Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem

Symbolische Darstellung. Vor blau-weißem Hintergrund sind in Sechsecken die möglichen Anwendungsbereiche für Wasserstoff und dessen Folgeprodukte, konkret Stahl, Chemie, Schwerlastverkehr, Schiffsverkehr, Luftverkehr und Strom, genannt sowie mit Icons dargestellt.zum Vergrößern anklicken
Wasserstoff – zentraler Baustein im zukünftigen Energiesystem
Quelle: Umweltbundesamt

„Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist.“, schrieb Jules Verne 1870 in „Die geheimnisvolle Insel“. Wasserstoff wird eine wichtige Rolle in der zukünftigen Energieversorgung einnehmen. Er wird als direkt genutzter Endenergieträger benötigt, z.B. in der Stahlindustrie, oder als Sekundärenergieträger, um Kohlenwasserstoffe für Flugzeuge herzustellen.

Inhaltsverzeichnis

 

Welche Rolle kann Wasserstoff im künftigen Energiesystem einnehmen?

Für erfolgreichen ⁠Klimaschutz⁠ ist eine Wende weg von fossiler Energie hin zu erneuerbaren Energien notwendig. Wasserstoff spielt im heutigen fossilen Energiesystem als Sekundärenergieträger für Raffinerieprozesse und die chemische Industrie eine Rolle. Wasserstoff zu nutzen ist also prinzipiell nichts Neues. Grundsätzlich ist Wasserstoff in allen Anwendungsbereichen, etwa Verkehr, Industrie und Gebäuden, als Endenergieträger technisch denkbar. Allerdings ist dessen breiter Einsatz vor dem Hintergrund der Energieeffizienz und des Ressourcenschutzes nicht zweckmäßig, denn verglichen mit elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff kann deutlich mehr fossile Energie ersetzt und mehr Treibhausgasemissionen reduziert werden, wenn der erneuerbare Strom direkt eingesetzt wird, wie in der nachfolgenden Tabelle zu sehen ist. Und bei einer Wärmepumpe kann mit Hilfe 1 Kilowattstunde (kWh) regenerativen Stroms etwa 3,3 kWh Erdgas eingespart werden. Nutzt man diese 1 kWh regenerativen Stroms aber erst für die Herstellung von Wasserstoff und Methan, können nur noch rund 0,6 kWh Erdgas eingespart werden. Allein vor diesem Hintergrund sollte stets oberste Prämisse sein, erneuerbare Energien und erneuerbaren Strom direkt und ohne die Verluste beim Umweg über Wasserstoff zu nutzen.

Nur dort, wo es technisch nicht möglich ist, erneuerbare Energien und erneuerbaren Strom direkt zu nutzen, sollten Brennstoffe, also auch Wasserstoff zum Einsatz kommen. So wird Wasserstoff direkt als Brennstoff in Gaskraftwerken erforderlich sein, um die Stromversorgung dauerhaft zu gewährleisten und die fluktuierende Stromerzeugung aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen auszugleichen. Auch andere Speichersysteme für Strom sind dazu denkbar und sinnvoll, etwa Batteriespeicher. Als erneuerbarer Brenn-, Kraft- und Rohstoff wird Wasserstoff langfristig vornehmlich in der chemischen Industrie, der Stahlindustrie sowie in Luft- und Schiffsverkehr und Teilen des Schwerlastverkehrs benötigt. Nicht überall kann Wasserstoff als Endenergieträger eingesetzt werden, beispielsweise im Luftverkehr, da Wasserstoff eine sehr geringe Energiedichte hat, wäre das Volumen sehr hoch für den erforderlichen Transport dieses Treibstoffes. Hier wird auch langfristig beispielsweise Kerosin benötigt. Dafür kann Wasserstoff aber ein wichtiger Ausgangsstoff sein, um mit Kohlenstoff und unter Energieeinsatz zu Kohlenwasserstoffen synthetisiert – das heißt mit viel Energie wird Wasserstoff aus Wasser und beispielsweise Kohlenstoff aus der Luft gewonnen, welche dann in einer Synthese zu Benzin, Diesel, Kerosin usw. reagieren, siehe unten grüner Wasserstoff. In der nachfolgenden Tabelle sieht man, dass mit Hilfe 1 kWh regenerativen Stroms über diesen Weg rund 0,5 kWh fossile Kraftstoffe ersetzt werden können.

