Wasserstoff: Leichter als Luft
So funktioniert's
Wasserstoff (H) ist das häufigste im Universum vorkommende Element – er ist Bestandteil des Wassers (H2O) und praktisch aller organischen Verbindungen.
Des Weiteren ist Wasserstoff das chemische Element mit der geringsten Atommasse. Der atomare Wasserstoff H kommt in unserem Alltag allerdings nicht vor, hingegen der molekulare Wasserstoff schon: H2, ein unsichtbares, farb- und geschmackloses sowie ungiftiges Gas (mehr zum chemischen Element auf Wikipedia). Es ist 14x leichter als Luft und hat eine sehr tiefe volumetrische Energiedichte (Energie pro m3). Wasserstoff enthält pro Masse sehr viel Energie (Brennwert), etwa 3x mehr als Benzin oder 7x mehr als Holzpellets.
Wasserstoff kann über diverse Wege gewonnen werden. Die heute weitverbreitetste Methode ist die Dampfreformierung von Erdgas. Dabei wird Erdgas (CH4) erhitzt, aufgespalten und reagiert mit dem Wasserdampf; es entsteht dabei sogenannter grauer Wasserstoff und es wird CO2 emittiert. Wird das anfallende CO2 eingefangen und permanent gelagert, nennt man den Wasserstoff blau und er ist entsprechend CO2 arm. Heute erfolgt dies sehr selten.
Grüner Wasserstoff: CO2-frei und klimaneutral
Eine weitere Methode verwendet Wasser und nicht Erdgas als Ausgangsstoff. Das Wasser wird mittels Elektrolyse in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Ist der dazu verwendete Strom erneuerbar, nennt sich der so gewonnene Wasserstoff grün. Im folgenden Film wird erklärt, wie grüner Wasserstoff hergestellt wird, welche Bedeutung er hat und wie sich Axpo in diesem Bereich einsetzt.
Da sowohl Transport wie auch Lagerung von Wasserstoff umständlich sind, kann dieser zu einfacher handzuhabenden Produkten weiterverarbeitet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, der Umgebungsluft Stickstoff zu entnehmen und den Wasserstoff mit diesem zu Ammoniak zu verarbeiten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, der Umgebung CO2 zu entnehmen und den Wasserstoff damit entweder zu Methan oder Methanol zu verwandeln. Diese Derivate können als Energieträger oder als chemische Ausgangsstoffe verwendet werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Wasserstoff wieder in Strom umzuwandeln, was im nächsten Abschnitt erklärt ist. Es ist jedoch hervorzuheben, dass jeder Umwandlungsschritt mit Effizienzverlusten verbunden ist.
Umwandlung in Elektrizität
Die erneute Umwandlung von Wasserstoff in Elektrizität kann entweder thermomechanisch erfolgen oder in einer Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Apparat zur direkten Umwandlung der chemischen Energie eines Brennstoffs in Elektrizität.
Ähnlich wie Batterien produzieren Brennstoffzellen Gleichstrom bei niedriger Spannung. Eine Batterie verbraucht dabei einen chemischen Stoff, der in dem Zellenblock selbst enthalten ist. Bei den Brennstoffzellen dagegen wird der Brennstoff dem Zellenblock kontinuierlich zugeführt, ähnlich wie Benzin- oder Dieselkraftstoff bei einem Verbrennungsmotor.
Unser Wasserstoff
Axpo möchte den Aufbau der Wasserstoff-Wirtschaft in der Schweiz aktiv vorantreiben. Hierzu sind Kompetenzen in der Projektierung von H2-Produktionsanlagen, ihrem Betrieb, der Einsatzoptimierung und der Vermarktung des Wasserstoffs erforderlich. Axpo tritt als Produzentin von grünem Wasserstoff auf und setzt zudem ihr Know-How als kompetente Projektpartnerin ein.
Axpo unterstützt bestehende Schweizer Verbraucher des grauen Wasserstoffs beim Wechsel hin zu grünem Wasserstoff und sucht aktiv nach Partnern. Zudem plant Axpo die Herstellung und den Import von CO2-freien Wasserstoffderivaten und nimmt eine führende Projektrolle ein.
