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Theorie und Praxis bei "grünem" Wasserstoff#

Trotz Potenzial als Energie-Multitalent dürfte der Beitrag für die Energiewende nicht zuletzt wegen hoher Kosten in den nächsten ein bis zwei Dekaden noch überschaubar ausfallen.#


Von der Wiener Zeitung (1. März 2021) freundlicherweise zur Verfügung gestellt

Von

Eric Heymann


Auf Wasserstoff als Energieträger ruhen jedenfalls große Hoffnungen. Sowohl die deutsche Bundesregierung als auch die EU-Kommission haben im vergangenen Sommer Strategien zur energetischen Nutzung von Wasserstoff vorgestellt, Österreichs nationale Wasserstoffstrategie soll heuer folgen. Jene der deutschen Bundesregierung spricht davon, dass Wasserstoff "eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Vollendung der Energiewende" bekommen soll. Damit "grüner" Wasserstoff einen nennenswerten Beitrag zu einer klimaverträglichen Energieversorgung der Zukunft leisten kann, muss er erstens in großen Mengen, zweitens kostengünstig und drittens möglichst CO2-arm erzeugt werden. Wie dies gelingen soll, ist bisher nur theoretisch beantwortet.

Kein Primärenergieträger#

Eric Heymann ist Volkswirt bei Deutsche Bank Research, einer unabhängigen Denkfabrik unter dem Dach der Deutschen Bank.
Eric Heymann ist Volkswirt bei Deutsche Bank Research, einer unabhängigen Denkfabrik unter dem Dach der Deutschen Bank.
Foto: © Martin Joppen

Anders als Erdöl, Kohle, Erdgas, Kernbrennstoffe oder Biomasse ist Wasserstoff kein Primärenergieträger und kommt auf der Erde zumeist nur in gebundener Form vor (größtenteils als Wasser sowie in Form von Kohlenwasserstoffen wie Kohle, Öl und Erdgas). Um Wasserstoff energetisch nutzen zu können, muss er also zunächst unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Geschieht dies, wie heute ganz überwiegend praktiziert, mittels fossiler Energien, spricht man von "grauem" Wasserstoff. Die deutsche Wasserstoffstrategie priorisiert dagegen eindeutig "grünen" Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. So entstehen flüssige oder gasförmige Folgeprodukte für den energetischen Einsatz (Power-to-X, P2X).

Damit soll eine der Lücken bei der Energiewende geschlossen werden. Beispielsweise können einige Bereiche des Verkehrssektors auf absehbare Zeit nicht oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten direkt mit Strom versorgt werden. Zudem ist "grüner" Wasserstoff in manchen Industriebranchen eine Option, um die (prozessbedingten) CO2-Emissionen von industriellen Prozessen zu verringern (etwa Metallerzeugung, Chemie, Baustoffproduktion). Theoretisch denkbar ist es schließlich, "grünen" Wasserstoff für die Wärmeerzeugung in Gebäuden einzusetzen.

P2X-Technologien sind nicht nur eine Möglichkeit, Strom aus Erneuerbaren umzuwandeln und in anderen Anwendungsbereichen einzusetzen (Sektorkopplung). Sie sind auch eine Speichermöglichkeit. Mit dem politisch weiter forcierten Ausbau der Stromerzeugung durch wetterabhängige erneuerbare Energien steigt nämlich perspektivisch der Bedarf an Stromspeichern. Abgesehen von Pumpspeicherkraftwerken, die unter anderem entsprechende topografische Voraussetzungen benötigen, gibt es aktuell jedoch keine kostengünstigen Stromspeicher im großindustriellen Maßstab.

Überkapazitäten abmildern#

Steigt der Anteil der wetterabhängigen Erneuerbaren am Strommix, kommt es bei günstigen Witterungsverhältnissen immer häufiger zu Zeiten, in denen mehr Strom produziert als aktuell verbraucht wird. Dies führt in Deutschland schon heute immer wieder zu negativen Börsenstrompreisen und zu mehr Stromexporten (die übrigens zu einem nennenswerten Teil in Pumpspeicherkraftwerke in Österreich fließen). Wegen der fehlenden Speichermöglichkeiten ist es zugleich aber nur sehr begrenzt möglich, konventionelle Kraftwerkskapazitäten dauerhaft vom Markt zu nehmen, denn diese werden für Dunkelflauten benötigt, in denen der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint.

In der Folge sind die Überkapazitäten bei der installierten Stromerzeugungskapazität in Deutschland in den vergangenen Jahren stetig gestiegen, was Kosten verursacht. Diese negative Entwicklung soll durch die Produktion von Wasserstoff verlangsamt und bestenfalls gestoppt werden. Letztlich soll das potenzielle Multitalent Wasserstoff also eine Schlüsselfunktion bei der Sektorkopplung übernehmen und zugleich eine wesentliche Lösung für die Stromspeicherfrage sein.

So weit die Theorie. Dass es bei der praktischen Umsetzung viele Hürden zu überwinden gilt, ist unwidersprochen. Insofern ist es der deutschen Regierung anzurechnen, dass sie nicht in Aussicht stellt, Wasserstoff könne schon in wenigen Jahren zum "Game Changer" bei der Energiewende werden. Und ihre Strategie verweist darauf, dass Deutschland einen großen Teil seines künftigen Wasserstoffbedarfs aus Ländern importieren wird, wo die Bedingungen für die Produktion besser sind. Es wird also kein wesentlicher Beitrag zu einer höheren Energieautarkie erwartet.

