Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem

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.

Substitutionswirkung von PtX-Techniken

Source: Umweltbundesamt

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.

Mit diesem Blick in die Zukunft und ein vollständig erneuerbares Stromsystem wird insbesondere in politischen Debatten Wasserstoff, der in Elektrolyseuren mit Strom aus dem allgemeinen Stromnetz hergestellt wird, auch bereits heute als grüner Wasserstoff bezeichnet. Jedoch wäre er wissenschaftlich betrachtet heute noch dem grauen Wasserstoff zu zuordnen.

Schematische Funktionsweise von PtG und PtL

Source: 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 teils auch 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.

Vergleich der verschiedenen Wasserstoffverfahren

Die verschiedenen Verfahren zur Wasserstoffherstellung benötigen unterschiedliche Energieaufwendungen und verursachen unterschiedlichen Treibhausgasemissionen. Diese sind auch davon abhängig, ob der Wasserstoff über weite Strecken nach Deutschland importiert wird oder ob der Wasserstoff in Deutschland hergestellt wird. Im Zuge der Energiewende und der Umstellung auf erneuerbare Energien verändern sich die Treibhausgasemissionen im Laufe der Zeit. In den nachfolgenden Grafiken wird dazu ein Überblick gegeben. Es wird deutlich, dass der elektrolytisch hergestellte Wasserstoff (grüner Wasserstoff) bereits heute die geringsten Treibhausgasemissionen verursacht und ausschließlich dieser Wasserstoff das Potential hat, treibhausgasneutral hergestellt zu werden.

Wasserstoff: CO2-Abdruck verschiedener Wasserstofferzeugungen in Deutschland

Source: Umweltbundesamt

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Wasserstoff: CO2-Abdruck verschiedener Wasserstofferzeugungen im Ausland und Import nach Deutschland

Source: Umweltbundesamt

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Energieaufwand für die Bereitstellung von grauem und blauem Wasserstoff

Source: Umweltbundesamt

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Die Elektrolyse eines Kilogramms (1 kg) Wasserstoff benötigt rund 10 Liter Reinstwasser. Kühlwasser für den Betrieb der Elektrolyseure muss zusätzlich bereitgestellt werden. Technisch bedingt und wegen der notwendigen Aufbereitung des Ausgangswassers zu Reinstwasser muss von einem höheren Wasserbedarfausgegangen werden. Für 1 kg grünen Wasserstoff werden demnach 12-13 Liter Oberflächen- oder Grundwasser benötigt. Bei der Meerwasserelektrolyse erhöht sich der Wasserbedarf auf 20-30 Liter Meerwasser für 1 kg grünem Wasserstoff, kann aber je nach Elektrolyseur-Technik bis zu 46,5 Liter Meerwasser betragen. Mit der in der Nationalen Wasserstoffstrategie bis 2030 angestrebten Elektrolyseleistung von mindestens 10 GW würde sich insgesamt ein Reinstwasserbedarf von 10-11 Millionen Kubikmetern ergeben.

Verglichen mit den Wasserentnahmen der öffentlichen Wasserversorgung von rund 5,4 Milliarden Kubikmeter (Mrd. m³), der nichtöffentlichen Wasserversorgung von 5,4 Mrd. m³ für Bergbau und Gewerbe und 8,8 Mrd. m³ für die Energieversorgung im Jahr 2019 erscheint der Wasserbedarf für die Elektrolyse in Deutschland insgesamt gering. In Regionen, die bereits heute unter Trockenheit und Wasserknappheit leiden, sind allerdings standortbezogen Nutzungskonkurrenzen um die Ressource Wasser möglich. Es gibt eine Karte geplanter Wasserstoffproduktionsstandorte und der dortigen regionalen Trockenheits- und Niederschlagssituation. Erforderlich sind deshalb Kriterien für eine Standortwahl, die vorausschauend Nutzungskonflikte um die Ressource Wasser vermeident. Die Nationale Wasserstrategie sieht für die Produktion innovativer Energieträger wie zum Beispiel Wasserstoff vor, Anforderungen, Anwendungsvorschriften und Bewertungsverfahren zu erarbeiten (Aktion 55 der Nationalen Wasserstrategie).

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.

Für die Wärmeversorgung des Gebäudebestandes gilt es generell, dass das sehr hohe Energieeffizienzpotenzial 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.

Strombedarf aus erneuerbaren Energien für das Heizen mit Wasserstoff oder Wärmepumpe

Der Strombedarf aus erneuerbaren Energien für das Heizen ist mit Wasserstoff (H2) oder synthetischem Methan um das 4- bis 5-fache höher als mit einer Luft-Wärmepumpe

Source: Umweltbundesamt / Fraunhofer IEG / Fraunhofer ISI

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Vergleich der Kosten von Gasbrennwertkesseln und Wärmepumpen zur Erzeugung von Heizenergie

Source: Umweltbundesamt / Fraunhofer IEG / Fraunhofer ISI

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Gebäude-Wärmeversorgung 2050 mit Wasserstoff, Methan oder Wärmepumpen

Die Gebäude-Wärmeversorgung im Jahr 2050 mittels synthetischem Methan und Wasserstoff benötigt das 4- bis 5-fache an erneuerbarer Energie wie mittels Wärmepumpen

Source: Umweltbundesamt / Fraunhofer IEG / Fraunhofer ISI

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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.