Wasserstoff kann durch eine Vielzahl von Verfahren unter Nutzung fossiler wie auch erneuerbarer Energien gewonnen werden. Zur Verwendung im Verkehr und anderen Anwendungsbereichen wird er für gewöhnlich gasförmig hoch verdichtet.

Der Wasserstoff kann zum Beispiel für den Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt werden. Er kommt aber auch in der Industrie und in der stationären Energieversorgung – zum Beispiel zur Wärme- und Stromversorgung mittels Brennstoffzellen-BHKW – zum Einsatz.

Während der Großteil des Wasserstoffs heute noch durch die sogenannte Dampfreformierung von Erdgas produziert wird, gewinnt die Herstellung aus erneuerbaren Energien immer stärker an Bedeutung. Hierzu wird mit erneuerbarem Strom ein Elektrolyseur betrieben, welcher Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet. Diese chemische Reaktion geschieht ganz ohne die Emission von Schadstoffen oder CO2.

In der Wasserstoffregion Rheinland hat industrieller Nebenprodukt-Wasserstoff eine lange Tradition und trägt schon heute zum Klimaschutz bei. Zusätzlich werden Wasserelektrolyse-Anlagen aufgebaut, welche regional grünen Wasserstoff produzieren.

Grüner Wasserstoff: Bei grünem Wasserstoff handelt es sich um Wasserstoff, welcher CO2-neutral erzeugt wird. Die Erzeugung kann beispielsweise durch die Elektrolyse von Wasser auf Basis erneuerbaren Stroms realisiert werden. Auch eine Wasserstofferzeugung auf Basis von Biomasse bzw. Biogas ist denkbar.

Grauer Wasserstoff: Grauer Wasserstoff wird beispielsweise mittels Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen. Das so entstehende CO2 entweicht in die Luft und trägt damit zum Klimawandel bei. Dies kann zu Beginn einer Wasserstoffregion eine Option sein, muss aber so schnell wie möglich in Richtung grüner Wasserstoff umgestellt werden.

Blauer Wasserstoff: Bei blauem Wasserstoff handelt es sich um grauen Wasserstoff mit dem Unterschied, dass das frei gesetzte CO2 nicht in die Luft entweicht, sondern unterirdisch gespeichert oder zur Erzeugung chemischer Produkte weiter genutzt wird. Hierbei handelt es sich allerdings nur um eine Übergangslösung, da die zu speichernde Menge begrenzt ist.

Brennstoffzellen können in den meisten Kraftfahrzeugarten eingesetzt werden und dort konventionelle Verbrennungsmotoren ersetzen. Weltweit sind bereits heute 15.000 bis 18.000 Brennstoffzellen-Personenkraftwagen im Einsatz.

Vor allem asiatische Automobilhersteller verkaufen seit einigen Jahren kommerzielle Brennstoffzellen-Pkw überwiegend in den USA und Asien. Aber auch Daimler hat mit seinem GLC F-Cell bereits ein Serienfahrzeug auf dem Markt.

Brennstoffzellenantriebe sind auch für schwere Fahrzeuge mit hohen Leistungs- und Reichweitenanforderungen von Vorteil. Eine Reihe internationaler Kraftfahrzeughersteller entwickeln bzw. vertreiben brennstoffzellenbetriebene Busse und Lastkraftwagen. Beispielsweise sollten bis 2023 etwa 1.000 Brennstoffzellenbusse in der EU fahren.

In der Wasserstoffregion Rheinland werden seit Jahren solche Brennstoffzellenbusse erfolgreich betrieben. Mit der geplanten Flottenerweiterung auf 50 Fahrzeuge wird die Region in wenigen Jahren über die größte Brennstoffzellenbusflotte Europas verfügen. Auch für schwere Nutzfahrzeuge eignen sich Brennstoffzellen. Gemeinsam mit der H2 Energy bereitet der Automobilhersteller Hyundai ein Projekt vor, welches den Einsatz von tausend Brennstoffzellen-Nutzfahrzeugen vorsieht, die ab 2020 auf Schweizer Straßen rollen werden.

