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Wasserstoffqualität und Farbenlehre

Erstellt am: 27.02.2023 | Stand des Wissens: 27.02.2023
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Wasserstoff wird heute zu mehr als 90 Prozent aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Jedoch ist nur sogenannter grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, klimaneutral [BMWi20b] [IKEM20]. Um zwischen dem klimaneutralen grünen Wasserstoff und jenen, die auf fossilen Brennstoffen basieren, unterscheiden zu können, wurden farbliche Abstufungen der Klimaneutralität als nicht regulierte Kennzeichnung für die Herstellungsarten entwickelt. Anhand dieser sogenannten Farbenlehre wird der Wasserstoff entsprechend seiner verschiedenen Ausgangsstoffe und Herstellungsverfahren eingeordnet. In der Politik, Wissenschaft und Wirtschaft haben sich derzeit unterschiedliche Einordnungen von Wasserstoff in eine Farbenlehre entwickelt. Während in der nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) der Bundesregierung nur zwischen grauem, blauem, türkisem und grünem Wasserstoff unterschieden wird, gibt es zudem Ansätze, die eine detailliertere Einordnung anstreben [BMWi20b]. Das Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität (IKEM) hat beispielsweise im Rahmen der Kurzstudie Wasserstoff-Farbenlehre den in der Abbildung 1 dargestellten Wasserstoff-Regenbogen beschrieben, welcher insgesamt neun Farben beinhaltet und damit alle Erzeugungsmöglichkeiten abdeckt.
farbenlehre h2.pngAbb. 1: Die Farbenlehre von Wasserstoff im Wasserstoff-Regenbogen [IKEM20] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
  • Schwarzer Wasserstoff: wird auf Basis von Steinkohle, in der Regel durch eine Vergasungsmethode, erzeugt.
  • Brauner Wasserstoff: wird, ähnlich wie schwarzer in der Regel durch eine Vergasungsmethode, auf Basis von Braunkohle erzeugt.
  • Grauer Wasserstoff: wird gewöhnlich aus Erdgas durch den Dampfreformierungsprozess hergestellt.
  • Weißer Wasserstoff: kommt in der in der natürlichen Umgebung vor und wird beispielsweise durch Fracking gewonnen.
  • Blauer Wasserstoff: scheidet und speichert die produktionsbedingten Kohlenstoffdioxid-Emissionen des fossil hergestellten Wasserstoffs unterirdisch ab, was als sogenannte Carbon Capture and Storage (CCS)-Technologie bezeichnet wird. Im Rahmen eines Übergangsszenarios zu 100 Prozent grünem Wasserstoff wird seitens der NWS der Bundesregierung blauem Wasserstoff eine wichtige Rolle zugeschrieben, da es gegenwärtig nicht möglich ist, den gesamten Bedarf mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff zu decken [BMWi20b].
  • Roter Wasserstoff: basiert auf Atomstrom, zum Beispiel mittels Elektrolyse erzeugt.
  • Orangefarbener Wasserstoff: basiert auf Bioenergie.
  • Türkiser Wasserstoff: wird durch den Methanpyrolyseprozess erzeugt, wobei Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten wird, der gespeichert werden kann.
  • Grüner Wasserstoff: ist schließlich die einzige, nachhaltige Wasserstoffoption, die mittels Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden kann.
Eine zusätzlich denkbare Herstellungsmöglichkeit von grünem Wasserstoff ist die thermochemische Wasserspaltung (TWS) mittels Sonnenenergie, welche jedoch noch weiterentwickelt werden muss. [IKEM20] [UBA22g]
Mit Blick in die Zukunft und auf einen voranschreitenden Einsatz sowie zur Vorbereitung auf einen zunehmenden Verbrauch von Wasserstoff muss auf politischer Ebene geklärt werden, wie die jeweiligen Verfahren und Farben im bestehenden Rechtsrahmen verbindlich festgelegt werden können und der entsprechend zertifizierte Wasserstoff tatsächlich beim Verbraucher und im jeweiligen Sektor ankommt [IKEM20].
Die Erneuerbare-Energie-Richtlinie II (RL 2018/2001/EU, kurz RED II) der Europäischen Union, welche bis zum 30. Juni 2021 in nationales Recht umgewandelt werden musste, sieht vor, dass für erneuerbare Gase (inklusive Wasserstoff) zukünftig Herkunftsnachweise erteilt werden müssen. Mit Blick in die Zukunft und zur Vorbereitung auf die zunehmenden Verbrauchsmengen von Wasserstoff ist deshalb eine verbindliche rechtliche Einordnung der Produktionsverfahren und Farben sinnvoll. Anhand von standardisierten Nachhaltigkeits- und Umweltkriterien können Wasserstoff und dessen Folgeprodukte bewertet und daraus zertifizierte Produkte abgeleitet werden. Diese geben Aufschluss über die Klimawirkung der jeweiligen Sektoren und jedem einzelnen Verbraucher Hilfestellung über sein Verbrauchsverhalten. Mögliche zentrale Nachhaltigkeits- und Umweltkriterien für eine standardisierte Bewertung sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt. Bewertet werden die Bereiche Strombezug, Emissionen, Umwelt- und soziale Wirkung [SRU21].
nachhaltigkeits und umweltkriterien h2.pngAbb. 2: Mögliche Zentrale Nachhaltigkeits- und Umweltkriterien für Wasserstoff und PtX-Folgeprodukte [SRU21] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Klimaschutzpotenzial der Wasserstoffanwendung im Verkehrssektor (Stand des Wissens: 27.02.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?567750
Literatur
[BMWi20b] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Hrsg.) Die Nationale Wasserstoffstrategie, 2020/06
[IKEM20] IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V. (Hrsg.) Wasserstoff - Farbenlehre, 2020/12
[SRU21] Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.) Wasserstoff im Klimaschutz: Klasse statt Masse, 2021
[UBA22g] Umweltbundesamt (Hrsg.) Wasserstoff, Schlüssel im künftigen Energiesystem, 2022/05/18
Rechtsvorschriften
[EU 2018/2001] Erneuerbare-Energien-Richtlinie
Glossar
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
Kohlenstoff = Kohlenstoff. Er kommt in der Natur sowohl in reiner Form als auch in großer Vielfalt chemisch gebunden vor. Kohlenstoffverbindungen bilden die molekulare Grundlage allen irdischen Lebens. Elementarer Kohlenstoff ist nichtmetallisch und kommt in mehreren Modifikationen vor, die beiden wichtigsten sind Diamant und Graphit. Bei Zimmertemperatur sind die Kohlenstoffmodifikationen stabil, bei höheren Temperaturen verbrennen sie zu Kohlenstoffdioxid (CO2), bei unvollständiger Verbrennung bildet sich das giftige Kohlenstoffmonooxid (CO).
Power-to-X
Power-to-X ist ein Oberbegriff für verschiedene technologische Verfahren, bei denen elektrische Energie in chemische Energie oder in Wärme umgewandelt wird. Dies ermöglicht eine Speicherung und anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen in Zeiten eines Überangebotes variabler erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Windenergie und Wasserkraft.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?567718

Gedruckt am Montag, 24. Juni 2024 05:48:35