Die 7 Farben des Wasserstoffs

Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses und vollkommen ungiftiges Gas.

Wasserstoff ist farblos. Das steht nicht nur in der Definition des TÜV Süd, sondern auch in jeder anderen Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften des Gases. Dennoch findet man in der Diskussion um Wasserstoff als Energieträger regelmäßig Aussagen zu grünem, gelben, grauem, … Wasserstoff. Die Farbbezeichnungen kennzeichnen dabei nicht die optischen Eigenschaften des Gases, sondern sollen Aufschluss über die Herstellung des Wasserstoffs und damit letztlich seine Umweltverträglichkeit geben.

Vorkommen und Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und macht über 90% aller Atome bzw. etwa 75% der gesamten Masse der sichtbaren Materie aus. Auf unserem Heimatplaneten hingegen trägt Wasserstoff noch nicht einmal zu 1% zur planetaren Masse bei. Gleichzeitig liegt Wasserstoff auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor – meistens als Wasser, aber auch in Erdgas oder Erdöl. Ein Anzapfen natürlicher Wasserstoffreservoirs ist folglich auf der Erde wirtschaftlich nicht möglich.

Um Wasserstoff in größeren Mengen verfügbar zu machen, müssen natürlich vorkommende Verbindungen aufgebrochen werden. Im technischen Maßstab haben sich dabei drei Verfahren durchgesetzt: die Dampfreformierung, die Methanpyrolyse und die Elektrolyse.

Bei der Dampfreformierung, dem heute gängigsten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, reagiert ein Kohlenwasserstoff – meist Methan – mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In einem nachfolgenden Reaktionsschritt wird das giftige Kohlenmonoxid mit Wasser unter Abscheidung von zusätzlichem Wasserstoff zu Kohlendioxid oxidiert.

Die Methanpyrolyse nutzt, wie der Name suggeriert, Methan als Ausgangsprodukt zur Wasserstoffherstellung. In diesem Prozess wird Methan über einen thermischen Prozess in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Da Kohlenstoff anders als Kohlendioxid ein Feststoff ist, lässt er sich bei diesem Prozess leicht abtrennen und emissionsfrei lagern bzw. in anderen Prozessen nutzen.

Der bekannteste Prozess dürfte die Elektrolyse sein. Hier wird Wasser, die häufigste wasserstoffhaltige Verbindung auf der Erde, durch eine elektrische Spannung in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Da der Prozess keine kohlenstoffhaltigen Substanzen verwendet, ist die Wasserstoffherstellung zunächst einmal frei von CO2-Emissionen.

So kommen die Farben in den Wasserstoff

Wasserstoff und Wasserstoffderivate, also aus Wasserstoff hergestellte Energieträger, nehmen potenziell einen wichtigen Platz in einer nachhaltigen, klimaschonenden Energieversorgung ein, da bei der Umsetzung von Wasserstoff kein Kohlendioxid oder andere Klimagase freigesetzt werden. Um die Klimafreundlichkeit von Wasserstoff beurteilen zu können, benötigt man jedoch das Wissen um seine Herstellung – und hier kommt die „Farbenlehre des Wasserstoffs“ ins Spiel.

Die „Farbe“ des Wasserstoffs kennzeichnet, aus welchem Energieträger und über welches Herstellungsverfahren der Wasserstoff produziert wurde. Aus diesen Informationen lässt sich grob ableiten, inwieweit der eingesetzte Wasserstoff in seiner Gesamtbilanz als klimaneutral oder klimaschädlich eingestuft werden muss.

Leider haben sich mehrere Farbsysteme mit unterschiedlich feinen Aufgliederungen und teilweise auch unterschiedlicher Nutzung der Farbbezeichnungen herausgebildet. An dieser Stelle halten wir uns an die Definitionen des Nationalen Wasserstoffrats und der Bundesregierung.

Wasserstoff, der aus Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen mittels Dampfreformierung hergestellt wird, wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Unter idealen Prozessbedingungen entstehen dabei aus einem Methan- und zwei Wassermolekülen vier Wasserstoff- und ein Kohlendioxidmolekül, wobei letzteres an die Atmosphäre abgegeben wird. Der Wirkungsgrad des Prozesses liegt bei etwa 70%.

Technisch ist es möglich, das entstehende Kohlendioxid abzutrennen und in unterirdischen Speichern oder gashaltenden Gesteinsschichten einzulagern. Diese Prozesserweiterung verhindert Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre, führt jedoch auch zu einer Reduktion des Wirkungsgrads, da die Abtrennung und Komprimierung des Kohlendioxids zusätzliche Energie benötigt. Den produzierten Wasserstoff bezeichnet man als blauen Wasserstoff.

Türkiser Wasserstoff wird über Methanpyrolyse hergestellt. Wie grauer und blauer Wasserstoff basiert er auf fossilen Kohlenwasserstoffen. Da der Kohlenstoff der Methanmoleküle am Ende der Umwandlung jedoch in fester Form vorliegt, gibt es keine Kohlendioxidemissionen, vorausgesetzt, die für den Prozess benötigte Energie wird CO₂-neutral zur Verfügung gestellt. Diese Technologie ist aktuell noch in der Entwicklung und nicht großskalig kommerziell verfügbar.

Roter, gelber und grüner Wasserstoff wird mittels Wasserelektrolyse generiert und somit ebenfalls ohne direkte Kohlendioxidemissionen, wobei der Wirkungsgrad heutiger Elektrolyseure bei etwa 65% liegt. Die Farbunterscheidung kennzeichnet hier, wie der für die Elektrolyse genutzte Strom generiert wird.

Im Falle von gelbem Wasserstoff wird die Elektrolyse mit Netzstrom betrieben, also dem Mix an fossilen, nuklearen und erneuerbaren Energiequellen, die zum entsprechenden Zeitpunkt für die Stromerzeugung eingesetzt werden. Da sich die Zusammensetzung des Netzstroms aufgrund von Strombedarf und dem Angebot an Strom aus Windkraft und Fotovoltaik kontinuierlich ändert, sind auch die Kohlendioxidemissionen des Netzstroms variabel. Bei einem hohen Anteil an Strom aus fossilen Quellen können sie letztlich temporär sogar höher sein als bei grauem Wasserstoff.

Bei rotem Wasserstoff wird der für die Elektrolyse benötigte Strom ausschließlich aus Atomkraftwerken bezogen. Hierbei werden keine Kohlendioxidemissionen freigesetzt, der produzierte Wasserstoff ist folglich klimaneutral. Allerdings entstehen bei der Nutzung von Atomkraft radioaktive Reststoffe, die sicher gelagert bzw. entsorgt werden müssen, was wiederum mit Risiken verbunden ist.

Kommt der Strom für die Wasserstoffproduktion ausschließlich aus erneuerbaren Quellen, also Wind-, Solar- und Wasserkraft, so spricht man von grünem Wasserstoff. Bei grünem Wasserstoff fallen keine Kohlendioxidemissionen oder sonstige problematische Nebenprodukte bei der Herstellung an. Allerdings ist die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom wetterabhängig, so dass eine kontinuierliche Produktion von grünem Wasserstoff nur mit erheblichen Investitionen in Stromspeicher möglich ist.

Unter orangefarbenem Wasserstoff wiederum wird Wasserstoff zusammengefasst, der aus Abfällen und Biomasse hergestellt wird, und zwar unabhängig vom Produktionspfad. Eine allgemeine Bewertung der Effizienz und der Kohlendioxidemissionen ist daher bei orangefarbenem Wasserstoff nicht möglich: sie hängt direkt von den genutzten Energieträgern und dem Produktionsverfahren ab.

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