Forschende geben Lichtblicke

Energiewende: Wie schnell kann die Wasserstoffwirtschaft kommen?

Wasserstoff gilt zwar als ein Kernelement der Energiewende – noch erscheint es aber schwer, genug Wasserstoff klimafreundlich zu produzieren.

Wasserstoff gilt zwar als ein Kernelement der Energiewende – noch erscheint es aber schwer, genug Wasserstoff klimafreundlich zu produzieren.

Wasserstoff gilt als Brennstoff der Zukunft: Bei seiner Nutzung entsteht kein Kohlendioxid (CO₂) und kein anderes Treibhausgas, sondern einfach Wasser (H₂O). Doch es gibt Schwierigkeiten bei diesem Brennstoff: Es ist sehr energieaufwendig, ihn zu erzeugen und zu transportieren. Beispielsweise muss reiner Wasserstoff für den Transport in Schiffen oder Lastwagen entweder bei minus 253 Grad Celsius verflüssigt oder bei einem Druck von bis zu 700 bar, etwa dem 700-Fachen des Luftdrucks, gespeichert werden. Dennoch soll Wasserstoff beim Erreichen einer klimaneutralen Weltwirtschaft eine wichtige Rolle spielen.

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„Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist“, schrieb der Schriftsteller Jules Verne schon 1875 in seinem Buch „Die geheimnisvolle Insel“. Denn bereits 1838 hatte Christian Friedrich Schönbein (1799–1868) das Prinzip der Brennstoffzelle entdeckt, mit der aus dem Verbrennen von Wasserstoff (H₂) elektrischer Strom gewonnen wird. Die amerikanische Weltraumbehörde Nasa nutzte in den 1960er-Jahren Brennstoffzellen als Energiequellen für ihre Mondraketen. Der Prototyp eines Traktors mit Brennstoffzelle wurde schon 1959 entwickelt. Dennoch konnte sich die Technologie in der Fahrzeugtechnik bis heute nicht recht durchsetzen.

BUND kritisiert Lieferungen von Wasserstoff

Wasserstoff ist auf der Erde reichlich vorhanden, nämlich im Wasser. Doch um den Wasserstoff als Energieträger verwenden zu können, ist bei der Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff in der Elektrolyse viel elektrischer Strom notwendig. Wenn die Herstellung klimaneutral sein soll, dann muss dieser Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen worden sein. Nur dann handelt es sich um sogenannten grünen Wasserstoff. Wird der Wasserstoff nicht aus Wasser, sondern aus Erdgas oder einem anderen fossilen Brennstoff durch Dampfreformierung gewonnen, spricht man von grauem Wasserstoff. Wird das dabei entstehende CO₂ abgeschieden und dauerhaft gespeichert, ist von blauem Wasserstoff die Rede.

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Am 21. Oktober kam die erste Lieferung von blauem Wasserstoff aus den Vereinigten Arabischen Emiraten (VAE) für den Kupferhersteller Aurubis im Hamburger Hafen an. Er wurde als Ammoniak (drei Wasserstoff-, ein Stickstoffatom, NH₃) verschifft, weil der Wasserstoff so einfacher transportiert werden kann. Doch obwohl blauer Wasserstoff als klimaschonend gilt, kritisiert der Bund für Umwelt und Naturschutz (BUND) Hamburg die Vereinbarung der Bundesregierung mit den VAE über solche Lieferungen. „Die Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas verbraucht enorme Mengen an Erdgas nicht nur für das Endprodukt, den Wasserstoff, sondern auch für den Herstellungsprozess unter hohem Druck und hoher Hitze“, erklärt Lucas Schäfer, Landesgeschäftsführer des BUND Hamburg.