Wasserstoff wird künftig also da benötigt, wo keine effizientere Lösung verfügbar ist: Zum einem als Endenergieträger in der direkten Nutzung, beispielsweise der Stahlindustrie, als auch als Sekundärenergieträger, um Methan, Benzin, Diesel oder Kerosin herzustellen.

Die Bundesregierung hat sich mit der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ das Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2030 Wasserstoffelektrolyseure mit einer Leistung von 5 Gigawatt (GW) in Deutschland zu installieren. Davon sollen Wasserstoffelektrolyseure mit einer Leistung von 2 GW in die Herstellung von konventionellen Kraftstoffen integriert werden. Dies bedeutet, dass bis 2030 unter dem Einsatz von 20 TWh Strom etwa 14 TWh Wasserstoff bereitgestellt werden sollen. Dieser würde bezogen auf den heutigen (fossilen) Wasserstoffbedarf rund 20 bis 25 % abdecken. Bis 2035, spätestens 2040 sollen darüber hinaus Elektrolyseleistungen von 5 GW ausgebaut werden. In der europäischen Wasserstoffstrategie wird für ganz Europa bis 2030 eine Elektrolyseleistung von 40 GW angestrebt.

Damit Wasserstoff frühzeitig in die Bereiche gelenkt wird, wo dieser auf Dauer gebraucht wird, braucht es schnell transparente Rahmenbedingungen. Nur so können die langen Investitionszyklen zur Umstellung der Technologie zügig angegangen werden muss. Das trifft vor allem auf die Eisenerzreduktion und die Chemieindustrie zu.

Die Grafik zeigt, wenn regenerativer Strom für die Bereitstellung von Wärme, Wasserstoff oder flüssig Kraftstoff genutzt wird und dadurch fossile Wärme oder Kraftstoffe eingespart werden. Im Ergebnis ist das energetische Substitutionsverhältnis und die vermiedenen Treibhausgasemissionen in g CO2Äqvivalente beziffert. So wird unter Einsatz einer 1 kWh erneuerbarem Strom mit einer Wärmepumpen 3,3 kWh Wärme bereitgestellt. Dadurch können etwa 3,14 kWh Erdgas ersetzt wird. Das Substitutionsverhältnis beträgt al
Substitutionswirkung von PtX-Techniken
Quelle: Umweltbundesamt
 

Wie wird Wasserstoff hergestellt? Wie unterscheiden sich grüner, blauer, türkiser und grauer Wasserstoff?

Die Herstellung von Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen und verursacht unterschiedliche ⁠Treibhausgas⁠- und Schadstoffemissionen, Energie- und Ressourcenverbräuche. Obwohl Wasserstoff an sich ein farbloses Gas ist, werden die verschieden Herstellungswege durch eine „Farbenlehre“ voneinander abgegrenzt.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt. Der Einsatz von Strom aus ⁠Biomasse⁠ ist aus Effizienzgründen nicht sinnvoll, da Biomasse selbst bereits Energiespeicher und ein vielseitig verwendbarer Rohstoff ist. Bei der Wasserstoffelektrolyse wird unter Einsatz von Strom das Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) gespalten. Diese Wasserelektrolyse beruht wie die Brennstoffzelle auf denselben elektrochemischen Vorgängen, wobei die Elektrolyse elektrische Energie verbraucht und die Brennstoffzelle diese abgibt. Der Wirkungsgrad der Wasserstoffelektrolyse unterscheidet sich je nach konkretem Verfahren, näherungsweise kann von 75 % ausgegangen werden. Es ist denkbar, die Abwärme aus der Wasserstoffherstellung in Wärmenetze einzuspeisen, um einen Teil der Verluste der Elektrolyse nutzbar zu machen. Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff entsteht kein CO2 als schädliches Treibhausgas. Im Zentrum einer treibhausgasneutralen und nachhaltigen Entwicklung sollte daher grüner Wasserstoff stehen.

