Ist Wasserstoff die Allzweckwaffe für die Energiewende?

Unter Wasser Foto: Jong Marshes / Unsplash.com

Energiewende

Ist Wasserstoff die Allzweckwaffe für die Energiewende?

Die Bundesregierung hat sich auf eine „Nationale Wasserstoffstrategie“ geeinigt. Wir erklären, inwiefern Wasserstoff eine Alternative zu Kohle, Öl und Gas werden kann.

10. Juni 2020

Warum wird Wasserstoff gerade so gehypt?

Im Grunde steht Wasserstoff schon ziemlich lange auf der Forschungsagenda. „Das in seine Elementarbestandteile zerlegte Wasser“, prognostizierte der französische Visionär und Science-Fiction-Pionier Jules Verne schon vor fast 150 Jahren, könne „die Kohle der Zukunft“ werden. Schon damals untersuchten zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Wasserstoff und seine möglichen Einsatzfelder. Auch während der Ölkrise der Siebzigerjahre war Wasserstoff allerorten ein Schlagwort.

Während H2 damals vor allem als Antwort auf die Abhängigkeit und Endlichkeit fossiler Rohstoffe galt, haben die Forschung, die Politik und Unternehmen den Wasserstoff in den vergangenen Jahrzehnten als eine der Lösungen für die fortschreitende Klimakrise wieder stärker ins Blickfeld genommen. Wahlweise wurde er zur „Allzweckwaffe“, zum „grünen Öl“ oder zu einer „tragenden Säule der Energiewende“ erklärt.

Wasserstoff macht die erneuerbaren Energien haltbar

Tatsächlich könnte Wasserstoff zumindest auf dem Papier die Aufgaben der fossilen Energieträger übernehmen, die gleichermaßen der zentrale Treibstoff unserer Entwicklung und eine nie da gewesene Belastung für das Erdklima waren. Mit Wasserstoff lässt sich synthetischer Kraftstoff für unsere Autos herstellen, in Brennstoffzellen Strom erzeugen oder unser Wohnzimmer beheizen. Man kann ihn auch – statt Erdöl – dafür nutzen, um Rohstoffe für die Chemieindustrie zu gewinnen, aus denen dann beispielsweise Kunststoffe hergestellt werden. Kurzum: Mit Wasserstoff kann man prinzipiell all das tun, wofür wir bislang vor allem Öl, Kohle und Erdgas nutzen – ohne dass bei der Rückumwandlung in Energie CO2 frei wird.

Im Kontext der Energiewende wird Wasserstoff außerdem als wichtiger Speicher für regenerative Energien gehandelt. Nach wie vor gilt die wetterunabhängige Verfügbarkeit der erneuerbaren Energien als zentrale Herausforderung für eine dekarbonisierte Energieversorgung. Um auch dann ausreichend Strom zu haben, wenn Fotovoltaikanlagen und Windräder ihn gerade nicht liefern können, brauchen wir umfassende Speichermöglichkeiten. Neben Pump- oder Wärmespeichern und Akkus soll der Wasserstoff hier einen entscheidenden Teil beitragen.

Normalerweise werden Solarsystem und Windräder zur Schonung der Stromnetze abgeschaltet, wenn die Sonne anhaltend scheint oder der Wind stark weht. Stattdessen könnte der Energieüberschuss – so die Idee – für die Herstellung von Wasserstoff genutzt werden. Aus der elektrischen würde dann chemische Energie, die gasförmig oder als Flüssigkeit gespeichert und transportiert werden kann. Anders als eine Batterie, die sich nach und nach entlädt, taugt Wasserstoff auch als langfristiger Speicher ohne großen Energieverlust. Energie aus erneuerbaren Quellen bleibt nutzbar und könnte zeitlich unabhängig eingesetzt werden – auch dann, wenn die Windräder ruhen oder Wolken den Himmel bedecken.

Wie wird Wasserstoff gewonnen?

Wasserstoff ist überall, aber nie allein. Obwohl er das leichteste aller chemischen Elemente ist, macht Wasserstoff etwa 75 Prozent der Masse des gesamten Universums aus und steckt in allen lebendigen Organismen. Aber: Wasserstoff tritt ausschließlich gebunden, als Bestandteil größerer organischer Verbindungen auf. Um ihn sich als Energieträger nutzbar zu machen, muss er zuerst durch energieintensive chemische Verfahren gelöst werden.

