Was machen Wasserstoff-Elektrolyseure eigentlich und warum sind sie für die Energiewende so wichtig? Viele Anlagen sind geplant. Experten halten ihren Betrieb für «weitestgehend ungefährlich».
Blick auf einen Elektrolyseur für die Herstellung von grünem Wasserstoff.
Foto: Rolf Vennenbernd/dpa
Klimaneutral erzeugter Wasserstoff wird eine bedeutende Rolle im zukünftigen Wirtschaftssystem spielen. Er wird als Energieträger in neuen Gaskraftwerken verwendet werden, wenn es keine Sonne gibt und kein Wind weht. In der Industrie wird er Kohlenstoff bei der Stahlherstellung ersetzen und dadurch große Mengen an klimaschädlichem Kohlendioxid verhindern. Das Abfallprodukt ist einfach Wasser.
Das Problem besteht darin, dass riesige Mengen benötigt werden. Diese sollen mithilfe von speziellen Maschinen, den Elektrolyseuren, erzeugt werden. Die Bedeutung dieser Elektrolyseure wird auch in den Eckpunkten der neuen Kraftwerksstrategie der Bundesregierung betont, die zu Wochenbeginn veröffentlicht wurden. Dabei wird unter anderem darauf hingewiesen, dass der Bau und Betrieb von Elektrolyseuren erleichtert werden sollen.
Was ist ein Elektrolyseur?
Ein Elektrolyseur ist ein fortschrittliches Gerät, in dem mithilfe von Elektrizität ein Material in seine Komponenten aufgespalten wird. Wenn es um die Produktion von Wasserstoff geht, wird Wasser als Ausgangsstoff verwendet. Wasser besteht chemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die chemische Formel dafür ist H₂O, was bedeutet, dass ein Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verbunden ist. Wenn der verwendete Strom klimaneutral erzeugt wurde, wird dies als grüner Wasserstoff bezeichnet. Je nach Herstellungsverfahren werden ihm auch andere Farben zugeordnet.
Was ist der Unterschied zu einer Brennstoffzelle?
Ein Elektrolyseur ist quasi eine umgekehrte Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle nutzt Wasserstoff und Sauerstoff, um Strom und Wärme zu produzieren, erklärt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt. «Technisch gesehen sind Elektrolyseure und Brennstoffzellen also eng miteinander verwandt.»
Gibt es verschiedene Arten von Wasserstoff-Elektrolyseuren?
Ja. Aktuell werden vier Technologien unterschieden, so das Bundeswirtschaftsministerium: Die alkalische Elektrolyse (AEL), die Proton-Exchange-Membran Elektrolyse (PEM), die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEM) und die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL). «Die alkalische Elektrolyse ist bereits seit über einem Jahrhundert bekannt und kommerziell nutzbar, die PEM-Elektrolyse stellt eine deutlich jüngere Technologie dar, die ebenfalls kommerziell einsatzbereit ist», erklärt das Ministerium. Gegenüber der AEL biete diese Technologie noch viel Potenzial für technische Entwicklungen und Kosteneinsparungen. Die HTEL befinde sich noch in der Pilotphase.
In welchen Größen gibt es Elektrolyseure?
Um die Größenordnung anzugeben, wird normalerweise angegeben, wie viel Strom eine Anlage maximal aufnehmen kann. Diese Leistungsaufnahme wird in der Einheit Watt gemessen. Um die Zahlen zu verkleinern, verwendet man die üblichen Vorsilben Kilo, Mega oder Giga. Ein Megawatt (MW) entspricht einer Million Watt. Auf dem Gelände des Shell Energy und Chemical Parks bei Köln befindet sich zum Beispiel eine 10 Megawatt-PEM-Anlage, die mit erneuerbaren Energien betrieben wird. Das Projekt heißt Refhyne.
Wie viel Wasserstoff können Elektrolyseure erzeugen?
Die Refhyne-Anlage (10 MW) hat die Kapazität, jährlich bis zu 1300 Tonnen Wasserstoff zu produzieren. Laut Thyssenkrupp Nucera, dem Hersteller der Anlage, kann das 20-Megawatt-Modul jährlich bis zu 3100 Tonnen Wasserstoff produzieren.
Wie viel Wasserstoff wird denn gebraucht?
Wenn es um Wasserstoffmengen geht, wird oft auch der Energiegehalt in Wattstunden erwähnt. 100.000 Tonnen Wasserstoff haben einen Energiegehalt von 3,33 Terawattstunden (TWh), also 3,33 Milliarden Kilowattstunden.
Zurzeit werden in Deutschland jährlich rund 55 Terawattstunden Wasserstoff benötigt. Er wird vor allem durch ein Verfahren namens Dampfreformierung etwa aus Erdgas gewonnen. Das dabei anfallende Kohlendioxid entweicht in die Atmosphäre. Der so hergestellte Wasserstoff wird «grau» genannt.
