Grüner Wasserstoff: Energiequelle der Zukunft
Warum Wasserstoff die Energiewende voranbringt
Erneuerbare Energien aus Wind und Sonne schwanken – so wie eben auch der Wind und die Sonneneistrahlung. Doch Stromnetze laufen nur dann stabil, wenn die Einspeisung und der Verbrauch zu jedem Zeitpunkt übereinstimmen. Im Gasnetz hingegen spielen kleinere Druckschwankungen keine Rolle: Das Netz selbst ist ein großer Speicher und gleicht Schwankungen mühelos aus. Eine Kopplung der Netze für Gas und Strom ist daher technisch wie wirtschaftlich und ökologisch gleichermaßen sinnvoll. Denn Strom lässt sich in Wasserstoff wandeln und beliebig im Gasnetz zwischenspeichern. Das bietet für energieintensive Industrien die Möglichkeit, saubere Energie immer dann zu nutzen, wenn sie gebraucht wird.
Mehrere Unternehmen arbeiten im Hamburger Wasserstoffverbund bereits daran, das grüne Gas zu erzeugen, zu importieren und in energieeffizienten Produktionsprozessen und in der Logistik einzusetzen. Künftig soll es aber auch in BHKWs, Brennstoffzellen oder Großkraftwerken für die bedarfsgerechte Stromproduktion genutzt werden. Weitere Anwendungen bei Verkehr oder in Gebäuden sind derzeit in der Erprobung. In Hamburg werden dabei die Akteure vom Hamburger Wasserstoff-Industrie-Netz HH-WIN profitieren, das die Hamburger Energienetze in den nächsten Jahren errichten.
Unsere Wasserstoff Forschungsprojekte
mySMARTLife: Wärme aus Wasserstoff
Wie kann die Energieversorgung in Städten klimafreundlicher, resilienter und zukunftsfähig gestaltet werden? Mit dieser Frage befasste sich das EU-geförderte Forschungsprojekt mySMARTLife, in dem europaweit innovative Lösungen für nachhaltige Stadtquartiere erprobt wurden. Auch die Hamburger Energienetze waren Teil des Projekts und sammelten dabei wertvolle Erkenntnisse für die Wärmeversorgung von morgen.
Im Hamburger Quartier „Am Schilfpark“ in Bergedorf wurde im Rahmen von mySMARTLife der Wasserstoff-Mischbetrieb einer bestehenden Energiezentrale erfolgreich umgesetzt. Über ein Nahwärmenetz konnten 273 Wohnungen mit Heizenergie und warmem Wasser versorgt werden. Die Wärme lieferten zwei Blockheizkraftwerke sowie zwei Spitzenlastkessel.
Die ursprünglich für die Nutzung von Erdgas ausgelegte Energiezentrale lief dabei mit einem Wasserstoffanteil von bis zu 30 Prozent – ohne technische Einschränkungen oder Beeinträchtigungen der Versorgungssicherheit. Für diesen innovativen Ansatz wurde das Projekt im Jahr 2023 mit dem Eurocities Award in der Kategorie „Managing the energy crisis sustainably“ ausgezeichnet.
H2-SWITCH100: Erdgasleitungen fit für Wasserstoff machen
Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende, vor allem für Industrie und Wirtschaft. Welche Rolle er jedoch künftig in der Wärmeversorgung von Privathaushalten spielen kann, ist bisher kaum erforscht. Genau hier setzte das Pilotprojekt H2-SWITCH100 an.
Von 2023 bis 2025 wurde in Hamburg-Harburg untersucht, ob bestehende Erdgasleitungen grundsätzlich für den Betrieb mit Wasserstoff geeignet sind. Die Hamburger Energienetze prüften dazu die Materialien und Komponenten von insgesamt 16 Haus- und Gewerbeanschlüssen sowie das im Projektgebiet verlaufende Niederdruck-Gasnetz unter realen Bedingungen. Dabei wurde bewusst ein Gebiet ausgewählt, in dem Materialien und Komponenten unterschiedlichen Alters verbaut sind.