Das Bild zeigt schematisch die Herstellung von Power to Gas/ Power to Liquid – Produkten. Aus erneuerbarem Strom wird in einer Elektrolyse Wasserstoff hergestellt. Dieser kann zum einen direkt genutzt werden in Anwendungsbereichen, wie bereits im Text beschrieben. Oder er wird als Sekundärenergieträger in Synthesen weiter genutzt. Im Bild ist oben die Methansisierung symbolisiert, wo Methan als Produkt bereitgestellt wird. Unten im Bild ist eine Synthese allgemein dargestellt, deren Produkt verschiedene Koh
Schematische Funktionsweise von PtG und PtL
Quelle: Umweltbundesamt

Grauer Wasserstoff

Dieser Wasserstoff wird aus fossilen Energien hergestellt. Ein Verfahren ist das derzeit in der Industrie eingesetzte „Reforming“ (Dampfreformierung). Dabei werden fossile Kohlenwasserstoffe, in der Regel Erdgas, in Wasserstoff umgewandelt. Näherungsweise gehen 20 % der eingesetzten Energie verloren. Als Nebenprodukte fallen Wasserdampf, Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2) an, welche in die ⁠Atmosphäre⁠ ausgestoßen werden.

Wasserstoff, der in Elektrolyseuren mit Strom aus dem allgemeinen Stromnetz hergestellt wird, bezeichnet man gleichfalls als grauen Wasserstoff. Denn auch hier werden noch fossile Energieträger für die Stromerzeugung genutzt. Das dabei entstehende CO2 der Erdgas- und Kohlekraftwerke wird in die Atmosphäre ausgestoßen. Wegen dieser Emissionen ergeben sich in einem treibhausgasneutralen Energiesystem und auf dem Weg dorthin keine Perspektiven für den grauen Wasserstoff.

Pinker Wasserstoff

Wie der grüne Wasserstoff wird der pinke Wasserstoff elektrolytisch hergestellt. Der dafür notwendige Strom stammt aus Kernenergie. Vor dem Hintergrund der damit verbundenen hohen Umweltrisiken, den möglichen hohen Schäden bei einem Unfall und der Endlagerproblematik ist aus Sicht des Umweltbundesamtes dieser Wasserstoff kein Bestandteil einer nachhaltigen Entwicklung.

Blauer Wasserstoff

Blauer Wasserstoff wird wie der graue Wasserstoff in der Regel mit fossilen Energieträgern hergestellt. Hier wird allerdings das anfallende Kohlendioxid (CO2) aufgefangen und unterirdisch gespeichert (Carbon Capture and Storage - ⁠CCS⁠). Sofern für blauen Wasserstoff Erdgas verwendet wird, werden die mit der Förderung und dem Transport von Erdgas immanent verbundenen Treibhausgasemissionen (CH4 und CO2) weiter in die Atmosphäre ausgestoßen. Diese Emissionen können nur vermieden werden, wenn auf Erdgas an sich verzichtet wird. Für einen vollständigen CO2-neutralen Wasserstoff wäre außerdem eine vollständige Abscheidung des CO2 aus dem Abgas nach dem Erdgas-Reforming erforderlich. Dies ist technisch jedoch nicht zu 100 % möglich. Blauer Wasserstoff setzt weiter voraus, dass Speicherkapazitäten für CO2 im erforderlichen Umfang erschließbar sind und das CO2 dauerhaft speichern können. Letzteres ist nach derzeitigem Stand nicht möglich.