Die Bundesregierung prognostiziert, dass im Jahr 2030 zusätzlich 40 bis 75 Terawattstunden Wasserstoff benötigt werden, insgesamt also 95 bis 130 Terawattstunden, was bis zu 3,9 Millionen Tonnen entspricht. Diese Menge umfasst auch Wasserstoffderivate wie Ammoniak, Methanol oder synthetische Kraftstoffe. Ein bedeutender Verbraucher von Wasserstoff wird die Stahlindustrie sein. Zum Beispiel wird die geplante Direktreduktionsanlage von Thyssenkrupp in Duisburg, die einen Hochofen in der Stahlherstellung ersetzen soll, jährlich 143.000 Tonnen benötigen.
Woher soll der Wasserstoff kommen?
Vor allem aus dem Ausland, aber auch aus dem Inland. So soll Deutschland bis 2030 laut Nationaler Wasserstoffstrategie 10 Gigawatt Elektrolyse-Kapazität aufbauen. «Der damit erzeugbare Wasserstoff reicht aus, um rund 30 bis 50 Prozent des deutschen Wasserstoff-Bedarfs 2030 zu decken», erklärt die Bundesregierung. Den Rest soll Deutschland importieren etwa aus Afrika oder Australien. Dazu wird aktuell eine Wasserstoff-Importstrategie erarbeitet.
Deutschland hat jedoch noch einen weiten Weg vor sich, um die 10 Gigawatt zu erreichen. Laut der Wasserstoffbilanz des Energiekonzerns Eon waren im August letzten Jahres 33 Elektrolyseure mit einer installierten Leistung von 62 Megawatt in Betrieb. Für das Jahr 2030 waren auch 111 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 8,7 Gigawatt (=8712 Megawatt) geplant. Große Elektrolyseure mit 100 Megawatt oder sogar noch mehr sollen beispielsweise in Wilhelmshaven oder Rostock entstehen.
Wer baut Elektrolyseure?
Das bayerische Wirtschaftsministerium hat die Beratungs- und Informationsorganisation Carmen unterstützt, um eine Marktübersicht im Internet zu veröffentlichen. Im Juli 2023 wurden 96 Systeme von 19 Anbietern erfasst. Die größten Anlagen hatten eine Leistung von 20 MW, während die kleinste Anlage lediglich 6 Kilowatt oder 0,006 Megawatt betrug.
Sind Elektrolyseure gefährlich?
«Sie sind technologisch beherrschbar und weitestgehend ungefährlich», sagt Thomas Kattenstein von der TÜV Nord-Tochter EE Energy Engineers. Er hält es für «sehr unwahrscheinlich», dass an einem Elektrolyseur ein zündfähiges Luft-Wasserstoff-Gemisch entsteht, das eine Explosion verursachen könnte. «Wasserstoff ist leichter als Luft und steigt sofort hoch. Wenn irgendwo ein Leck ist, dann wird sich der Wasserstoff sehr schnell verflüchtigen.»
In den Betriebsgebäuden gebe es für solche Fälle Sicherheitsvorrichtungen. «Etwa Klappen im Dach, die aufgehen, wenn Detektoren entsprechende Wasserstoffkonzentrationen messen, so dass nach menschlichem Ermessen nichts passieren kann.» Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist laut dem Experten jede Anlage an Stickstoff-Flaschen angeschlossen, die den Wasserstoff aus der Anlage ausspülen können, so dass sich keine gefährlichen Konzentrationen bilden können.
Fallen beim Betrieb von Elektrolyseuren gefährliche Stoffe an?
Nein, nur Sauerstoff und Wasserstoff. Allerdings brauche man bei großen Anlagen Kühlmittel, sagt Kattenstein. Verwendung fänden etwa Wasser-Glykolmischungen. «Da müssen natürlich entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, dass die nicht ins Erdreich kommen.» Um Leckagen aufzufangen, gebe es Auffangbecken.
Bei dem Elektrolyse-Verfahren der alkalischen Elektrolyse komme ätzende Kalilauge zum Einsatz, erklärt Jan Simoneit von Energy Engineers. «Für den Fall, dass etwas ausläuft, gibt es auch hier Auffangwannen.»
Gibt es auch kleinere Elektrolyseure für den Hausgebrauch?
Ja. Ein Beispiel dafür ist das Berliner Unternehmen HPS, das wasserstoffbasierte Energiespeichersysteme anbietet. Diese Systeme erzeugen grünen Wasserstoff durch die Verwendung von Solarstrom, der auf dem Hausdach produziert wird. Im Winter kann dieser Wasserstoff dann mithilfe einer Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung genutzt werden.