Das Ergebnis: Die Machbarkeit einer vollständigen Umstellung von einer Erdgasversorgung auf Wasserstoff konnte erfolgreich nachgewiesen werden. Technisch ist eine Umstellung von Netz und Anschlüssen mit geringem Aufwand möglich. Das Projekt liefert damit wichtige Erkenntnisse für die Bewertung künftiger Wasserstoffanwendungen im Wärmesektor – insbesondere dort, wo andere klimafreundliche Lösungen nur eingeschränkt umsetzbar sind, etwa in kaum sanierbaren Altbauten oder zur Deckung des gewerblichen Energiebedarfs.
Wissenswertes über Wasserstoff
Im Gasnetz fließt schon heute der größte Teil von Hamburgs Energie. Wasserstoff, chemisch H2 genannt, wird das Erdgasnetz zusammen mit anderen grünen Gasen zum Rückgrat der Hamburger Energiewende machen. Doch was charakterisiert Wasserstoff eigentlich? Wir haben einmal die wichtigsten Fakten für Sie zusammengestellt:
Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas, das aufgrund seiner natürlichen Eigenschaften Atompaare in Form von H2-Molekülen bildet. Es lässt sich durch Elektrolyse aus Wasser und Strom herstellen und sehr effizient in Rohrnetzen transportieren. Damit kann es – ähnlich wie Erdgas – in energieintensiven Industrieprozessen eingesetzt werden.
Die Industrie benötigt Wasserstoff zur Dekarbonisierung, da Hochtemperaturprozesse und chemische Verfahren nicht elektrisch betrieben werden können. Auch in der Mobilität ermöglicht Wasserstoff Antriebslösungen mit großer Reichweite, die derzeit für Schiffe, Flugzeuge und LKW in der Entwicklung sind. Das Hamburger Wasserstoff-Industrie-Netz schafft in diesem Zusammenhang einzigartige Chancen für die wirtschaftliche Entwicklung unseres Industriestandorts.
Die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind unglaublich vielseitig. Denn genau wie Erdgas ist Wasserstoff gleichzeitig chemischer Grundstoff als auch Energieträger.
In diesen Bereichen kommt Wasserstoff zum Einsatz:
- Ölraffinierung
- Chemische Industrie
- Eisen- und Stahlherstellung
- Bereitstellung von Hochtemperaturwärme
- Mobilität
- Gebäudewärme
- Erzeugung und Speicherung von Strom
Wasserstoff ist häufig einer Farbe zugeordnet: grau, blau, türkis oder grün. Diese bezieht sich auf die mit der Wasserstoffherstellung verbundenen Treibhausgasemissionen.
Das bedeuten diese Farben:
Grauer Wasserstoff
Grauer Wasserstoff wird mit fossilen Energiequellen hergestellt. Dieser Wasserstoff hat dieselbe Treibhausgasbilanz wie der fossile Energieträger, aus dem er hergestellt wurde. Häufigstes Beispiel ist die Dampfreformierung von Erdgas.
Blauer Wasserstoff
Blauer Wasserstoff wird mittels fossiler Energiequellen hergestellt, wobei bilanziell keine Treibhausgase freigesetzt werden. Entstehendes, gasförmiges Kohlenstoffdioxid wird abgetrennt und gespeichert oder für andere chemische Prozesse verwendet. Nur wenn das entstehende Treibhausgas dauerhaft gespeichert wird, oder wenn durch die Nutzung des Kohlenstoffdioxids in anderen Prozessen Kohlenstoffdioxid aus fossilen Quellen verdrängt wird, ist der Wasserstoff "echt" blau.
