Wasserstoff ist der Hoffnungsträger einer nachhaltigen Wirtschaft. (Bild: Strikker - fotolia)
Chemisch gesehen ist Wasserstoff so simpel, einfacher geht es nicht: Das leichteste und kleinste Element im Periodensystem, Ordnungszahl eins. Geschätzte drei Viertel der Gesamtmasse unseres Sonnensystems bestehen aus Wasserstoff (dunkle Materie sei hier außen vor gelassen), und schwerere Elemente im ganzen Universum entstanden – und entstehen noch immer – zunächst durch die Verschmelzung von Wasserstoff-Atomkernen. Damit ist das Gas gewissermaßen Ausgangsstoff des ganzen Universums – ein enormes chemisches Potential.
Die chemische Industrie geht nun nicht so weit, ein ganzes Universum zu synthetisieren. Aber sie ist genauso auf Wasserstoff als Ausgangsmaterial angewiesen. Es ist naheliegend, dass der simple Wasserstoff zunächst als Bestandteil in weiteren Bausteinen der Chemie dient, den sogenannten Basischemikalien. Der Umstieg vom herkömmlichen „grauen“ auf emissionsfrei produzierten „grünen“ Wasserstoff könnte hier die Klimabilanz der Industrie entscheidend verbessern.
Einfacher Ausgangsstoff für einfache Bausteine
Eine der wichtigsten wie einfachsten Basischemikalien ist Ammoniak. Wirklich einfach ist allerdings nur die chemische Zusammensetzung aus einem Stickstoff-Atom und drei Wasserstoffatomen, NH3. Die Synthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren klingt zunächst ebenfalls einfach: Die Ausgangsstoffe Stickstoff und Wasserstoff werden gemischt, erhitzt und zusammengepresst, bis sie miteinander reagieren. Das ist allerdings schwerer als es klingt, denn ausreichender Druck (bis 350 bar) und die nötige Temperatur (bis 500 °C) lassen sich nur unter hohem Energieaufwand erreichen.
Der gewaltige Bedarf rechtfertigt den Aufwand jedoch nicht nur, sondern erzwingt ihn geradezu. Die weltweite Produktionskapazität für Ammoniak betrug 2019 gut 235 Mio. t/a, und bis 2030 soll sie erwartungsgemäß auf knapp 290 Mio. t/a steigen. Die Stickstoff-Verbindung dient als Ausgangsstoff für Düngemittel, im einfachsten Fall Salze wie Ammonium-Nitrat, -Sulftat oder –Phosphat. Rund 40 % des Ammoniaks werden zu Harnstoff und davon abgeleiteten Verbindungen, die ebenfalls zum großen Teil als Düngemittel in die Landwirtschaft wandern. Weitere wichtige organische Stickstoffverbindungen, die ihren Ursprung im Ammoniak haben, sind die Amine – und über diese Zwischenstufen eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe, von Kunststoffzusätzen bis zu Medikamenten. Zu viele Möglichkeiten, um hier im Einzelnen darauf einzugehen.
Vom Methan zum Methanol
Eine weitere vom Wasserstoff abhängige Grundchemikalie ist Methanol. Ähnlich wie Ammoniak als Baustein für allerlei Stickstoff-Verbindungen dient, ist Methanol ein einfacher Ausgangsstoff für Kohlenstoff-basierte Chemikalien. Einfache, aber wichtige Beispiele sind Formaldehyd und Ameisensäure, beides Oxidationsprodukte von Methanol.
Hergestellt wird Methanol in industriellem Maßstab aus Synthesegas, einem Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Produktion dieses Gasgemisches ist gleichzeitig das derzeit wichtigste Verfahren, um Wasserstoff generell zu erzeugen: die Dampfreformierung von Methan. Dabei wird Erdgas, das größtenteils Methan enthält, mit Wasserdampf umgesetzt. Dabei entstehen zunächst Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Rund 95 % des derzeitigen Wasserstoffbedarfs werden mit diesem „grauen“ Wasserstoff aus Erdgas bedient. Trennt man das Gasgemisch nicht, so kann in einer Folgereaktion aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff Methanol entstehen. Neben seiner Bedeutung als Basischemikalie ist Methanol ebenfalls als „grüner“ Treibstoff im Gespräch. Auch dieser Einsatz erfordert grünen Wasserstoff.