An dieser Stelle wird es bunt: Je nachdem, welches Verfahren angewandt wird, spricht man von grauem, blauem, grünem oder türkisem Wasserstoff. Für das Endprodukt ist es – rein chemisch betrachtet – im Grunde egal, welche Art von Wasserstoff genutzt wird. H2 bleibt H2. Doch in ihrer Gewinnung – und damit auch in ihrer Klimabilanz – unterscheiden sich die Wasserstoff-Typen erheblich:

  • Grauer Wasserstoff wird auf Grundlage von fossilen Energieträgern gewonnen, vor allem durch die so genannte Dampfreformierung: Unter Wärmeeinsatz wird bei der Reaktion von Methan (CH4, der Hauptbestandteil von Erdgas) und Wasserdampf Wasserstoff frei und dann abgespalten. Allerdings entsteht dabei auch CO2. Wasserstoff gilt auch dann als grau, wenn bei seiner Gewinnung fossile Energieträger eingesetzt werden. Zum Beispiel, um die Energie für die Elektrolyse zu liefern, bei der Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff getrennt werden.
  • Blauer Wasserstoff wird zunächst auf demselben Weg wie grauer Wasserstoff gewonnen. Auch hier entsteht also Kohlendioxid. Blau – also vermeintlich klimaverträglicher – wird er dadurch, dass das entstehende CO2 direkt im Produktionsprozess abgefangen wird. Dieses kann dann zum Beispiel unterirdisch gelagert oder als Rohstoff weiterverarbeitet werden (Carbon Capture and Storage, CCS).
  • Grüner Wasserstoff ist das Endprodukt einer Elektrolyse, die vollständig mit erneuerbaren Energien ausgeführt wird. Sie kommt völlig ohne direkte Emissionen von Kohlenstoffdioxid oder anderen Treibhausgasen aus.
  • Türkiser Wasserstoff wird durch eine sogenannte Methanpyrolyse gewonnen. Methan dient dabei wie bei der Dampfreformierung als Grundstoff. Der entscheidende Unterschied: Bei der Methanpyrolyse entsteht neben Wasserstoff nicht Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt, sondern fester Kohlenstoff. Werden für den Vorgang ausschließlich erneuerbare Energien genutzt, wird damit auch türkiser Wasserstoff oft als CO2-neutral bezeichnet.

Auf welchen Wasserstoff sollten wir setzen?

Wo heute schon H2 im Einsatz ist – etwa bei der Ammoniak- und Düngemittelherstellung – wird zu 95 Prozent grauer Wasserstoff genutzt. Für den Klimaschutz ist dieser wegen seiner Emissionsbilanz alles andere als hilfreich.

Klar ist: Wasserstoff kann nur dann zu den Klimaschutzzielen beitragen, wenn seine Herstellung CO2-neutral ist. Türkiser Wasserstoff spielt aber bislang eher in langfristigen Erwägungen eine Rolle, weil die Herstellung noch nicht über Pilotprojekte hinaus erprobt ist. Blauer Wasserstoff ist vor allem deshalb umstritten, weil mit Blick auf die Risiken einer CO2-Einlagerung in Böden zentrale Fragen offen sind und nicht garantiert werden kann, dass klimaschädliche Treibhausgase im Laufe des Prozesses nicht doch in die Atmosphäre entweichen. Außerdem werden bei dem Verfahren nur etwa 90 Prozent des Kohlenstoffdioxids abgefangen. Vollkommen emissionsneutral ist die Herstellung also nicht.

Wasserstoff frisst mehr Energie als er liefern kann

Deshalb gilt grüner Wasserstoff aus ökologischer Sicht zumindest langfristig als einzig wirklich sinnvolle Variante. Dazu bekennt sich die Bundesregierung auch in ihrer Wasserstoffstrategie. Das Problem: Die Mengen an Ökostrom, die für die Herstellung benötigt werden, sind enorm. Bei der Elektrolyse gehen laut der Internationalen Energieagentur (IEA) nach aktuellem Stand der Technik je nach Verfahren 20 bis 40 Prozent der Energie verloren. Dazu kommen in der weiteren Verarbeitung Verluste bei der Verdichtung (bis zu 15 Prozent) oder Verflüssigung (bis zu 25 Prozent) für den Transport. Schon bevor Wasserstoff als Energieträger tatsächlich eingesetzt wird, geht also ein erheblicher Teil der grünen Primärenergie verloren.