Türkiser Wasserstoff
Im Prinzip sind sich türkiser und blauer Wasserstoff sehr ähnlich. Der Unterschied ist, dass bei türkisem Wasserstoff als Nebenprodukt Kohlenstoff in fester Form anfällt, nicht gasförmiges Kohlenstoffdioxid. Das ermöglicht eine einfachere dauerhafte Speicherung. Oder besser gesagt macht das den Kohlenstoff für andere industrielle Anwendungen nutzbar. Nur wenn das entstehende Treibhausgas dauerhaft gespeichert wird, oder wenn durch die Nutzung des Kohlenstoffdioxids in anderen Prozessen Kohlenstoffdioxid aus fossilen Quellen verdrängt werden, ist der Wasserstoff "echt" türkis.
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff wird aus regenerativen Energiequellen hergestellt. Beim Herstellungsprozess werden keine Treibhausgase freigesetzt. Häufigstes Beispiel ist die Wasserelektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen.
Zunehmend wichtig und viel diskutiert wird neben der stofflichen Nutzung von Wasserstoff dessen Einsatz als Energieträger. Im Unterschied zur stofflichen Nutzung kommt es bei der energetischen Verwendung auf die Bereitstellung von Energie für industrielle Prozesse, Haushalte und Verkehr an. Aus technischer Sicht kann Wasserstoff universell eingesetzt werden und in vielen Sektoren gängige fossile Energieträger wie Erdöl, Kohle und Erdgas ersetzen.
Wasserstoff ist die Zukunft, weil grüner Wasserstoff ein wesentlicher und dauerhafter Bestandteil für nachhaltige Industrie- und Energieanwendungen sein wird. Investitionen in eine Wasserstoff-Infrastruktur sind daher nachhaltig – unabhängig von der Herkunft des Wasserstoffs während der Transition des Energiesystems. Wasserstoff ist deswegen keine Übergangslösung, sondern Energieträger der Zukunft!
Bei der Umwandlung von erneuerbarem Strom zu Wasserstoff und wieder zurück zu Strom fallen Verluste von rund 75 Prozent an. Demnach kann nur ein Viertel des zu Beginn vorhandenen Stroms am Ende der Umwandlungskette genutzt werden.
Für die Integration der teils stark schwankenden Leistung von Windenergie- und Photovoltaikanlagen gelten daher diese Grundprinzipien:
- Der aus erneuerbaren Energien gewonnene Strom wird über das Stromnetz transportiert und direkt genutzt, soweit es technisch möglich und die Stromnachfrage vorhanden ist.
- Sind die Netze ausgelastet und es wird weniger Strom nachgefragt als angeboten, soll die elektrische Energie mithilfe von Power-to-Gas-Anlagen transformiert, in Form von Gas weitertransportiert und in anderen Sektoren genutzt werden. So lässt sich das Wachstum der erneuerbaren Energien vom Ausbau der Stromnetze entkoppeln.
- Rein bei Versorgungsengpässen soll das grüne Gas wieder in Strom umgewandelt werden. Das wird jedoch voraussichtlich erst in Jahrzehnten notwendig sein.
Die Rückverstromung zur Stromspeicherung ist nur eine der möglichen Anwendungen aus einem breiten Portfolio von Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff. Kurzfristig wird der industrielle Einsatz zur stofflichen Nutzung eine bedeutendere Rolle spielen.
Wann immer es möglich ist, sollte Strom aus erneuerbaren Quellen direkt genutzt werden. Nur dann werden überflüssige Umwandlungsverluste vermieden. Allerdings steht erneuerbarer Strom nicht immer zur Verfügung. Weht nachts kein Wind, müssen Speicher und alternative Energieträger die Lücke schließen.
Das gelingt mit grünem Wasserstoff. Insbesondere die chemische Industrie mit ihrem hohen Bedarf an Kohlenwasserstoffen kommt nicht an grünem Wasserstoff vorbei, wenn sie ohne CO2-Emissionen agieren will. Auch für den Wärmesektor werden gasförmige, grüne Energieträger wichtig. Die aktuelle Studienlage zeigt, dass eine Bereitstellung der gesamten Wärmebedarfe in Deutschland mithilfe von Strom volkswirtschaftlich unwirtschaftlich ist verglichen zu den Lösungen mit Wasserstoff.