Wasserstoff in der Petrochemie
Einen geradezu gigantischen Hunger nach Wasserstoff haben auch die Petrochemie und die ihr vorgelagerte Öl- und Gasindustrie. Sie benötigen das Gas jedoch weniger als Rohstoff, sondern vielmehr als Reinigungsmittel. Erdöl und Erdgas sowie die daraus gewonnenen Raffinerie-Produkte enthalten schwefelhaltige Verbindungen. Diese gilt es aus zwei Gründen möglichst sorgfältig zu entfernen: Beim Verbrennen dieser Verbindungen, beispielsweise in Kraftstoffen, entstehen giftige und umweltschädliche Schwefeloxide, weshalb Umweltauflagen nur niedrige Grenzwerte zulassen. Außerdem sind Schwefelverbindungen typische Katalysatorgifte, sie schädigen also die Katalysatoren sowohl in Kraftfahrzeugen als auch in weiteren Verarbeitungsprozessen petrochemischer Rohstoffe.
Um dies zu verhindern, nutzt die Industrie in großem Maßstab die sogenannte Hydrodesulfurierung, die Entschwefelung mit Hilfe von Wasserstoff. Dabei reagiert zugesetzter Wasserstoff an einem Katalysator mit dem Schwefel zu Schwefelwasserstoff. Dieser wiederum lässt sich isolieren, und daraus wird ein beträchtlicher Anteil des weltweit produzierten Schwefels gewonnen, einer weiteren wichtigen Basischemikalie. Der eingesetzte Wasserstoff leistet somit indirekt auch einen Beitrag zur Schwefelchemie.
Das Hydrocracken ist ein weiterer petrochemischer Prozess mit hohem Wasserstoffbedarf. Damit lassen sich schwerere und zähere Rückstände der Erdölraffination in leichtere Bestandteile überführen, aus denen sich wiederum Treibstoffe wie Kerosin und Diesel gewinnen lassen. Durch den eingesetzten Wasserstoff entstehen, anders als bei anderen Cracking-Verfahren, kaum ungesättigte oder aromatische Produkte. Auch Verunreinigungen, insbesondere durch Schwefel- und Stickstoffverbindungen, bleiben weitgehen aus.
Grüner Stahl mit grünem Wasserstoff
Wasserstoff kann nicht nur CO2-Emissionen reduzieren, er ist auch ein wirksames chemisches Reduktionsmittel. Als solches kommt er zum Beispiel in der Metallurgie zum Einsatz. Ist bei Metallen eine besonders hohe Reinheit gefordert, beispielsweise bei Kupfer für die Elektrotechnik, so bietet sich die Reduktion von Metall-Erzen mit Wasserstoff an.
Bislang wenig eingesetzt, aber bereits erprobt ist das Verfahren der „direkten Reduktion“ mit Wasserstoff in der Stahlproduktion. Diese gehört derzeit noch zu den emissionsstärksten Industriezweigen: Durch die Reduktion und Veredelung des Stahls mit Koks entstehen pro Tonne Stahl rund zehn Tonnen CO2. Im Falle konsequent eingeführter CO2-Bepreisung wäre der Umstieg auf Wasserstoff ein Weg für die Stahlindustrie, klimafreundlicher und gleichzeitig weiterhin wirtschaftlich zu bleiben – vorausgesetzt, der nötige Wasserstoff ist ebenfalls wirtschaftlich zugänglich.
Dieser Maßstab verdeutlicht besonders, wie sehr jede dieser Anwendungen auf die wirtschaftliche Versorgung mit möglichst grünem Wasserstoff angewiesen ist. Dies beinhaltet neben der Wasserstoff-Produktion sowie der notwendigen „grünen“ Stromerzeugung auch den Auf- und Umbau der Infrastruktur zu dessen Bereitstellung.