Ein Beispiel: Studien rechnen – je nach Szenario – für Deutschland bis 2050 mit einem Bedarf von bis zu 600 Terawattstunden aus Wasserstoff pro Jahr. Gehen wir als Mittelwert von Umwandlungsverlusten von etwa einem Drittel aus, bräuchte es bis zu 900 Terawattstunden erneuerbaren Stroms allein für die Wasserstoffproduktion. Zum Vergleich: 2019 lag der gesamte Nettostromverbrauch in Deutschland laut dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bei gerade einmal 512 Terawattstunden.

Solange Ökostrom nicht im Überfluss zur Verfügung steht, ist eine großflächige Produktion von Wasserstrom in Deutschland deshalb umstritten. Das Öko-Institut plädiert etwa dafür, den breiten Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft in der Energiewende hintenanzustellen und sich vorerst eher auf Verbesserungen in der Energieeffizienz und den massiven Ausbau erneuerbarer Energien zu konzentrieren.

Die Zusammenarbeit mit dem Ausland ist unerlässlich

Expertinnen und Experten schätzen, dass Deutschland langfristig maximal ein Fünftel seines Wasserstoffbedarfs selbst produzieren kann. Der Großteil dürfte dort entstehen, wo die Bedingungen für Wind und Solar vorteilhaft sind. Eine erste Kooperation hat die Bundesregierung beispielsweise mit Marokko vereinbart. Deutschland könnte die nötige Technologie liefern und im Gegenzug Zugang zu günstig produziertem grünen Wasserstoff erhalten.

Weil grüner Wasserstoff auf absehbare Zeit nicht in ausreichender Menge verfügbar sein dürfte, wird intensiv diskutiert, als Übergangslösung trotz bestehender Risiken auch blauen Wasserstoff zu nutzen. Dieser dürfte nach Berechnungen der Internationalen Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) in den nächsten 10 bis 20 Jahren noch deutlich günstiger sein.

Eine solche Zwischenlösung hätte den Vorteil, dass Wasserstoff früher am Markt etabliert werden könnte und die entstehende Infrastruktur (etwa das erforderliche Netzwerk an Pipelines) schon bereitstünde, sobald grüner Wasserstoff tatsächlich wirtschaftlich und in großer Menge verfügbar ist.

Wo ergibt der Einsatz von Wasserstoff tatsächlich Sinn?

Während vor einigen Jahren teilweise noch von einer vollständigen Wasserstoffwirtschaft fantasiert wurde, weiß man mittlerweile: Wegen seiner Effizienzprobleme ist Wasserstoff in vielen Einsatzgebieten auch in Zukunft kaum sinnvoll nutzbar.

Als Faustregel gilt: Wo immer sie möglich ist, lohnt sich eher die direkte Nutzung von Strom. Das gilt nach Meinung der meisten Forschenden zum Beispiel für den Pkw: Um eine Strecke X zurückzulegen, braucht ein Wasserstoffauto mit Brennstoffzelle laut dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung mehr als doppelt so viel Primärenergie wie das E-Auto mit Akku. Nutzt man den Wasserstoff für die Produktion von synthetischem Kraftstoff, um damit Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren anzutreiben, ist sogar etwa die fünffache Menge an Energie nötig. Auch beim Heizen verliert die Wasserstoffbrennzelle in der Effizienz deutlich gegen die Wärmepumpe.

In anderen Bereichen dürfte Wasserstoff hingegen eine Schlüsselrolle für den Klimaschutz einnehmen; etwa dort, wo eine Nutzung von grünem Direktstrom ökonomisch unsinnig oder technisch unmöglich ist und auch sonst wenige klimafreundliche Alternativen bleiben.

Nur mit Wasserstoff kann die Stahlindustrie wirklich grün werden

Für große Fahrzeuge, die lange Strecken zurücklegen müssen, könnte Wasserstoff zum Beispiel wichtig werden, weil Akkus ihren Energiebedarf mittelfristig nicht decken werden. Logistikunternehmen können sich beispielsweise kaum erlauben, dass ihre Lkw nach wenigen Hundert Kilometern erst einmal eine Stunde an der Ladesäule verbringen müssen, ehe sie weiterfahren können. Frachtschiffe oder Flugzeuge, die den Atlantik überqueren, haben gar überhaupt keine Lademöglichkeit. Für sie könnte die Nutzung von Wasserstoff beziehungsweise synthetischen Kraftstoffen auf Basis von Wasserstoff die einzige umweltverträgliche Alternative zu fossilen Kraftstoffen sein.

