CMS verfolgt die Entwicklung der Wasserstoff-basierten Brennstoffzellen-Technik mit großem Interesse, immerhin werden Zero Emissions versprochen. Das ist ein Thema, von dem wir etwas verstehen. Deswegen haben wir uns mit der H2-Technologie befasst und diese auch hinterfragt.

Eine unserer Fragen war: Wo kommt der ganze Wasserstoff eigentlich her?

Die Antwort hat uns überrascht: Natürlichen Wasserstoff gibt es auf der Erde nicht, das Wasserstoffgas muss stets aus anderen Energieträgern erzeugt werden.

Weltweit werden jährlich ca. 500 Mrd. Norm-Kubikmeter (Nm3) Wasserstoffgas herstellt und zwar ca. 190 Mrd. Nm3 mittels Dampf-Reformierung aus Erdgas/Naphta, ca. 120 Mrd. Nm3 mittels Partieller Oxidation von Schweröl, ca. 90 Mrd. Nm3 in den Erdöl-Raffinerien als Nebenprodukt der Benzin-Reformierung, ca. 50 Mrd. Nm3 durch Vergasung von Kohle, ca. 33 Mrd. Nm3 in der Petro-Chemie bei der Herstellung von Ethylen, ca. 10 Mrd. Nm3 mittels Elektrolyse von Wasser und ca. 7 Mrd. Nm3 von der Chemischen Industrie über sonstige Verfahren.

In Deutschland werden jährlich insgesamt ca. 19 Mrd. Nm3 hergestellt, davon ca. 6 Mrd. Nm3 mittels Dampfreformierung aus Erdgas/Naphta, ca. 3 Mrd. Nm3 mittels Partieller Oxidation von Schweröl, ca. 2,5 Mrd. Nm3 in den Erdölraffinerien als Nebenprodukt der Benzin-Reformierung, ca. 3,6 Mrd. Nm3 durch Vergasung von Kohle, ca. 0,9 Mrd. Nm3 in der Petro-Chemie bei der Herstellung von Ethylen, ca. 0,9 Mrd. Nm3 mittels Elektrolyse von Wasser und ca. 2,1 Mrd. Nm3 von der Chemischen Industrie über sonstige Verfahren.

Ethylen wird mittels Dampf-Reformierung aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen hergestellt, in Europa und Asien überwiegend aus Naphtha- oder Gasöl, in den Vereinigten Staaten, Kanada und dem Nahen Osten auch aus Ethan, Propan und Flüssiggas (LPG, einer Mischung aus Butan und Propan). Damit basiert auch dieses Marktsegment auf fossile Energieträger.

Damit werden gegenwärtig rd. 98% bzw. 95% der Wasserstoff-Produktion aus fossilen Energieträgern erzeugt. 10% der weltweiten und 11% der deutschen Wasserstoff-Erzeugung nutzen sogar die besonders problematische Kohle als primären Energieträger. Somit entstammen nur 2% der weltweiten Wasserstoff-Erzeugung und nur 5% der deutschen Wasserstoff-Herstellung aus der Elektrolyse.

 

Und selbst diese 2 bzw. 5% sind nur dann umweltfreundlich, wenn für die Elektrolyse ausschließlich THG-freier, netzentkoppelter Strom eingesetzt wird. Das ist meist nicht der Fall, in der Regel kommt Netzstrom zum Einsatz und damit der jeweilige Strom-Mix, der (noch) zu großen Anteilen aus fossilen Energieträgern erzeugt wird.

Und eine weitere Frage war: Welche Treibhausgas-Emissionen entstehen bei der Herstellung des Wasserstoffs?

Diese Frage haben uns die EU-Richtlinien 28/2009 und 2015/1513 beantwortet: Wasserstoff, der mittels Dampf-Reformierung aus Erdgas erzeugt und danach komprimiert wird, ist mit THG-Emissionen in Höhe von 104,3 kgCO2-Äquivalenten pro GJ belastet, das entspricht 375,5 gCO2-Äq/kWhHi.

Wasserstoff, der durch die Vergasung von Kohle entsteht und danach komprimiert wird, ist mit THG-Emissionen in Höhe von 234,4 kgCO2-Äquivalenten pro GJ belastet, was 843,8 gCO2-Äq/kWhHi entspricht.

Wasserstoff, der mittels Elektrolyse aus elektrischem Strom und Wasser erzeugt wird, ist mit THG-Emissionen in Höhe von 9,1 kgCO2-Äquivalenten pro GJ belastet, was 32,8 gCO2-Äq/kWhHi entspricht, dies aber nur, wenn ausschließlich weitgehend THG-freier Strom zum Einsatz kommt.

Die Konversionseffizienz beträgt bei der Elektrolyse ca. 70%. Das Produkt Wasserstoff ist damit mit dem Faktor 1/0,7 = 1,43 höher belastet als der für die Elektrolyse verwendete Strom. Wenn der deutsche Inlands-Strom-Mix genutzt wird, dessen Erzeugung in 2016 gemäß dem Umwelt-Bundesamt mit 580 gCO2/kWhel belastet war, beträgt der THG-Emissionswert des Elektrolyse-Wasserstoffs folglich 829 gCO2/kWhHi.

WtW-gesehen sind Wasserstoffgas und mit Wasserstoffgas Brennstoffzellen-Fahrzeuge nur im Ausnahme-Fall THG-neutral, nämlich wenn der als Kraftstoff genutzte Wasserstoff vollständig aus netzentkoppeltem Öko-Strom hergestellt wird. In allen anderen Fällen belasten H2-Antriebe die Umwelt und das Klima sogar noch mehr als Antriebskonzepte, die fossiles Benzin oder fossilen Dieselkraftstoff nutzen. Auch der ggü. einem konventionellem Benzinantrieb um ca. 40% bessere Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Antriebs kann die in der Regel hohen THG-Emissionen nicht kompensieren, die mit 99% der Wasserstoff-Produktion verbunden sind.

Wasserstoff ist damit nicht per se sauber sondern im Gegenteil zu 99% ziemlich schmutzig. Bei der Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff sollte deshalb immer gefragt werden, wie das Wasserstoffgas erzeugt wurde.