Hohe Kosten#

Eine der vielen Herausforderungen sind die Investitionskosten in die Wasserstoffinfrastruktur. Dazu zählen die Elektrolyseure (also die eigentlichen Erzeugungsanlagen), Anlagen zur Umwandlung von Wasserstoff von einem in den anderen Aggregatzustand sowie die Transport- und Verteilnetze (Konzentrationsüberwachung bei Beimischung, Problem der Wasserstoffversprödung). Falls Wasserstoff nicht über Pipelines, sondern per Schiff (für den Ferntransport) oder Lkw (für die lokale Verteilung) transportiert wird, fallen hier ebenfalls Investitionskosten an. Zudem müssen Fabriken, in denen er genutzt werden soll (etwa Stahlwerke), umgerüstet werden. Dies gilt längerfristig auch für Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb.

Daneben sind die Kosten für den laufenden Betrieb hoch. In der Prozesskette fallen bei jedem Schritt Wandlungsverluste an; es geht also immer ein Teil der Energie verloren, die zu Beginn in die Erzeugung von Wasserstoff gesteckt wurde. Das ist kein wasserstoffspezifisches Problem. Gleichwohl sind Transport und Lagerung von Wasserstoff wegen seiner physikalischen Eigenschaften besonders aufwendig (geringe Dichte und hohe Flüchtigkeit im gasförmigen Zustand, starke Kühlung für Verflüssigung nötig). Damit leidet der gesamte Wirkungsgrad stärker als bei anderen Energieträgern und damit auch die ökonomische Rentabilität.

Hinzu kommt, dass die Kapazitätsauslastung der Elektrolyseure sehr gering sein dürfte, wenn sie ausschließlich mit wetterabhängigen Erneuerbaren betrieben werden; dies gilt noch mehr, wenn lediglich "Überschussstrom" verwendet werden soll, was die Durchschnittskosten weiter erhöht, denn solche Anlagen sind eigentlich auf Dauerbetrieb ausgelegt. Wegen der genannten Kosten ist die Nutzung von "grünem" Wasserstoff auf absehbare Zeit noch nicht wirtschaftlich. Daher wird der Staat - wie so oft bei Klimaschutztechnologien - den Einsatz von Wasserstoff subventionieren.

Keine schnellen Lösungen#

Weitere regulatorische Fragen gilt es bezüglich der klimapolitischen Einstufung der verschiedenen Erzeugungsformen von Wasserstoff zu klären. Für die deutsche Regierung gilt nur "grüner" Wasserstoff als "auf Dauer nachhaltig". In einem internationalen Wasserstoffmarkt wird es aber auch "graue", "blaue" oder "türkise" Erzeugungsformen geben. "Blauer" Wasserstoff wird auf Basis von fossilen Energien erzeugt, wobei die anfallenden CO2-Emissionen abgeschieden und gespeichert werden. Bei "türkisem" Wasserstoff erfolgt unter sehr hohen Temperaturen eine thermische Spaltung von Erdgas, also Methan, und statt CO2 entsteht fester Kohlenstoff - klimafreundlich ist das nur, wenn der Hochtemperaturreaktor mit CO2-armen Energieträgern betrieben wird. Es muss also Regelungen für die Klimabilanz der einzelnen Wasserstoffarten sowie von Mischformen und deren Nutzung geben.

Es mag bisweilen etwas kontraproduktiv erscheinen, wenn man in der klima- und energiepolitischen Diskussion betont, was alles nicht geht oder welche Hürden zu überwinden sind. Für kluge politische Entscheidungen ist es aber wichtig, die potenziellen Beiträge einzelner Technologien zur Lösung des Klima- und Energieproblems richtig einzuschätzen und dabei nicht nur die grundsätzliche technologische Machbarkeit, sondern auch ökonomische und soziale Folgekosten zu berücksichtigen, damit in der Öffentlichkeit keine unrealistischen Erwartungen geweckt werden.

Auch wenn "grüner" Wasserstoff vorerst teuer bleibt und nicht viel zu einer klimaverträglichen Energieversorgung beitragen kann, gibt es durchaus Gründe für Optimismus. Auf allen Stufen der Prozesskette wird es technischen Fortschritt geben: Die Kosten für den Betrieb von Elektrolyseuren sinken durch Größenvorteile, für den Transport können wohl auch bestehende Pipelines verwendet werden (Beimischung im Erdgasnetz). Für den Ferntransport per Schiff ist statt verflüssigtem Wasserstoff auch Ammoniak geeignet, was technologisch weniger anspruchsvoll ist. Ingenieure und Naturwissenschafter werden hier Ideen entwickeln. Aber schnelle Lösungen sollte man nicht erwarten. Mehr staatliche Forschungsgelder für Wasserstofftechnologien sind jedenfalls angezeigt, schon allein um zu vermeiden, dass Technologien sich aufgrund von Subventionen statt von Effizienzvorteilen durchsetzen.

Batterie statt Wasserstoff#

Angesichts der Probleme bei Transport und Lagerung ist es wahrscheinlich, dass "grüner" Wasserstoff zunächst vor allem in stationären Großanlagen genutzt und lokal produziert wird. Metall-, Chemie- und Baustoffindustrie könnten zu den wichtigsten Nachfragern zählen. Kleinteilige Anwendungen dürften sich vorerst nicht durchsetzen. Auch der großflächige Einsatz im Pkw-Bereich wird aktuell immer unwahrscheinlicher, weil die Reichweiten batterieelektrischer Autos steigen und die Ladeinfrastruktur (staatlich gefördert) ausgebaut wird. Zudem setzen viele Autohersteller im Pkw-Segment vor allem auf batterieelektrische Mobilität und weniger auf Wasserstoff. Im Lkw-Segment sind die langfristigen Aussichten wohl etwas besser, aber auch hier gibt es interessante Alternativen (synthetische Biokraftstoffe, Oberleitungen).

Wiener Zeitung, 1. März 2021