In Brennstoffzellenfahrzeugen wird durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrischer Strom erzeugt, wobei lediglich Wasser als ‚Abgas‘ entsteht. Der Wasserstoff wird gasförmig bei Drücken von 700 bar in Pkw und 350 bar in Bussen mitgeführt. Der hergestellte Strom treibt wiederum einen Elektromotor an oder wird in eine kleine Pufferbatterie gespeist, die das Brennstoffzellensystem unterstützt.

Der Grundgedanke besteht darin, einen vollwertigen Ersatz für konventionelle Fahrzeuge zu bieten, ohne Änderungen im Nutzungs- oder Tankverhalten zu verlangen. Daher kommen Fahrdynamik, Reichweite und Betankungszeiten den ‚Vorgaben‘ konventioneller Verbrenner nahe. Brennstoffzellen-Pkw sind beispielsweise, je nach Tankvolumen, in drei bis fünf Minuten aufgetankt.

Brennstoffzellenfahrzeuge reduzieren lokale Umweltbelastungen auf ein Minimum und bieten gleichzeitig volle betriebliche Flexibilität. Diese Vorteile zahlen sich seit Jahren für die Fahrzeugbetreiber der Wasserstoffregion Rheinland aus.

Für den im Einsatz von Wasserstoff im Verkehr und anderen Anwendungsbereichen sind Infrastrukturen zur Herstellung, Verteilung und Abgabe des Wasserstoffs erforderlich. Dazu gehören Produktionsanlagen wie Wasserelektrolyseure, Trailer für den Straßentransport, sowie Tankstellen für die Abgabe des Gases an Brennstoffzellenfahrzeuge.

Bei Tankstellen wird zwischen 700-bar-Anlagen für PKW und 350-bar-Anlagen für Busse sowie andere schwere Nutzfahrzeuge unterschieden. Dabei hat Deutschland bereits heute mit 82 aufgebauten und weiteren 23 geplanten Pkw-Wasserstofftankstellen (Stand Februar 2020) eines der dichtesten Betankungsnetze weltweit.

Die Wasserstoffregion Rheinland verfügt über mehrere Anlagen zur kohlendioxidarmen oder -freien Wasserstoffproduktion ebenso wie über Wasserstoff-Pipelines und Trailer. In der Region werden 5 Tankstellen für Pkw und 3 Anlagen für schwere Nutzfahrzeuge betrieben. Weitere Tankstellen befinden sich im Aufbau.

Brennstoffzellen ermöglichen die Nutzung erneuerbarer statt fossiler Energien als Kraftstoff und weisen etwa die doppelte Energieeffizienz eines Verbrennungsmotors auf. Beim Fahrbetrieb entstehen keine Emissionen und nahezu kein Antriebsgeräusch.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind gut für den innerstädtischen Betrieb geeignet und entsprechen den immer strengeren Umwelt- und Gesundheitsschutzauflagen problemlos. Werden neben den beim Fahrbetrieb anfallenden Emissionen auch die vorgelagerten Umweltbelastungen berücksichtigt, zeigt sich ein differenzierteres Bild. Obwohl schon der Einsatz von „Nebenprodukt-Wasserstoff“ deutliche Umweltvorteile ermöglicht, wird erst mit der Nutzung von grünem Wasserstoff eine annähernde Klimaneutralität erreicht. Deshalb ist ein gradueller Übergang von Nebenprodukt- zu grünem Wasserstoff ein wichtiges Anliegen der Wasserstoffregion Rheinland.

Im Zuge der Energiewende wird das Energiesystem immer komplexer und erfordert die energetische Kopplung der Sektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie. Die in diesen Sektoren benötigte Energie kann hierbei mittels Strom oder Wasserstoff bereitgestellt werden.

Dabei kann Wasserstoff ebenso für Fahrzeuge wie auch stationäre Energieanlagen und als Industriegas verwendet werden. Zudem bietet Wasserstoff eine zentrale Option für die unerlässliche Speicherung großer Mengen fluktuierender erneuerbarer Energien.

In zahlreichen Power-to-X-Anlagen wird die Sektorenkopplung via Wasserstoff bereits erfolgreich erprobt. Eine der weltgrößten Power-to-X-Anlagen wird in der Wasserstoffregion Rheinland betrieben. Hierbei werden Pfade zur breiten Markteinführung dieser Zukunftstechnologie untersucht, die auch für andere dem Strukturwandel unterworfene Regionen von großer ökologischer und ökonomischer Bedeutung ist.