Wasserstoff – Antrieb für die Energiewende?

Wasserstoff ist das kleinste und häufigste chemische Element im Universum. Es wurde vom englischen Chemiker und Physiker Henry Cavendish im Jahre 1766 entdeckt. Im Periodensystem nimmt Wasserstoff den ersten Platz ein und trägt das Symbol H mit der Ordnungszahl 1. In seinem natürlichen Vorkommen auf der Erde findet er sich überwiegend als molekularer Wasserstoff mit dem Symbol H₂ in Verbindungen mit anderen Elementen und kommt in sämtlichen lebenden Organismen sowie im Rohstoff allen Lebens vor: dem Wasser (H₂O).

In seiner reinen Form ist Wasserstoff ein unsichtbares, flüchtiges und geruchloses Gas, das wesentlich leichter als Luft ist. Ein ungiftiges, aber nicht ungefährliches Gas, das sehr leicht entzündbar ist und bei unkontrollierten Reaktionen zu Bränden sowie Explosionen führen kann. Doch genau diese „Reaktionsfreudigkeit“ macht ihn als Energieträger so wertvoll. Ein weiterer Vorteil: Aufgrund seines reichen Vorkommens kann er flexibel an fast jedem Ort der Welt hergestellt werden.

Die globale Reduktion von CO₂-Emissionen sowie eine erfolgreiche Energiewende sind heute zwei der größten Herausforderungen, um den Klimawandel unserer Erde aufzuhalten. Wir bei Infineon sind davon überzeugt, dass Wasserstoff in naher Zukunft eine wichtige Rolle im Energiesystem spielen wird. Sein besonders großes Potential zur CO₂-Reduktion liegt dabei in der Dekarbonisierung der Energiewirtschaft und Automobilindustrie, also der Abkehr von CO₂-verursachenden Energieträgern und somit dem Ausstieg aus der Energiegewinnung mit fossilen Rohstoffen. Die Wasserstoffwirtschaft nimmt mit der Optimierung und Weiterentwicklung von Wasserstofftechnologien eine Schlüsselrolle ein. Drei Gründe, warum Wasserstoff für die Energiewende so wichtig ist und als Energie der Zukunft gilt:

1. Branchenübergreifend kann Wasserstoff in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden: in industriellen Prozessen, als Wärme in Wohn- und Geschäftsgebäuden oder als Kraftstoff für Langstrecken- und schwere Nutzfahrzeuge im Bereich der Mobilität.
2. Aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff kann als Energieträger eine besonders wertvolle Lösung in Bereichen sein, die sonst nur schwer zu dekarbonisieren sind. Beispielsweise in der Chemie- und Zementindustrie sowie in der besonders energieintensiven Stahlindustrie, in der Hochöfen eingesetzt werden, die mit Kohle als fossilem Energieträger betrieben werden.
3. Wasserstoff kann zu einem brauchbaren Speichermedium für überschüssige erneuerbare Energien werden. Aus Wind und Sonne gewonnener Strom, der nicht sofort produktiv genutzt werden kann, würde nicht verloren gehen, sondern für die Produktion von Wasserstoff genutzt werden. Es kann gespeichert und bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen bzw. transportiert werden. Ein weiteres Potential liegt in der direkten Herstellung von Wasserstoff mit erneuerbaren Energien. So können beispielsweise Offshore-Windparks anstelle von Strom Wasserstoff klimaneutral produzieren und ihn ohne Umwege für den Verbrauch zur Verfügung stellen. So ermöglicht Wasserstoff, das Energiesystem flexibler zu gestalten und die Abhängigkeit von konventionellen, grundlastfähigen Kraftwerken weiter zu verringern.

Wasserstoff steht in der Regel immer mit anderen Elementen in Verbindung. Er findet sich als Element unter anderem in Wasser, Erdgas oder Erdöl. Um reinen, ungebundenen Wasserstoff als Energieträger herzustellen, muss er mit Hilfe von Energie und speziellen Verfahren abgespalten werden. Leistungshalbleiter von Infineon unterstützen schon heute die klimaneutrale Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse, indem sie eine energieeffiziente Bereitstellung von Strom ermöglichen. Folgende Verfahren werden für die Herstellung von Wasserstoff angewendet:

1. Elektrolyseverfahren
   Bei der Elektrolyse wird Wasser in einem Elektrolyseur unter Einsatz von elektrischer Spannung in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (H₂O = zwei Wasserstoffatome, ein Sauerstoffatom). In diesem Verfahren bilden sich am negativ geladenen Pol Wasserstoffmoleküle, die aufgefangen werden. Am positiv geladenen Pol bildet sich Sauerstoff. Gleichzeitig wird die elektrische Energie, die bei der Herstellung eingesetzt wird, in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert.
2. Methanpyrolyse
   In diesem Verfahren wird Methan als Hauptbestandteil von Erdgas (CH₄) in einem Hochtemperaturreaktor unter Sauerstoffausschluss in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten. Während der abgespaltene Wasserstoff zur Nutzung oder Speicherung weitertransportiert wird, wird das verbliebene Kohlenstoffpulver (C) als Nebenprodukt in Form eines festen Granulats gelagert und später als Rohstoff wiederverwendet. Emissionen gelangen so nicht in die Umwelt, sondern werden im Granulat gebunden.
3. Reformierungsverfahren
   Eines der heute am weitesten entwickelten und effizientesten Verfahren ist die Reformierung: Kohlenwasserstoffen, wie zum Beispiel Erdgas (CH₄), wird unter der Zugabe von Wasserdampf oder Biogas der Wasserstoff entzogen – die sogenannte Dampfreformierung. Das bei der Herstellung des Wasserstoffs entstandene CO₂ kann in unterirdischen Lagerstätten gelagert werden. Dieser Vorgang wird als CCS bezeichnet (Carbon Capture and Storage). Es wird in besonders gut geeignete Gesteinsschichten verpresst, vermischt sich langfristig, mineralisiert mit der Zeit und führt so zu einer Dekarbonisierung des Verfahrens. Eine weitere Möglichkeit ist die Weiterverwendung, welche als CCU bezeichnet wird (Carbon Capture and Utilization): Das entstandene CO₂ wird als chemischer oder industrieller Rohstoff bereitgestellt und trägt zur Dekarbonisierung der Produktion bei. Eine Weiterverwendung in der Kreislaufwirtschaft ersetzt und reduziert somit den Einsatz von fossilen Ressourcen.

Eine besondere Bedeutung nehmen je Verfahren die dabei entstehenden oder auch nicht entstehenden Emissionen von Treibhausgasen ein. Man spricht je nach Umweltfreundlichkeit und Produktionsweise des Wasserstoffs von folgenden Farben: grün, blau, türkis und grau.

Grüner Wasserstoff entsteht beispielsweise in Elektrolyseverfahren, die bei der Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie CO₂-neutral arbeiten. Da hierbei keine Treibhausgase entstehen, spricht man von grünem Wasserstoff. Weitere Möglichkeiten, grünen Wasserstoff zu erzeugen, bestehen in der Vergasung und Vergärung von Biomasse sowie der Reformierung von Biogas.

In der Chip-Produktion bei Infineon ist eine klimaneutrale Herstellung von grünem Wasserstoff als Träger- und Prozessgas ein nachhaltiges Ziel. Bereits seit 2021 wird hierfür mit dem Bau der ersten Elektrolyseanlage zur Vor-Ort-Produktion am Standort Villach, in Österreich, gearbeitet. Ein wichtiger Schritt, um die ressourcenschonende Produktion in der Halbleiterindustrie voranzutreiben.

Blauer Wasserstoff entsteht im Reformierungsverfahren, wenn das bei der Herstellung entstehende CO₂ gespeichert oder weiterverwendet wird und somit nicht in die Umwelt gelangt. Die Speicherung wird als CCS bezeichnet (Carbon Capture and Storage): Das entstandene CO₂ wird aufgefangen und zum Beispiel in geologischen Lagerstätten gespeichert. Durch das Speichern gilt blauer Wasserstoff in seiner Herstellung bilanziell als klimaneutral.

Türkiser Wasserstoff entsteht bei der Methanpyrolyse. Anstelle von CO₂ bildet sich fester Kohlenstoff als Nebenprodukt, welches als Rohstoff weiterverwendet werden kann. Genau wie bei der Weiterverwendung des im Reformierungsverfahren entstandenen CO₂, kann der feste Kohlenstoff zur Dekarbonisierung der Produktion im industriellen Bereich beitragen, indem er den Einsatz fossiler Rohstoffe kompensiert. Wenn die Energie für den Hochtemperaturreaktor bei der Herstellung zudem aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, gilt das Verfahren als klimaneutral.

Grauer Wasserstoff entsteht im Elektrolyse- oder Reformierungsverfahren, wenn für die Herstellung fossile Rohstoffe eingesetzt werden. Das bei der Produktion entstehende CO₂ wird ohne weitere Nutzung in die Atmosphäre abgegeben. Produziert man eine Tonne Wasserstoff, entstehen dabei rund zehn Tonnen CO₂. Aufgrund der klimaschädlichen Herstellung spricht man daher von grauem Wasserstoff.

Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle bzw. ein elektrochemischer Apparat, welcher die Energie einer chemischen Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt. Für die Erzeugung werden ein kontinuierlich zugeführter Brennstoff und ein Oxidationsmittel benötigt – beispielsweise Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂). In diesem Fall spricht man von einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Darüber hinaus sind weitere Brennstoffe wie Methanol, Ethanol, Erdgas oder Butan zur Energiegewinnung geeignet.

Im Aufbau besteht eine Brennstoffzelle aus zwei Elektroden: einer Anode und einer Kathode, die von einem dazwischenliegenden Elektrolyten getrennt werden. Um in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle einen Stromfluss zu erzeugen, werden Wasserstoff und Sauerstoff ohne Unterbrechung von außen in den Kreislauf zugeführt. An der Anode wird der Wasserstoff in seine Bestandteile aufgespalten. Hierbei gibt jedes Wasserstoffatom ein negativ geladenes Elektron ab, welches über einen elektrischen Leiter zur Kathode gelangt. In diesem Schritt wird die im Wasserstoff gespeicherte Energie als Strom und Wärme freigegeben: So entsteht der elektrische Strom für den Antrieb eines Elektromotors. Zurück bleiben positiv geladene Wasserstoffionen (H+), die durch den Elektrolyten ausströmen. Gleichzeitig werden an der Kathode Sauerstoffmoleküle zugeführt, die sich ebenfalls in ihre Bestandteile aufspalten. Die positiv geladenen Sauerstoffionen nehmen jeweils zwei Elektronen auf, sodass negativ geladene Sauerstoffionen entstehen und sich zusammen mit den Wasserstoffionen anschließend Wasser bildet (H₂O). Dieses wird als unschädliches „Abgas“ in Form von Wasserdampf freigesetzt. So gelingt mit Wasserstoff zur Energiegewinnung ein klimaneutrales Verfahren.

Für den motorisierten Individualverkehr nutzt ein Großteil der Menschen derzeit Fahrzeuge, die mit fossilen Energieträgern betrieben werden. Weltweit betrugen die Kohlendioxid-Emissionen im Jahr 2018 durch den Straßenverkehr rund 18 %. Als Teil eines umweltfreundlicheren Verkehrssektors ist neben batteriegestützter Elektromobilität die Entwicklung der Wasserstofftechnologie ein Schlüssel zur nachhaltigen Verringerung der Gesamtemissionen. Infineon unterstützt als Marktführer bei automobilen Halbleitern und als Vordenker für die Elektromobilität bereits heute den Weg der Automobilindustrie in eine klimafreundliche und kohlenstofffreie Zukunft. Auch im Bereich der Wasserstoff-Brennstoffzellen bietet Infineon Leistungshalbleiterlösungen für die effiziente Nutzung von grünem und blauem Wasserstoff an.

Im Verkehr auf der europäischen Schiene ist der Personenzug „Coradia iLint“ des französischen Unternehmens Alstom ein Vorzeigeprojekt für einen erfolgreichen sowie marktreifen Fahrbetrieb mithilfe von Brennstoffzellentechnologie.

Wenn man auf die Potenziale in den verschiedenen Fahrzeugsegmenten blickt, wird der Wasserstoffantrieb für schwere Last- und Nutzfahrzeuge auf längeren Strecken eine bevorzugte Alternative zum Antrieb mit fossilen Brennstoffen sein. Auch auf hoher See kann der Antrieb mit Wasserstoff beispielsweise für Frachtschiffe eine umweltfreundliche Alternative sein. Bereits heute existieren leistungsfähige Brennstoffzellenfahrzeuge, die hohe Reichweiten von bis zu 700 Kilometern ermöglichen: Doch vor allem für leichte Nutz- und Personenfahrzeuge mit Reichweiten von bis zu 400 km werden zukünftig rein batterieelektrische Antriebe die erste Wahl sein, während für schwerere und reichweitenstärkere Fahrzeuge der Wasserstoffantrieb eine sinnvolle Alternative bietet. Wir bei Infineon sind überzeugt, dass beide Antriebsarten notwendig sind, um die globalen CO₂-Reduktionsziele zu erreichen.