Die Nutzung von Wasserstoff ist nicht automatisch klimafreundlich, weil H2 auf verschiedene Arten erzeugt werden kann. Wenn Wasserstoff zur Energiewende beitragen soll, muss er mithilfe von erneuerbarem Strom hergestellt oder mithilfe von exotischeren klimaneutralen Technologien erzeugt werden.
Wird Wasserstoff etwa mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen per Elektrolyse erzeugt, fällt für die Herstellung von Wasserstoff praktisch kein Kohlenstoffdioxid an. Wird Wasserstoff hingegen aus der Reformierung von Erdgas gewonnen, wird wegen der Umwandlungsverluste bei der Reformierung bilanziell sogar mehr Kohlenstoffdioxid freigesetzt als bei der direkten Nutzung von Erdgas.
Die Internationale Energieagentur ging von einem weltweiten jährlichen Bedarf an reinem Wasserstoff von rund 73 Millionen Tonnen in 2019 aus. Das entspricht mehr als 800 Millionen Normkubikmetern oder einem Brennwert von über 2800 TWh. Zum Vergleich: Durch unser Hamburger Gasnetz fließen jährlich rund 20 TWh Erdgas (Brennwert). Hinzu kommt ein Bedarf an Wasserstoff in Mischgasen in Höhe von etwa 42 Millionen Tonnen. Insbesondere Wasserstoff als Reinstoff wird heute nahezu ausschließlich aus fossilen Energieträgern hergestellt.
Aktuell wird Wasserstoff meist stofflich verwendet und dient etwa als Grundstoff für die chemische Industrie. Die Nutzung als Energieträger wird aber in naher Zukunft eine signifikante Rolle einnehmen.
Wasserstoff als Reinstoff kommt in der Natur nur selten vor. Meist ist er gebunden, zum Beispiel in Wasser (H2O) oder Kohlenwasserstoffen wie Methan (CH4). Mit "Herstellung" von Wasserstoff meint man das Lösen solcher Bindungen und die Bereitstellung von molekularem Wasserstoff (H2).
Grundsätzlich lässt sich Wasserstoff auf viele verschiedene Arten herstellen. Die Herstellungsverfahren werden in drei Hauptgruppen unterteilt: Elektrolyse, biochemische Konversion und Thermische Konversion. Heute sind die relevantesten Herstellungsmethoden die Dampfreformierung (thermische Konversion) und verschiedene Elektrolyseverfahren.
In Zukunft wird die Herstellung von Wasserstoff mithilfe von Strom aus Sonne und Wind massiv an Bedeutung gewinnen.
Für die Speicherung von Wasserstoff gibt es folgende Möglichkeiten: die Druckgasspeicherung, die Flüssiggasspeicherung und eine Speicherung in gebundener Form.
Bei der Druckgasspeicherung wird Wasserstoff in Druckgefäßen in unterirdischen Kavernen oder auch in Rohrleitungen gelagert. Um den Platzbedarf des Gases zu reduzieren, werden die Gefäße in der Regel mit einem hohen Überdruck von teils mehreren hundert Bar beaufschlagt.
Noch weiter lässt sich der Platzbedarf von Wasserstoff durch Verflüssigung reduzieren. Für die Flüssiggasspeicherung sind Temperaturen von unter -253°C notwendig.
Bei der Speicherung von Wasserstoff in gebundener Form wird Wasserstoff an feste oder flüssige Trägermaterialien gebunden. Mit der Bindung von Wasserstoff an das Trägermaterial wird in der Regel Wärme frei. Dieselbe Wärmemenge muss dann auch wieder für die Ausspeicherung aufgewendet werden. Diese Systeme sind weitaus weniger etabliert, haben aber einen besonderen Charme, da der Platzbedarf von gebundenem Wasserstoff extrem niedrig ist.
Wasserstoff explodiert, wenn explosionsfähiges Gemisch aus Gas und Luft mit einer Zündquelle zusammenkommen. Wasserstoff verhält sich also hinsichtlich der Explosionsgefahr ähnlich wie Erdgas.