Fokus auf die heimische Erzeugung grünen Wasserstoffs legen

Hinzu komme der Energieverlust für die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak für den Transport, die anschließende Rückgewinnung des Wasserstoffs sowie für die CO₂-Abscheidung und unterirdische Speicherung. Nach einer Studie der Cornell University in Ithaca (USA) kann bei der Förderung von Erdgas bis zu 3,5 Prozent als Methan entweichen, ein Gas, dessen Treibhauspotenzial 25-mal so groß ist wie das von CO₂. Beim Herstellungsprozess kann das CO₂ demnach auch nur zu 53 bis 90 Prozent abgeschieden und gespeichert werden. Insgesamt könne blauer Wasserstoff sogar klimaschädlicher sein als die direkte Verbrennung fossiler Brennstoffe. „Aus diesem Grund ist blauer Wasserstoff auch als Übergangslösung, bis genügend grüner Wasserstoff zur Verfügung steht, unverantwortlich“, betont Schäfer.

Der BUND fordert zum einen von der Bundesregierung, nicht aufs Geratewohl den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft zu fördern, sondern erst einmal zu erheben, wo denn überhaupt ein Bedarf besteht. Zum anderen sollten Energieträger nicht, wie bisher, hauptsächlich importiert werden; stattdessen gelte es, den Fokus auf die heimische Erzeugung grünen Wasserstoffs zu legen. Schäfer nennt als ein Beispiel das Mitte 2021 stillgelegte Kohlekraftwerk Moorburg in Hamburg, das sich als Standort für eine Elektrolyseanlage eigne.

So verändert sich die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff

Zudem solle die Nutzung von grünem Wasserstoff auf Bereiche beschränkt bleiben, die in absehbarer Zeit nicht elektrifiziert werden könnten, wie bestimmte Prozesse in der Schwerindustrie, die Schifffahrt, der Flugverkehr und Teile des Schwerlastverkehrs. Diese Forderung unterstützt auch Falko Ueckerdt vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). Er hat mit Kolleginnen und Kollegen untersucht, wie sich die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff in den kommenden Jahren verändern wird. Die Studie ist im September in der Fachzeitschrift „Nature Energy“ erschienen.

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Die Forschenden analysierten mittels Hochrechnung bekannter Daten von der Durchsetzung einzelner Technologien das Hochfahren der Herstellungskapazitäten für grünen Wasserstoff. Hier sind nicht nur Windräder und Solaranlagen nötig, sondern auch Elektrolyseure, die Wasser in Wasserstoff umwandeln. „Selbst wenn die Elektrolysekapazitäten so schnell wachsen wie Wind- und Solarenergie, gibt es starke Hinweise auf kurzfristige Knappheit und langfristige Unsicherheit in Bezug auf die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff“, fasst Ueckerdt das Ergebnis zusammen. Beides behindere Investitionen in die Endnutzung und Infrastruktur von Wasserstoff, verringere das Potenzial von grünem Wasserstoff und gefährde die Klimaziele.

Keine Kapazitäten für Massenproduktion

Die Pläne der EU-Kommission sehen vor, im Jahr 2030 in der EU zehn Millionen Tonnen grünen Wasserstoff zu produzieren. Dazu werden mindestens 100 Gigawatt installierter Elektrolysekapazität benötigt. Ueckerdt und Kolleginnen und Kollegen gehen für 2023 von einer Anfangskapazität von 0,92 Gigawatt aus. Um das EU-Ziel zu erreichen, wäre mehr als eine jährliche Verdopplung der installierten Kapazität notwendig. „Im Energieumfeld gibt es keinen Präzedenzfall, in dem eine Technologie so schnell hochskaliert worden wäre“, sagt Ueckerdt. Ganz unmöglich sei es aber nicht. In der Studie verweisen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf kriegsbedingte Produktionserhöhungen, etwa von Flugzeugen in den USA im Zweiten Weltkrieg, und auf die schnelle Marktdurchdringung von Smartphones und Internetangeboten.

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Wie schwierig das Hochfahren der Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff werden könnte, verdeutlicht eine Zahl der Internationalen Energieagentur (IEA): Für eine klimaneutrale Weltwirtschaft bis 2050 müssten bis zum Jahr 2030 wasserstofferzeugende Elektrolyseure mit einer Leistung von 850 Gigawatt installiert werden; die „Nature Energy“-Studie nennt für 2023 eine weltweite Kapazität von nur 3,5 Gigawatt. Eine Hürde beim Ausbau der Kapazitäten ist, dass die Herstellung von Elektrolyseuren noch viel Handarbeit erfordert und damit teuer ist, weil die bisherigen Kapazitäten noch nicht das Potenzial für eine Massenproduktion hergaben.