Ein Brennstoffzellenauto nutzt Wasserstoff als Kraftstoff für den elektrischen Antrieb – die Technologie wird auch als Wasserstoffmobilität bezeichnet. Bei der Energiegewinnung entstehen keine Emissionen und als Abgas entsteht lediglich Wasserdampf. Die Anzahl der Wasserstoffautos großer Automobilunternehmen ist heute noch überschaubar. In puncto Reichweite von Wasserstoffautos kann beispielsweise der SUV „Nexo“ von Hyundai mit einer Tankfüllung über 700 km zurücklegen. Der Verbrauch liegt bei rund 0,9 kg Wasserstoff pro 100 km. Der Trend zur Wasserstoffmobilität geht deutlich nach oben und wird 2022 beispielsweise durch „Toyota Motor Europe“ mit dem Bau eines neuen Brennstoffzellenwerks in Europa vorangetrieben. Auch weitere Hersteller haben aktive Entwicklungsprogramme, zum Beispiel BMW, Honda, Mercedes-Benz oder Renault.

Ein deutlicher Unterschied zwischen den beiden Antriebstechnologien besteht im Gesamtwirkungsgrad von der Kraftstoffquelle bis zu den Fahrzeugrädern. Dabei wird die gesamte Wirkungskette für die Fortbewegung von der Gewinnung und Bereitstellung der Antriebsenergie bis zur Umwandlung in kinetische Energie, also Bewegungsenergie, untersucht. Bei Verbrennungsmotoren werden 17 % (Benzin) bis 19 % (Diesel) der Energie in Bewegungsenergie umgewandelt – der Rest in thermische Energie, also Wärme. Zum Vergleich: Beim Brennstoffzellenantrieb liegt der Gesamtwirkungsgrad bei circa 32 %. Bei Fahrzeugen mit reinem Elektroantrieb besteht ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Primärenergie, die zur Stromerzeugung verwendet wird, und dem Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs. Wird der Strom zum Laden der Fahrzeugbatterie, wie zum Beispiel in Norwegen, zum überwiegenden Teil aus Wasserkraft erzeugt, so liegt der Gesamtwirkungsgrad bei über 60 %. Werden hingegen überwiegend fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung verwendet, sinkt der Gesamtwirkungsgrad des reinen Elektrofahrzeugs auf Werte, die besser als bei Verbrennungsmotoren sind, jedoch kaum über denen von Brennstoffzellenfahrzeugen liegen.

Für den Vergleich zwischen Brennstoffzellenantrieben und rein batterieelektrischen Antrieben bietet es sich an, die Wirkungskette von der Ladestation bzw. des Wasserstofftanks bis zu den Rädern zu betrachten. Wie bereits erwähnt, handelt es sich in beiden Fällen um einen elektrischen Antrieb – mit dem Unterschied, dass die Wirkungskette bei Brennstoffzellenantrieben vergleichsweise länger ist und zusätzliche elektrische Energie während der Fahrt erzeugt wird. Die Energieumwandlung erfolgt bei der Brennstoffzelle über mehr Zwischenstufen, was zu einem Gesamtwirkungsgrad von circa 48 % führt. Die restliche Energie wird überwiegend in thermische Energie umgewandelt. Im Gegensatz dazu beträgt der Wirkungsgrad bei rein batterieelektrischen Antrieben circa 75 %. Mehr zum Thema Elektromobilität erfahren Sie in unserem Beitrag: „ Guide E-Mobilität: Alles, was Sie wissen müssen“.

Der geringere Wirkungsgrad von Brennstoffzellenantrieben hat jedoch den Vorteil, dass die zusätzliche thermische Energie in kälteren Jahreszeiten zum Heizen der Fahrgastzelle zur Verfügung steht. Und dies im Gegensatz zum rein batterieelektrischen Fahren ohne schmerzhafte Einbußen bei der elektrischen Reichweite. Auch beim Kaltstartverhalten bei niedrigen Temperaturen punktet somit der Wasserstoffantrieb.
Bei der Entscheidung für die jeweilige Antriebslösung spielen neben der Effizienz auch Überlegungen hinsichtlich des Bauraums und des Gewichts eine wesentliche Rolle. So zeigen Studien von „AVL“ und „Ricardo“, dass der Brennstoffzellenantrieb beispielsweise für einen Lkw mit 44 Tonnen zulässigem Gesamtgewicht und einer Reichweite von 800 km nach diesen Kriterien die beste Antriebslösung ergibt. Der reine Dieselantrieb punktet hingegen bei größeren Reichweiten, wobei der rein batterieelektrische Antrieb sowohl in Bezug auf den verbleibenden Laderaum als auch der verbleibenden Zuladung in diesen Studien am schlechtesten abschneidet.

