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H2 für die Industrie

Wasserstoff im Industriebereich

Durch die Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland steigt die Bedeutung von klimaneutralen Energieträgern. Wasserstoff kann aus erneuerbaren Energien hergestellt werden und weist zusätzlich eine hohe Energiedichte auf. Mit der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung soll der Einsatz und damit auch der Verbrauch von Wasserstoff weiter steigen. Wird es möglich sein bis zum Jahr 2050 kohlenstoffintensive Industrien mithilfe von Wasserstoff emissionsfrei zu gestalten?

Zurzeit werden in Deutschland jährlich etwa 55 TWh Wasserstoff verbraucht. Ein Großteil hiervon wird durch Dampfreformierung aus fossilen Energieträgern oder als Nebenprodukt in industriellen Prozessen gewonnen und gilt somit als grauer Wasserstoff. Lediglich 3,85 TWh werden durch Elektrolyse gewonnen. Insgesamt wird derzeit von einer deutlichen Steigerung des zukünftigen Bedarfs an Wasserstoff ausgegangen.

Die größten Verbraucher von Wasserstoff sind derzeit Raffinerien sowie die chemische Industrie. In Raffinerien wird Wasserstoff eingesetzt zur Entschwefelung von Kraftstoffen, sowie zur Veredelung von schweren Rückständen mittels Hydrocracking. Ein Großteil des verwendeten Wasserstoffs stammt hierbei aus internen Prozessen, lediglich 22 % werden extern bezogen.  
In der chemischen Industrie wird Wasserstoff vor allem in der Herstellung von Ammoniak und Methanol verwendet. Die Ammoniaksynthese basiert auf dem Haber-Bosch-Verfahren und nutzt als Grundstoffe Wasserstoff und Stickstoff. Das entstehende Ammoniak ist ein Zwischenprodukt zur Düngemittel- und Polyamidherstellung. Zudem wird an Möglichkeiten geforscht, den in Ammoniak enthaltenen Wasserstoff erneut zu nutzen. Damit könnte Ammoniak als klimaneutraler Energieträger in Kraftwerken, sowie modifizierten Verbrennungsmotoren, z.B. in Schiffen, zum Einsatz kommen. Derzeit entfallen 25 % des deutschen Wasserstoffverbrauchs auf die Ammoniakherstellung. Mit 20 % entfällt ein weiterer großer Teil auf die Herstellung von Methanol, welches ebenso wie Ammoniak als Energieträger eingesetzt werden kann. Hauptsächlich wird Methanol als chemischer Grundstoff verwendet.

Eine Umstellung von grauem Wasserstoff auf grünen Wasserstoff in diesen beiden Verfahren könnte einen großen Beitrag zur Klimaneutralität leisten. Problematisch daran ist jedoch, dass in beiden Fällen das entstehende Kohlenstoffdioxid aus der Dampfreformierung verwendet wird. Für die Methanherstellung wird es direkt als Edukt benötigt, im Fall der Ammoniaksynthese für die teilweise Weiterverarbeitung zu Harnstoff.

Künftig ist der Einsatz von Wasserstoff in vielen weiteren energieintensiven Bereichen der Industrie denkbar. Die Stahlindustrie ist einer der größten Emittenten von Kohlenstoffdioxid in Deutschland. Zurzeit wird größtenteils die Hochofenroute genutzt, um Eisenerz zu reduzieren. Dabei werden große Mengen Koks und Kohlestaub zugesetzt, die bei der Reduktion Kohlenstoffdioxid produzieren. Um diesen Ausstoß zu senken kommen zwei Verfahren in Betracht. Als erstes Verfahren könnte in der herkömmlichen Hochofenroute auf die Zuführung von Kohlestaub verzichtet werden und stattdessen Wasserstoff in den unteren Teil des Hochofens eingeblasen werden. Dieser ermöglicht ebenso eine Reduktion des Eisenerzes, emittiert dabei aber lediglich Wasserdampf.Ein alternatives Verfahren ist die Direktreduktion. Durch Erdgas oder Wasserstoff wird in diesem Verfahren das Eisenerz ohne Verwendung von Koks reduziert. Der dabei entstehende Eisenschwamm wird in einem Elektrolichtbogenofen anschließend zu Stahl weiterverarbeitet. Bis zum Jahr 2050 planen alle großen Stahlhersteller eine vollständige Umstellung der Standorte auf Direktreduktion. Aufgrund der Möglichkeit Erdgas oder Wasserstoff einzusetzen, kann zu Beginn ein hoher Erdgasanteil verwendet werden, der zunehmend durch Wasserstoff substituiert wird. Schätzungen gehen von einer zusätzlichen Wasserstoffnachfrage in Höhe von 38-56 TWh im Jahr 2050 durch die Stahlindustrie aus.

Durch die Umstellung auf emissionsärmere Verfahren, sowie auf grünen Wasserstoff kann ein großer Schritt in Richtung Klimaneutralität erzielt werden. Trotzdem stehen deutsche Unternehmen vor großen Herausforderungen, die von der Bundesregierung vorgegebenen Ziele zu erreichen.  

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