Axpo verfolgt mehrere Projekte in der Schweiz und Europa. Mehr Informationen zu unseren Projekten Italien, Frankreich oder Island finden Sie auf unserer Gruppen-Seite
Kraftwerk Reichenau (2,5 MW)
Nach dem Baubewilligungsverfahren haben Axpo und Rhiienergie am 23. Januar 2023 die Bauarbeiten der 2.5 MW-Wasserstoffproduktionsanlage beim Wasserkraftwerk Reichenau begonnen. Die Anlage wird direkt ans Wasserkraftwerk Reichenau angeschlossen, an welchem Axpo eine Mehrheitsbeteiligung hält. Sie wird mit Schweizer Wasserkraft jährlich bis zu 350 Tonnen grünen Wasserstoff produzieren. Das entspricht rund 1,5 Millionen Liter Dieseltreibstoff, der künftig im Kanton Graubünden und im angrenzenden Rheintal eingespart werden kann. Der in Domat/Ems produzierte grüne Wasserstoff leistet einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung und kann sowohl zu Industriekunden, als auch Tankstellen geliefert werden. Die Inbetriebnahme ist für Anfang 2024 geplant. Axpo und Rhiienergie investieren gemeinsam einen Betrag im höheren einstelligen Millionenbereich in die Anlage im Kanton Graubünden.
Axpo und SGV planen Wasserstoff-Passagierschiff auf dem Vierwaldstättersee
Axpo beteiligt sich an der H2Uri, welche in Bürglen (UR) eine Wasserstoffproduktionsanlage baut. Zusammen mit der Schifffahrtsgesellschaft des Vierwaldstättersees SGV AG soll künftig mit dem regional produzierten Wasserstoff unter anderem ein Wasserstoff-Passagierschiff auf dem Vierwaldstättersee betrieben werden. Neben Axpo und der SGV sind auch EWA-energieUri und die AVIA Schätzle an der H2Uri AG beteiligt. Die Wasserstoffproduktionsanlage im Kanton Uri wird voraussichtlich ab 2025 lokal Wasserstoff produzieren. Dieser wird dann unter anderem für den Betrieb des ersten Wasserstoff-Passagierschiffs auf dem Vierwaldstättersee verwendet. Das SGV-Schiff «MS Saphir» soll ab Herbst 2025 auf ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-System umgerüstet werden.
Kraftwerk Wildegg-Brugg (bis 15 MW)
Am Industriestandort Wildischachen in Brugg (AG) soll eine weitere klimafreundliche Wasserstoffproduktionsanlage entstehen, die gleichzeitig die grösste Wasserstoffanlage der Schweiz wird. Axpo, Voegtlin-Meyer, die IBB Energie AG (IBB) und die Stadt Brugg haben entsprechende Absichtserklärungen unterzeichnet. Axpo plant, sauberen Wasserstoff aus einheimischer Wasserkraft direkt via Pipeline zur nahegelegenen Tankstelle von Voegtlin-Meyer zu liefern. Von dort aus wird der grüne Wasserstoff privaten Nutzern zur Verfügung gestellt und für die im Auftrag der PostAuto AG be-triebenen Busse eingesetzt werden. Mit der produzierten Menge können jährlich rund 300 Lastwagen, Postautos oder Busse betrieben werden.
43-Prozent-Beteiligung an Swiss Green Gas International
Axpo ist zu 43% an Swiss Green Gas International, kurz SGGI, beteiligt. Das 2020 gegründete Gemeinschaftsunternehmen plant und realisiert Power-to-X-Anlagen in Nordeuropa (mehr zur Power-To-X auf Wikipedia). Die Anlagen erzeugen aus erneuerbarem Strom Wasserstoff und synthetisches Methan (grünes Gas). Damit soll der dringend beschleunigte Ausstieg aus den fossilen Energieträgern gefördert werden. Weitere Aktionäre von SGGI sind Holdigaz, die vorwiegend die Kantone Waadt, Wallis und Freiburg mit Gas versorgt, und Nordur Group, eine Entwicklungs- und Investitionsgesellschaft.
Welche Lösungen Axpo ihren Kunden anbietet, sind im Kunden-Bereich zu sehen.
White Paper: Rolle und Potenzial von Wasserstoff in der Schweiz
Axpo zeigt im White Paper mit konkreten Zahlen die Wirtschaftlichkeit und Einsatzmöglichkeiten des Energieträgers auf. Das Dokument nimmt ausserdem die zentralen Herausforderungen der Wasserstoffwirtschaft in der Schweiz auf.