Bei den Hamburger Energienetzen betreiben wir unsere gastechnischen Anlagen immer mit Überdruck gegenüber der Atmosphäre – damit besteht in der Regel keine Gefahr, dass Luft in die Anlage eindringt. Es verhält sich eher andersherum: Im Schadensfall tritt Gas in die Umgebung aus, nicht umgekehrt. Wasserstoff ähnelt in dieser Hinsicht unserem vertrauten Medium Erdgas – und ist bei unserer Verwendung sicher.
Wasserstoff kann sicher eingesetzt werden, da er weder selbstentzündlich noch brandfördernd ist. Viele seiner physikalischen Eigenschaften sind sogar vorteilhafter für die Sicherheit als die von anderen Energieträgern. Darüber hinaus werden – wie im Erdgasbereich – alle Komponenten eines technischen Wasserstoffsystems mit höchster Sorgfalt hinsichtlich Sicherheit ausgelegt.
Wasserstoff ist nicht gefährlicher als Erdgas. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und Erdgas unterscheiden sich. Daraus resultieren auch verschiedene sicherheitstechnische Eigenschaften, die sich situationsbedingt positiv oder negativ auswirken können. Eine allgemeine Aussage über das Gefahrenpotenzial beider Gase lässt sich nicht pauschal treffen.
Wie im Umgang mit Erdgas müssen die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff bei Risikobeurteilung und Explosionsschutz stets berücksichtigt werden. Ein sicherer Betrieb von Wasserstoffanlagen und -leitungen nach dem Vorbild unserer bestehenden Erdgasanlagen und -leitungen ist realisierbar.
Bezogen auf das Volumen besitzt Wasserstoff etwa ein Drittel der Energiedichte von Erdgas. Also einen Heizwert von rund 3 kWh/m³. Bezogen auf das Gewicht hingegen besitzt Wasserstoff die höchste Energiedichte aller bekannten Brennstoffe. Sie ist fast dreimal so hoch wie die Energiedichte von Benzin und Diesel. Nicht zuletzt deswegen wird Wasserstoff als Treibstoff in der Raumfahrt eingesetzt.
Ja, auch Wasserstoff besitzt ein Treibhauspotenzial.
Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), ein Organ der Vereinten Nationen, untersucht unter anderem die physikalische Wirkung verschiedener Gase in der Atmosphäre und hat das Konzept des Global Warming Potential (GWP) entwickelt. Es zeigt das Treibhauspotenzial im Verhältnis zu Kohlenstoffdioxid (CO2) an. Weil Gase unterschiedlich lang in der Atmosphäre verweilen bevor sie abgebaut werden, bezieht sich das GWP immer auf einen definierten Zeitraum: auf 20 (GWP20) oder auch auf 100 Jahre (GWP100).
Erdgas hat ein GWP100 von 28, das Umweltbundesamt nennt für Wasserstoff ein GWP100 von 6.
In unserem bestehenden Hamburger Gasnetz sind im Laufe unserer langen Unternehmensgeschichte viele verschiedene Materialien und Bauteile zum Einsatz gekommen. Die wahrscheinlich größte Herausforderung bei der sukzessiven Erhöhung des Wasserstoffanteils im Netz sind und bleiben die ans Gasnetz angeschlossenen Gasverbraucher. Deswegen stimmen wir den Hochlauf der Wasserstoffanteile im Netz eng mit unseren Endverbrauchern ab.
Schon in der Vergangenheit hat die Stadt Hamburg die Umstellung von Stadt- auf Erdgas bravourös gemeistert. Wir sind überaus zuversichtlich, dass wir zusammen auch die nächste Herausforderung meistern.
In der Chemischen Industrie wird Wasserstoff seit mehr als 100 Jahren hergestellt und genutzt. 1808 kam es in London zum ersten großtechnischen Einsatz von Wasserstoff in der städtischen Beleuchtung. Die Erfahrungen zeigen, dass eine sichere Handhabung bei Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Wandlung möglich ist.