Da Wasserstoff in der Natur nicht in reiner Form vorkommt, muss er unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Dazu werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die unterschiedliche Primärenergieträger und Wasserstoffverbindungen nutzen, wobei der Wirkungsgrad und der Ausstoß von Kohlendioxid wichtige Bewertungskriterien sind. Wasserstoff kann aus zahlreichen Energiequellen hergestellt werden. Die gängigsten sind:

• Erdgas (leichte Kohlenwasserstoffe) – durch Dampfreformierung (SMR).
• Fossile Brennstoffe (schwere Kohlenwasserstoffe) – durch partielle Oxidation.
• Kohle oder Biomasse – durch Vergasung.
• Wasserspaltung – Wasserstofferzeugung durch Wasserspaltung mittels Elektrolyse unter Verwendung von Strom (erneuerbarer Strom bedeutet erneuerbarer Wasserstoff).

In der Energiewirtschaft werden Farbcodes oder Spitznamen verwendet, um die verschiedenen Herstellmethoden von Wasserstoff zu unterscheiden. Grüner Wasserstoff, blauer Wasserstoff, brauner Wasserstoff und sogar gelber Wasserstoff, türkisfarbener Wasserstoff und rosa Wasserstoff. Wasserstoff ist unter normalen Umgebungsbedingungen ein farbloses (unsichtbares) Gas. Daher gibt es – etwas verwirrend und trotz der bunten Bezeichnungen – keinen sichtbaren Unterschied zwischen den verschiedenen Arten von Wasserstoff. Um die Produktionsmethode und die zur Herstellung verwendete Energie oft auch den Ausgangsstoff anzugeben, wurde eine Zuordnung der Farben festgelegt. Es gibt jedoch keine allgemeingültige Namenskonvention, und diese Farbdefinitionen können sich im Laufe der Zeit und sogar von Land zu Land ändern.

• Grüner Wasserstoff wird durch Wasserelektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt, die Wasserspaltung ist ein emissionsfreier Prozess. Daher ist grüner Wasserstoff derjenige, der mit sehr geringen Treibhausgasemissionen hergestellt wird. Darüber hinaus kann grüner Wasserstoff auch unter Verwendung von Biomasse durch Reformierung oder Pyrolyse hergestellt werden. Außerdem befinden sich mehrere Alternativen wie die direkte solare Wasserspaltung oder biologische Verfahren unter Verwendung von Grünalgen im Forschungsstadium.
• Grauer Wasserstoff wird aus Erdgas oder Methan durch Dampfreformierung hergestellt, ohne dass die dabei entstehenden Treibhausgase abgeschieden werden. Dies ist derzeit die häufigste Form der Wasserstofferzeugung.
• Türkisfarbener Wasserstoff wird durch Methanpyrolyse (thermische Spaltung von Methan) erzeugt, wobei anstelle von CO2 fester Kohlenstoff als Nebenprodukt entsteht.
• Brauner Wasserstoff wird aus Kohle durch die Wassergasverschiebungsreaktion (engl. water gas shift reaction – WGSR) im letzten Schritt gewonnen, wobei das Nebenprodukt der Reaktion CO2 ist. Die ersten Schritte in diesem Prozess sind die partielle Oxidation und die Vergasung.
• Blauer Wasserstoff ist grauer oder brauner Wasserstoff, wobei der bei dem eingesetzten Verfahren entstehende Kohlenstoff durch industrielle Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (engl. carbon capture and storage – CCS) abgeschieden und gespeichert wird.

Quelle: Eigene Darstellung (HyCentA)

Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff stellen die Speicherung und der Transport mit ausreichender Energiedichte eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Die Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung lassen sich in physikalische Speichermethoden und chemische Speichermethoden unterteilen. Physikalische Speichermethoden sind komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2), flüssiger Wasserstoff (LH2) und kryogener komprimierter Wasserstoff (cCH2):
• Gasförmiger komprimierter Wasserstoff wird mit einem Druck von 300 bis 700 bar in Druckbehältern gespeichert und transportiert
• Flüssiger kryogener Wasserstoff bei Temperaturen unter -252,85 °C (20,3 K) und LH2 (flüssiger Wasserstoff) werden in kryogenen Behältern gespeichert und transportiert
Chemische Speichermethoden sind flüssige Hydride (flüssige organische Wasserstoffträger, LOHC), feste Hydride (Metallhydride, MH) oder Ammoniak (NH3), derzeit vorwiegend im Laborstadium.
Kleine Mengen von Wasserstoff werden in der Regel in Druckbehältern gespeichert. Größere Mengen, zum Beispiel für die saisonale Speicherung erneuerbarer Energien, können in unterirdischen Gasspeichern gelagert werden. Das Projekt Underground Sun Storage 2030 zielt auf die sichere, saisonale und großtechnische Speicherung von erneuerbarer Energie in Form von Wasserstoff in unterirdischen Gasspeichern ab. Eine Pilotanlage an einem ehemaligen Erdgasspeicher in der Gemeinde Gampern (Oberösterreich) soll bis 2025 interdisziplinären technisch-wissenschaftlichen Untersuchungen für die Energiezukunft unter realen Bedingungen dienen.