In einzelnen Fällen wird auch von blauem Wasserstoff gesprochen, wenn statt Erdgas Biogas eingesetzt wird. Das Verfahren ist bis hin zur Einspeicherung des Kohlendioxids (CO2) identisch. Diese BECCS-Technik (Bioenergy with carbon capture and storage) wird im Kontext der Treibhausgasneutralität zunehmend in die Debatten eingebracht. Dabei werden die Treibhausgasemissionen durch Landnutzungsänderungen, also durch Flächenneu- und Flächenumnutzung für energetische genutzte ⁠Biomasse⁠, u.ä. sowie die damit verbundenen Umweltherausforderungen, beispielsweise in Bezug auf ⁠Biodiversität⁠ vernachlässigt. Die obenstehenden umweltpolitischen Herausforderungen und Risiken von CCS (vgl. oben im Text) bestehen hier zusätzlich. Zusammengefasst: (BE)CCS ist mit Umweltrisiken verbunden, kann nach derzeitigem Kenntnisstand keine sichere und vollständige CO2-Einlagerung gewährleisten und hat eine geringe Akzeptanz in der deutschen Bevölkerung. Aus Sicht des Umweltbundesamtes ist der blaue Wasserstoff, auch als Import, kein tragfähiger und nachhaltiger Energieträger für den Weg in eine treibhausgasneutrale Energieversorgung.

Türkiser Wasserstoff

Dieser Wasserstoff basiert auf der thermischen Spaltung von Methan (Methanpyrolyse), vornehmlich von Erdgas. Dementsprechend ist dieser Wasserstoff nahezu ausschließlich fossilen Ursprunges. Bisher wurde die Methanpyrolyse vor allem entwickelt, um festen Kohlenstoff zu gewinnen. Der Wasserstoff fällt als Nebenprodukt an. Technisch kann das Verfahren aber auch auf die Produktion des Wasserstoffs ausgerichtet werden und gewinnt im Zuge der Wasserstoffstrategien an Relevanz. Wie beim blauen Wasserstoff wird im Zuge der Diskussionen zur Treibhausgasneutralität zunehmend auch Biomasse als Methanquelle vorgeschlagen. Bei der Methanpyrolyse entsteht kein gasförmiges CO2, welches in die Atmosphäre entweicht. Stattdessen ist dieses in festen Kohlenstoff gebunden. Bei der auf Wasserstoff ausgerichteten Methanpyrolyse wird angedacht, diesen festen Kohlenstoff unterirdisch zu lagern oder im Boden zu binden. Die damit verbundenen Umweltherausforderungen und -risiken sind nur begrenzt bekannt. Für eine umwelt- und klimapolitische Einordnung besteht noch Forschungsbedarf, bevor das Verfahren empfohlen werden könnte.

Weißer Wasserstoff

Dieser Wasserstoff fällt als Nebenprodukt (bereits heute) in chemischen Prozessen an, wie beispielsweise bei der Chloralkali-Elektrolyse. Die umwelt- und klimapolitischen Herausforderungen und Risiken sind in Abhängigkeit der Verfahren stark unterschiedlich und können nicht verallgemeinert bewertet werden.

 

Welche Rolle kann Wasserstoff im Verkehr spielen?

Im Verkehr ist es auch möglich Wasserstoff als alternativen Kraftstoff zu nutzen. Er ist jedoch nur eine von vielen Optionen, den Verkehr zu dekarbonisieren. Setzt man auf Wasserstoff im Verkehr, ist die Nutzung in Brennstoffzellen in Kombination mit Elektromotoren am effizientesten. Alternativ kann Wasserstoff auch direkt in Motoren verbrannt werden. Dies ist jedoch deutlich ineffizienter.