Bei diesen Vergleichen muss jedoch berücksichtigt werden, dass man bei Wasserstoffantrieben noch ganz am Anfang eines neuen Innovationszyklus steht. So lassen sich beispielsweise durch neue Verbundwerkstoffe deutlich bessere Wasserstofftanklösungen finden. Und in Bezug auf den Gesamtwirkungsgrad bietet es sich an, die Vorteile von Brennstoffzellen durch den Einsatz als „Range Extender“ mit den Vorteilen des rein batterieelektrischen Antriebs zu verbinden. Auf kurzen und mittleren Strecken wird dabei die notwendige Antriebsenergie allein durch die Antriebsbatterie gespeist und für längere Strecken (oder auch beim Überholen) wird zusätzliche Energie durch die Brennstoffzellen zu Verfügung gestellt.

Bei einem Wasserstoffantrieb mit Brennstoffzellen wird der Brennstoff in Form von Wasserstoff und Sauerstoff kontinuierlich dem Zellenblock zugeführt, ähnlich der Zuführung von Benzin- oder Dieselkraftstoffen bei Verbrennungsmotoren. Batterien für den Betrieb von Elektromotoren hingegen unterscheiden sich in der Nutzungsweise: Sie wandeln zur Erzeugung von Elektrizität chemische Energie um, die im Zellenblock gespeichert ist. Mehr zum Thema Batterien erfahren Sie in „ Battery Management System – Steuerung von Batterien“.

Ein Vorteil von Brennstoffzellen ist, dass sie über lange Zeit einen kontinuierlichen Betrieb ohne zwischenzeitliches Aufladen elektrischer Energie ermöglichen. Zudem ist der zeitliche Aufwand des Nachtankens von Wasserstoff – vergleichbar zu heutigen Verbrennungsmotoren – geringer als beim Aufladen einer Batterie.

Der Aufbau einer breitflächigen Wasserstoff-Infrastruktur für die Mobilität ist eine der größten Herausforderungen für die stärkere Nutzung und Etablierung der Wasserstoffmobilität. Die Tankmöglichkeiten sind heute noch begrenzt: Das Tankstellennetz besteht in Deutschland aus rund 100 Wasserstofftankstellen bzw. H₂-Tankstellen, die sich überwiegend im Umkreis großer Städte befinden. Unterstützt durch eine Arbeitsgemeinschaft mehrerer Industrieunternehmen sollen sie bis 2025 auf rund 400 erweitert werden. Der Stand der aktuellen Infrastruktur verdeutlicht, dass sich die Wasserstoffmobilität noch im Entwicklungsstadium befindet. Autohersteller wie MAN und Hyundai arbeiten bereits an wasserstoffbetriebenen Lkw-Baureihen, die von dieser Entwicklung profitieren werden.

Im Bereich von schweren Nutzfahrzeugen wie Lkws oder Bussen, die regelmäßig lange Strecken fahren, kann der Antrieb mit Wasserstoff ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung sein. Aufgrund des niedrigen Gewichts von Wasserstoff im Vergleich zum Batteriegewicht, der schnellen Betankung in wenigen Minuten und der höheren Reichweite gegenüber rein batteriebetriebenen Elektromotoren ermöglichen Wasserstoffantriebe ein effizientes Fahren.

Damit Wasserstoff zukünftig eine wichtige Schlüsselrolle im umweltfreundlichen Energiemix und der Dekarbonisierung der Wirtschaft einnehmen kann, muss in hohem Maß in die Versorgungskapazität und -sicherheit investiert werden. Dazu gehört unter anderem ein schneller Ausbau der Infrastruktur, erneuerbarer Energien sowie der massive Aufbau von Elektrolysekapazitäten, um in puncto Kosten gegenüber fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Aktuell gibt es in der Industrie und dem Verkehr einen Bedarf an CO₂-neutral hergestelltem, grünen Wasserstoff, den Deutschland mit seiner Herstellung von klimaneutralem Strom noch nicht aus eigener Kraft erfüllen kann. Eine weltweite Vernetzung und der Ausbau der Produktionskapazitäten von grünem Wasserstoff wird hierbei ein Teil der Lösung sein. Darüber hinaus bedarf es an Verbesserungen im Transport und der Speicherung von Wasserstoff, um Energieverluste nachhaltig zu minimieren.

Wir bei Infineon stehen bereit, diesen Wandel zu unterstützen. Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten und Herausforderungen in unserem „Infineon Paper on Hydrogen Economy“.

Letzte Aktualisierung: August 2022