Die Elektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, was bedeutet, dass Elektrizität in einer so genannten elektrochemischen Zelle angelegt wird, was zur Spaltung der Moleküle in dieser Zelle führt. Eine elektrochemische Zelle besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch ein ionenleitendes Material (Elektrolyt) getrennt sind. Im Falle der Wasserelektrolyse führt die Zufuhr von Strom zur Aufspaltung von Wassermolekülen (H2O – flüssig oder gasförmig) in H2 (gasförmig) und O2 (gasförmig). Die beiden Produktgase verlassen die Zelle getrennt und können separat genutzt werden. Durch Elektrolyse kann elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt werden.

Quelle: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, M. Klell, H. Eichlseder, A. Trattner; Springer Vieweg, Wiesbaden, 2018

Elektrolyseverfahren werden in der Regel nach dem verwendeten Elektrolyten und der Betriebstemperatur unterschieden. Die alkalische Elektrolyse (AEL) verwendet Kaliumhydroxid als Elektrolyt und arbeitet bei niedrigen Temperaturen um 60-70 °C. Es handelt sich um eine industrialisierte Technologie und es sind mehrere hundert MW installiert.
Die Polymerelektrolytmembran Elektrolyse (engl. proton exchange membrane electrolyis – PEMEL) ist eine Technologie, die durch eine Membran gekennzeichnet ist, die Anode und Kathode trennt. Diese Membran kann H+-Ionen (Protonen) transportieren und dient als Elektrolyt in der Zelle. PEM-Elektrolyseure sind auf dem Markt bis zur Multi-MW-Größe erhältlich. Hohe Leistungsdichte, kompakte Bauweise und Betrieb unter Differenzdruck (Wasserstoff wird unter einem Druck von bis zu 160 bar erzeugt) sind die Hauptmerkmale von PEM-Elektrolyseuren. Die Technologie ist jedoch teuer und benötigt kritische Rohstoffe, wie Platin.
Das alkalische Gegenstück zu PEM-Elektrolyseuren ist der Anionenaustauschmembran Elektrolyseur (engl. Anion exchange membrane electrolyis – AEMEL). Er verwendet verdünntes Kaliumhydroxid als Elektrolyt und eine anionenleitende Membran zur Trennung von Anode und Kathode. AEM-Elektrolyseure können unter Differenzdruck (30 bar) betrieben werden und lassen sich aus reichlich vorhandenen, kostengünstigen Materialien herstellen. Diese Technologie befindet sich derzeit auf dem Weg zur Marktreife.
Die Festoxid-Elektrolyse (engl. Solid oxide electrolysis – SOEL) ist eine so genannte Hochtemperaturtechnologie, die bei bis zu 1000 °C arbeitet, während alle anderen Elektrolyseurtechnologien Niedertemperaturanwendungen sind. Als Elektrolyt werden O2–Ionen leitende Materialien verwendet. Diese Technologie verspricht einen sehr hohen Wirkungsgrad und einen Betrieb bei bis zu 30 bar. Bislang befindet sich diese Technologie jedoch noch im Stadium der Forschung und Entwicklung.

Power-to-Gas (P2G): Erneuerbare Elektrizität (Strom, engl. Power) wird zur Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffs verwendet. Power-to-Gas (P2G) ist die einzige Technologie, die eine Speicherung im Terawattstunden-Maßstab ermöglicht. Wasserstoff wird in einem Speichersystem wie Tanks, Kavernen oder dem Erdgasnetz gelagert. Die Nutzung des Erdgasnetzes würde es ermöglichen, sehr große Mengen an erneuerbarem Wasserstoff sehr kostengünstig zu speichern, da nur sehr wenig neue Infrastruktur gebaut werden muss. Power-to-Hydrogen (P2H2) bezeichnet eine Technologie, bei der Wasserstoff durch Elektrolyse erzeugt wird. Wasserstoff wird zum Träger von erneuerbarer Energie, wenn erneuerbarer Strom für diesen Prozess verwendet wird. Power-to-Liquid (P2L) ist ein Verfahren, bei dem die Produkte aus dem P2G-Prozess anschließend in flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden, zum Beispiel durch das Fischer-Tropsch-Verfahren, bei dem H2 und CO2 zu flüssigen Kohlenwasserstoffen (Diesel, Kerosin) reagieren. Power-to-Heat (P2H) ermöglicht die Nutzung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Form von Wärme.
Power-to-X (P2X) ist eine Reihe von Technologien, die die Umwandlung von Strom in Energieträger, Chemikalien und Wärme ermöglichen. Der Begriff fasst verschiedene in diesem Zusammenhang eingesetzte Techniken zusammen, wobei sich X auf das Ergebnis der Umwandlung bezieht.
Im Rahmen von Renewable Gasfield wird in der Südsteiermark eine Power-to-Gas-Anlage errichtet. Eine PEM-Elektrolyse erzeugt grünen Wasserstoff aus regenerativen Ressourcen, hauptsächlich aus einem 1,5 MW PV-Feld vor Ort. Das H2 wird entweder für eine 350 bar Wasserstofftankstelle oder für einen Methanisierungsprozess von kohlenstoffreichem Biogas verwendet. In der südlichen Steiermark (Österreich) wird eine bestehende Biogasanlage mit halber Kapazität betrieben. Die Kopplung mit einer lastflexiblen Methanisierung wird die Erzeugung und Speicherung von synthetischem Erdgas (engl. Synthetic natural gas – SNG) im Gasnetz ermöglichen.

Quelle: WIVA Projekt Renewable Gasfield