Elektrolyse & Wasserstoff

Deutschland produziert jährlich rund 4 Millionen Tonnen Wasserstoff — fast ausschließlich aus Erdgas. 95 % davon sind „grauer Wasserstoff": billig, aber mit ~10 kg CO₂ pro kg H₂ verbunden. Die Idee des grünen Wasserstoffs klingt simpel: Man nimmt Wasser und Strom aus Wind oder Sonne — und bekommt H₂.

Der Haken: Um den deutschen H₂-Bedarf vollständig auf grünen Strom umzustellen, bräuchte man heute rund 600 TWh Strom pro Jahr — mehr als Deutschlands gesamter jährlicher Stromverbrauch. Das macht deutlich, warum Elektrolyse kein Allheilmittel ist, aber in bestimmten Sektoren alternativlos bleibt.

Stahl braucht kein Elektron, um seinen Sauerstoff loszuwerden — es braucht ein Reduktionsmittel. Heute ist das Koks (Kohlenstoff). Morgen soll es Wasserstoff sein. Batterien funktionieren als Lösung für Stundenlasten gut — aber für monatelange Dunkel-Flauten? Dann hilft nur ein Speicher, der sich in unterirdischen Salzkavernen über Monate hält.

Elektrolyse zerlegt Wasser mit elektrischem Strom in seine Bestandteile. An der Kathode (negativ geladen) werden Protonen zu Wasserstoffgas reduziert: $2\,\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{H}_2$. An der Anode wird Wasser oxidiert und gibt Sauerstoff ab: $\text{H}_2\text{O} \rightarrow \tfrac{1}{2}\text{O}_2 + 2\text{H}^+ + 2e^-$. Netto:

Thermodynamisch braucht diese Reaktion mindestens 1,23 V — das ist die freie Reaktionsenthalpie $\Delta G$ geteilt durch Ladung. In der Praxis werden wegen Überspannungen und Ohmscher Verluste 1,7 bis 2,0 V angelegt. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis des Heizwerts des erzeugten H₂ zur aufgewandten elektrischen Energie:

Nicht jeder Elektrolyseur ist gleich. Die drei dominierenden Technologien unterscheiden sich in Temperatur, Elektrolyt und Eignung für fluktuierende Einspeisung aus Wind und Solar.

Die Farbe des Wasserstoffs beschreibt nicht seine chemische Eigenschaft — Wasserstoff ist immer farbloses Gas — sondern den CO₂-Fußabdruck seiner Herstellung.

Wenn Strom erst in Wasserstoff umgewandelt, gespeichert und dann wieder in Strom zurückgewandelt wird, summieren sich die Verluste jeder Stufe. Vergleich dazu: Eine Batterie hat eine deutlich kürzere Verlust-Kette. Verändere die Effizienz der einzelnen Stufen:

Der Wirkungsgrad-Vergleich zeigt: Wasserstoff als Energieträger ist gegenüber der Batterie um den Faktor 2–3 ineffizienter. Das bedeutet aber nicht, dass Wasserstoff sinnlos ist — es bedeutet, dass er nur dort eingesetzt werden sollte, wo Batterien nicht funktionieren: bei saisonaler Speicherung (Batterien entladen sich selbst und kosten zu viel für Monate), bei hohen Leistungsdichten in der Industrie, und überall wo keine Leitung existiert (Schiffe, schwere Fahrzeuge über 40 t).

Wasserstoff hat die höchste gravimetrische Energiedichte aller Brennstoffe — aber das kleinste Molekül der Natur bringt erhebliche Speicherprobleme mit sich. H₂-Atome diffundieren durch Stahl, machen Metalle spröde und verflüssigen sich erst bei −253 °C.

Die zwei wichtigsten Kostentreiber bei der Elektrolyse sind der Strompreis und die Auslastung des Elektrolyseurs. Ein teurer Elektrolyseur der selten läuft, ist wirtschaftlich verheerend — ein gut ausgelasteter Elektrolyseur mit günstigem Strom ist die einzige Chance auf wettbewerbsfähige Kosten.

Die Kurve zeigt die Gestehungskosten als Funktion des Strompreises. Die horizontale Linie markiert den heutigen Preis für grauen Wasserstoff aus Erdgas (~1,5 €/kg). Zum Vergleich: 2030-Ziel für grünen H₂ ist <2 €/kg.

Wasserstoff ist kein universelles Allheilmittel, aber in bestimmten Sektoren gibt es keine sinnvolle Alternative zur direkten Elektrifizierung.