- White Paper im PDF-Format View Send email Download
Wasserstoff von A-Z
Wie Strom ist auch Wasserstoff nicht per se grün. Je nach Herstellungsart wird der Wasserstoff anders benannt. Unten findet ihr die wichtigsten Antworten zu den verschiedenen Wasserstoff-Farben.
Die wichtigsten Antworten zu Wasserstoff
Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Wind- und Solarenergie eingesetzt. Grüner Wasserstoff ist deshalb CO2-frei und von grosser Bedeutung, weil er klimaneutral ist und zur Dekarbonisierung beitragen kann.
Grauer Wasserstoff wird mittels Dampfreformierung meist aus Erdgas hergestellt. Dabei entstehen rund 10 Tonnen CO2 pro Tonne Wasserstoff (siehe Factsheet, PDF). Das CO2 wird ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Dampfreformierung ist der in Europa meist verbreitete Prozess.
Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Entstehung das CO2 teilweise abgeschieden und im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage).
Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Das Verfahren der Methanpyrolyse befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.
Gelber Wasserstoff ist Wasserstoff, der sich aus dem Strommix im bestehenden Netz zusammenstellt. In der Schweiz ist dies Strom hauptsächlich aus Wasser- und Kernkraft.
Pinker Wasserstoff wird mit Strom aus Kernkraft hergestellt. Kernkraft ist im Betrieb nahezu CO2 frei, aber ihre Energiequelle nicht erneuerbar.
Einsatzmöglichkeiten
Wasserstoff ist grob gesagt aus zwei Gründen interessant, einerseits als chemischer Grundstoff und zweitens als Energieträger. Heute wird Wasserstoff fast ausschliesslich als chemischer Grundstoff (z.B. für die Produktion von Düngemittel oder in Raffinerien) eingesetzt.
In Bezug auf die Dekarbonisierung sind folglich zwei Aspekte anzugehen:
- In den bestehenden Anwendungen muss der graue Wasserstoff mit klimaneutralem Wasserstoff ersetzt werden.
- Sein Potential als Energieträger muss genutzt werden.
Wasserstoff ist somit für die Energiewende unumgänglich. Erstens erlaubt er es, schwer zu elektrifizierende Bereiche wie den Transport (z.B. Gütertransport, Schiff- und Flugverkehr) zu entkarbonisieren. Zweitens kann er als Energieträger dazu dienen, Strom aus erneuerbaren Energien zu lagern und in Form von Derivaten über lange Strecken zu transportieren. Dies erlaubt die Produktion erneuerbarer Energie an den günstigsten Standorten und die zeitliche Entkopplung vom Verbrauch.
Nicht überall gleich sinnvoll
Wasserstoff soll dort zum Einsatz kommen, wo eine Elektrifizierung als Ersatz fossiler Energieträger nicht wirtschaftlich oder prozesstechnisch nicht möglich ist.
Ein paar Beispiele
Eine energetisch sinnvolle Herstellung aus Wasserstoff ist Ammoniak. Die Verbindung von Wasser- und Stickstoff wird vor allem als Düngemittel eingesetzt, aber auch in der Chemieindustrie beispielsweise zur Kunststoffproduktion.
Auch zur Erzeugung von Industriewärme eignet sich Wasserstoff – also die zum Be-trieb von Maschinen oder für chemische Prozesse nötige hohe Hitze, die laut Internationaler Energieagentur IEA zwei Drittel des industriellen Energiebedarfs ausmacht und bisher praktisch komplett aus fossilen Brennstoffen stammt.
Ein weiteres Beispiel ist die Stahlproduktion, wo grosse Mengen an CO2 anfallen: Um Stahl aus Erz zu lösen, soll Wasserstoff statt der heute genutzten Kokskohle eingesetzt werden.
Auch dort, wo lange Distanzen zurückgelegt werden müssen, gilt Wasserstoff als Option. Der Flugzeugkonzern Airbus etwa plant, ab 2035 Wasserstoff-Flugzeuge in Serie zu produzieren. Weiter kann Wasserstoff das Schweröl in Schiffen oder den Diesel in Lastwagen ersetzen. Bei PKWs dürfte sich der Einsatz von Wasserstoff eher nicht rechnen.
Und: Mit Wasserstoff und seiner Speicherfähigkeit in Form seiner Derivate lassen sich Angebot und Nachfrage beim Strom ausgleichen, die mit dem Ausbau der erneuerba-ren Energien vermehrt in Einklang gebracht werden müssen – ein Beitrag zur Versorgungssicherheit mit Strom.