Vor allem dürfte Wasserstoff helfen, energieintensive Industrieprozesse wie die Stahlproduktion nachhaltiger zu machen. Würde Wasserstoff die Kohle in den Hochöfen ersetzen, ließen sich laut der Deutschen Energieagentur (DENA) rund 95 Prozent der CO2-Emissionen einsparen. Auch die chemische Industrie, die Wasserstoff als Rohstoff benötigt, ist auf den Umstieg von grauem auf klimafreundlichen Wasserstoff angewiesen. Industrielle Großabnehmer könnten H2 für den Eigenbedarf in unmittelbarer Nähe zu ihren Fertigungsstätten produzieren. Wasserstoff könnte so effizienter eingesetzt werden, weil die Verluste entfallen, die sonst bei für den Transport notwendigen Umwandlungen anfallen.

Als Speicher zum Ausgleich von Flauten in Wind- und Solarparks sollte Wasserstoff nach Einschätzung des Öko-Instituts hingegen erst dann eingesetzt werden, wenn mindestens 80 Prozent des Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Quellen kommen. Davor böten Kurzfristspeicher wie Akkus oder der Stromhandel mit dem Ausland effektivere Möglichkeiten zur Netzsteuerung und -stabilisierung.

Was fehlt grünem Wasserstoff zum Durchbruch?

Das Hauptproblem sind momentan vor allem die hohen Kosten im Vergleich zu den fossilen Energieträgern. Diese haben sowohl strukturelle als auch technische Ursachen.

In Deutschland werden Elektrolyseure – also die Apparate, in denen Wasser in seine Einzelteile zerlegt wird – aktuell noch wie jeder normale Endverbraucher behandelt. Das heißt: Für den vielen Strom, den sie benötigen, werden zum Beispiel ganz regulär Stromsteuer und EEG-Umlage fällig. Letztere soll gemäß der Nationalen Wasserstoffstrategie nun entfallen, um die Produzenten finanziell zu entlasten. Eine höhere CO2-Bepreisung könnte zusätzlich dabei helfen, grünen Wasserstoff konkurrenzfähiger zu machen, weil sie den Einsatz fossiler Energieträger im Vergleich erheblich verteuern würde.

Neben den hohen Kosten für Strom sind auch die notwendigen Gerätschaften noch kostspielig. Elektrolyseure für eine Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab werden heute noch von Hand gefertigt. Solange die Massenherstellung noch nicht angelaufen ist, sind die Geräte entsprechend teuer. Es ist ein „Henne-Ei-Problem“: Weil die Wasserstoffherstellung noch nicht wirtschaftlich ist, schrecken Investorinnen und Investoren zurück. Doch gleichzeitig verhindern gerade diese fehlenden Investments, dass die Kosten sinken.

Der Preis für grünen Wasserstoff wird künftig fallen

Mit den stetig sinkenden Preisen für erneuerbare Energien dürfte aber auch die Produktion grünen Wasserstoffs deutlich attraktiver werden. Die Internationale Energieagentur rechnet damit, dass der Preis für Wasserstoff bis 2030 um ein Drittel sinken könnten. Einsparpotenzial sieht sie in den sinkenden Strompreisen für grünen Strom und bei den Elektrolyseuren, die günstiger produziert werden können, sobald die Massenproduktion angelaufen ist.

Trotzdem sind sich Ökonominnen und Ökonomen weitestgehend einig, dass es klare politische Signale und konkrete Anschubfinanzierungen braucht, um Wasserstoff aus dem Nischendasein zu holen. Deshalb ist es trotz allem sinnvoll, den Aufbau der Wasserstoffproduktion schon jetzt anzuschieben, auch wenn die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen noch nicht optimal sind.

Autor: Jannis Carmesin

2 Kommentare;

  1. Sehr geehrtes Quarks&Co–Team,
    der Beitrag ist sehr aufschlußreich. Was ich allerdings bei der Diskussion vermisse ist :wenn der Wasserstoff aus Wasser per Elektrolyse gewonnen werden soll, welches Wasser steht dafür zur Verfügung? Wegen des Klimawandels und der damit auch in diese Breiten wahrscheinlich häufigeren Dürrenperioden, scheidet ja wohl die Onshore-Gewinnung aus. Bleibt also das Meerwasser. Hier sehe iche dieselben Probleme wie bei den Meerwasserentsalzungsanlagen in deren Umfeld die Meeresbiologie massiv Schden nimmt. Sie sollten das einmal in einer Sendung thematisieren.
    Mit freundlichem Gruß
    Karlernst Sewing

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