist hingegen nicht nachhaltig, da Erdgas als Ausgangsstoff benötigt wird.
Reduktion der CO₂-Emissionen in der Baubranche durch den Einsatz von Wasserstoff
Die Baubranche wird häufig als einer der Industriezweige kritisiert, die für einen hohen Ausstoß an CO₂ verantwortlich sind. Vor allem ist dies energieintensiven Prozessen wie in der Metallverarbeitung oder der Zementproduktion geschuldet. Wasserstoff lässt sich jedoch in verschiedenen Funktionen einsetzen, um die Baubranche nachhaltiger zu gestalten und um CO₂-Emissionen zu reduzieren.
Baustoffe sind weltweit laut verschiedenen Studien für bis zu acht Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich. In Versuchen wird an der klimaneutralen Zementproduktion gearbeitet. Dies soll mit einer Kombination aus der CO₂-Abscheidung und der Wasserstoffelektrolyse gelingen. Das CO₂, was bei der Produktion von Zement entsteht, wird gesammelt und dient als Basis für synthetische Kraftstoffe und chemische Produkte. Durch die Synthese von CO₂ mit grünem Wasserstoff entstehen Kohlenwasserstoffe, die sich wiederum in Raffinerien für die Produktion von Kraftstoffen sowie Olefinen nutzen lassen. Die Olefine dienen dann als Rohstoff für Kunststoffe, die durch Polymerisation gewonnen werden. Die Elektrolyse stellt in den Werken den benötigten grünen Wasserstoff bereit, der vor Ort aus Solar- und Windenergie erzeugt wird. Damit entsteht grüner Wasserstoff und in der Folge faktisch auch grüner Kohlenwasserstoff. Zusätzlich soll eine Methanol-Synthese-Route in die Zementfertigung integriert werden, die grünes Methanol erzeugt. Auf diese Weise lässt sich die Zementproduktion in eine Kreislaufwirtschaft integrieren, die CO₂-neutral arbeitet und gleichzeitig Rohstoffe für die Fertigung von grünen Kraftstoffen sowie Kunststoffen aus erneuerbaren Ressourcen bereitstellt. Entsprechende Projekte in der Praxis beginnen oder laufen bereits in Österreich sowie in Brandenburg.
Eine weitere Möglichkeit ist, mit Wasserstoff andere Energieträger zu ersetzen. Hier spielen vor allem die fossilen Brennstoffe eine zentrale Rolle, die von der Baustoffindustrie in großem Umfang für energieintensive Anwendungen zum Einsatz kommen. Dies betrifft beispielsweise die Produktion von Mauersteinen. Wasserdampf in der Fertigung von Kalksandsteinen wird beispielsweise oftmals mit fossilem Erdgas erzeugt. Dieses Erdgas lässt sich zumindest zum Teil durch Wasserstoff ersetzen.
Wasserstoff aus Holzabfällen – Recycling der Zukunft
Ein wichtiger Punkt bei der zukünftigen Entwicklung wird es sein, Wasserstoff möglichst effizient und preiswert zu erzeugen. Alternative Methoden neben der Elektrolyse sollen die Verfügbarkeit steigern. Mit modernen und innovativen Technologien lassen sich zudem neue Prozesse für die Gewinnung von Wasserstoff in Verbindung mit dem Recycling erschaffen. Dies hilft bei dem Aufbau einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.
Eine dieser vielversprechenden Methoden für die Gewinnung von Wasserstoff aus Holzabfällen ist das Projekt H₂Wood im Schwarzwald. Hierbei wird durch ein Fermentationsverfahren mithilfe von Algen und Bakterien aus dem Holzzucker Wasserstoff erzeugt. Diese biointelligente Wasserstoff-Erzeugung soll verhindern, dass Holzabfälle verbrannt werden. Das Recycling und die Gewinnung von Wasserstoff sind eine Möglichkeit, einen höherwertigen Wertstoff aus den Abfällen zu erzeugen. Bewährt sich diese Methode in der Praxis, ist es denkbar, dass regionale Sammelstellen entstehen, die Holzabfälle aller Art für die Wasserstoffproduktion liefern. Dies betrifft die gesamte Bandbreite an Betrieben, in denen Holz als Reststoff anfällt, von kleinen Handwerksunternehmen bis zur holzverarbeitenden Industrie.
Konzepte für die Wasserstoff-Mobilität
Wasserstoff ist einer der Treibstoffe, die in Zukunft die emissionsfreie Mobilität ermöglichen sollen. Inzwischen ist die Technologie der Testphase entwachsen und beweist sich in der Praxis. Wasserstoff liefert hier die Energie für eine Brennstoffzelle, die wiederum einen Elektromotor antreibt. Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb erzeugen somit keinerlei schädliche Emissionen. Aus dem Auspuff gelangt ausschließlich Wasserdampf.
Der Wasserstoffantrieb wird vor allem als Lösung für den Schwerlastverkehr angesehen. Batterieelektrische Antriebe sind für Lkw keine Option, denn die Akkus wären viel zu schwer und die Ladephasen unterbrechen die Fahrtzeiten. Im Jahr 2020 testete Hyundai eine Flotte von 46 Lkw mit Wasserstoffantrieb in der Praxis. In der Schweiz legten die Fahrzeuge rund eine Million Kilometer zurück und bewiesen die Tauglichkeit in der Praxis. In naher Zukunft ist damit zu rechnen, dass Nutzfahrzeuge aller Klassen mit Wasserstoffantrieben verfügbar sind. Dies ist notwendig, um die Klimaziele im Bereich des gewerblichen Verkehrs zu erreichen.
Auch für andere Transportsektoren kommt der Wasserstoffantrieb infrage. Mit dem Coradia iLint fertigt Alstom einen der ersten Personenzüge mit Wasserstoffantrieb. Im Bereich des Schienenverkehrs ermöglicht Wasserstoff den emissionsfreien Verkehr auch auf Streckenabschnitten, die nicht elektrifiziert sind.
Wasserstoffheizung – das Heizsystem der Zukunft?
Die Wasserstoffheizung ist eine umweltfreundliche Heiztechnologie, die Wasserstoff als primären Brennstoff nutzt. Die Funktionsweise einer Wasserstoffheizung ähnelt der der traditionellen Gasheizung: Wasserstoff wird in einem Heizgerät verbrannt, wodurch die Wärme erzeugt wird, die zur Beheizung von Räumen oder zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden kann.
Ein besonders innovativer Aspekt dieser Technologie ist die Möglichkeit, mithilfe von Wasserstoff Strom zu erzeugen. Hierbei kommt eine Brennstoffzelle zum Einsatz. In dieser Zelle wird der Wasserstoff nicht durch Verbrennung, sondern in einem elektrochemischen Prozess mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert. Dabei erfolgt eine Umwandlung des Wasserstoffs in elektrische Energie, die anschließend zur Stromversorgung des Haushalts genutzt werden kann. Gleichzeitig wird bei diesem Prozess Wärme erzeugt, die in ein Heizsystem eingespeist werden kann.
Eine Wasserstoffheizung mit Brennstoffzellen-Technologie kann eine effiziente und nachhaltige Lösung für die Energieversorgung von Gebäuden sein. Voraussetzung ist allerdings, dass ständig große Mengen Wärme abgenommen werden. Ist dies der Fall, können mit diesen Systemen signifikante Mengen CO2 eingespart werden.