Fahrzeuge und Schiffe mit Brennstoffzellen zur Nutzung von Wasserstoff sind erst in der Entwicklung. Ähnlich wie bei der batterie-elektrischen Mobilität müssten entsprechende Fahrzeuge in den nächsten Jahren im Rahmen der Flottenerneuerung erst in den Markt kommen, bevor Wasserstoff im Verkehr umfassender genutzt werden kann. In mobilen Anwendungen ist es zudem notwendig, den Wasserstoff in Tanks zu transportieren. Dazu muss der Wasserstoff je nach Anwendungsfall aufwändig komprimiert oder durch starkes Abkühlen verflüssigt werden. Die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom in batterie-elektrischen Fahrzeugen ist deutlich energieeffizienter, kostengünstiger und klimafreundlicher als die Nutzung von Wasserstoff. Im Straßenverkehr ist Wasserstoff sogar die volkswirtschaftlich teuerste Option aller alternativen Antriebe und Kraftstoffe.

Wasserstoff im Verkehr sollte, wenn überhaupt, nur in Bereichen eingesetzt werden, in denen eine direkte Nutzung von erneuerbarem Strom nicht möglich ist. Dies sind insbesondere Bereiche mit einem hohen Energiebedarf oder großen Reichweitenanforderungen, wie beispielsweise der Seeverkehr, Flugverkehr oder gegebenenfalls im Straßengüterfernverkehr. In diesen Bereichen könnten jedoch alternativ zur direkten Wasserstoffnutzung auch Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak genutzt werden, zu deren Herstellung wiederrum Wasserstoff als Ausgangsstoff eingesetzt wird.

 

Welche Rolle kann Wasserstoff im Gebäudebestand spielen?

Für die Wärmeversorgung des Gebäudebestandes gilt es generell, dass das sehr hohe Energieeffizienzpotential möglichst schnell zu heben und die Energienachfrage zu senken sind. Zwar ist es technisch möglich, Wasserstoff für das Heizen von Gebäuden in Brennstoffzellen oder auch Heizkesseln einzusetzen, jedoch gibt es ausreichend brennstofffreie Alternativen aus erneuerbaren Energien wie Solarthermie, Geothermie und Umweltwärme sowie aus unvermeidbarer Abwärme. Diese ersetzen mehr fossile Brennstoffe, sind energieeffizienter und mittel- bis langfristig kostengünstiger als Wasserstoff oder synthetisches Methan. Sollte der technisch mögliche Wechsel von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien bei den Gebäuden nicht gelingen und der ineffiziente Wasserstoff dann auch dort breit eingesetzt werden, sind die Energieeffizienzziele der Energieeffizienzstrategie 2050 kaum zu erreichen.

 

Welche Rolle kann Wasserstoff in der Industrie spielen?

Durch die Umstellung auf erneuerbare Energien kann es gelingen, die energiebedingten Treibhausgasemissionen im Bereich der industriellen Produktion vollständig zu vermeiden. Für den ⁠Klimaschutz⁠ müssen Industrieprozesse jedoch nicht nur vollständig auf erneuerbare Energieträger umgestellt, sondern es muss auch ein Großteil des industriellen Anlagenparks auf treibhausgasarme Produktionsverfahren umgebaut und weiterentwickelt werden, um auch die rohstoff- und prozessbedingten Treibhausgasemissionen möglichst weitgehend zu mindern. Für einen effizienten Einsatz von Energie und natürlichen Ressourcen muss wie in den anderen Anwendungsbereichen (Verkehr, Gebäude) überall, wo es technisch möglich ist, erneuerbarer Strom direkt genutzt werden. Wasserstoff sieht das Umweltbundesamt vor allem in der Stahl- und Chemieindustrie. In weiteren einzelnen Prozessen werden trotz technologischen Fortschrittes noch Brennstoffe benötig werden. Ob hier überall Wasserstoff oder doch synthetisches Methan zum Einsatz kommen muss, ist noch offen.

Für die Eisen- und Stahlerzeugung können die CO2-Emissionen der Hochofenroute praktisch vollständig vermieden werden, wenn eine Umstellung auf gasbasierte Direktreduktionsverfahren erfolgt. Diese kommen bereits zum Einsatz unter Nutzung von Erdgas. Perspektivisch können sie mit Wasserstoff aus erneuerbaren Energien betrieben werden.