Roboter soll Brennstoffzellen bauen

Dasselbe gilt auch für Brennstoffzellen. Hier setzt ein Projekt an, das das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (Fraunhofer IPA) in Stuttgart gemeinsam mit dem Campus Schwarzwald und einem Industriekonsortium umsetzt: H2FastCell. Bis Mitte 2023 bauen die Forschenden eine Roboterzelle für die automatisierte Hochgeschwindigkeitsmontage von Brennstoffzellenstacks auf. Ein solches Stack besteht typischerweise aus aufeinandergestapelten Lagen von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Über die Bipolarplatten werden Wasserstoff und Sauerstoff, häufig in Form von Luftsauerstoff, eingeleitet, die in den Membran-Elektroden-Einheiten miteinander reagieren, wobei elektrischer Strom entsteht.

Ein Stack mit 400 einzelnen Brennstoffzellen soll der Roboter in 13 Minuten bauen können. „Wenn der Durchsatz der Stacks derart erhöht wird, ist damit die Grundlage für die industrielle Massenproduktion von Brennstoffzellen gelegt“, wird Projektleiter Friedrich-Wilhelm Speckmann in einer Mitteilung seines Instituts zitiert. Das würde die Preise senken und Brennstoffzellen wettbewerbsfähiger machen.

Grüner Wasserstoff für die Herstellung von Düngemitteln?

Auch gelte es, Brennstoffzellen in ihrem Aufbau weiter zu optimieren, sagt sein Mitarbeiter René Schade. So sind Edelmetalle knapp und sie verteuern die Produktionskosten, weshalb ihr Anteil möglichst klein gehalten werden sollte. Wegen solcher Verbesserungsmöglichkeiten sieht Schade für Brennstoffzellen und für Wasserstoff allgemein ein großes Potenzial: „Es ist aktuell der einzige zukunftsfähige nicht fossile Brennstoff und wir brauchen ihn dort, wo die reine Elektrifizierung nicht möglich oder wirtschaftlich sinnvoll ist.“

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Die Industrie verwendet bisher grauen Wasserstoff, etwa für die Herstellung von Düngemitteln und anderen Produkten der chemischen Industrie. Für die Herstellung dieser Produkte könnte sofort grüner Wasserstoff genutzt werden, betont Schade. Andere Industrieprozesse, etwa die Reduktion von Stahl in der Stahlproduktion, könnten in nächster Zeit verstärkt auf Wasserstoff umgestellt werden. Dabei könnten bei geeigneten Rahmenbedingungen Elektrolyseure vor Ort den grünen Wasserstoff erzeugen und somit das Transportproblem umgehen. Mittelfristig könnten schwere Dieselfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge grünen Wasserstoff nutzen, entweder direkt oder über die Herstellung künstlicher Brennstoffe.

Grüner Wasserstoff für klimaneutrale Weltwirtschaft unabdingbar

Auch sei die Energieerzeugung in Gebäuden mit grünem Wasserstoff möglich, meint Schade. Damit zu rechnen, davor warnt allerdings Falko Ueckerdt vom PIK mit Blick auf kombinierte Warmwasser- und Heizungsanlagen in Wohnungen: „Bald werden sicherlich Gasthermen angeboten, die H2-ready sind, also auf Wasserstoff als Brennstoff umgestellt werden können.“ Dies ist für ihn aber ein riskanter Weg, da Wasserstoff wahrscheinlich erst mal knapp und teuer bleiben wird, während Wärmepumpen und Fernwärme für das Heizen von Gebäuden besser geeignet seien. „Die Fokussierung auf grünen Wasserstoff sollte nicht dazu führen, dass Technologien, die verfügbar und energieeffizient sind, in ihrer Weiterentwicklung vernachlässigt werden“, hebt Ueckerdt hervor.

In einer Publikation im Rahmen des mit Bundesmitteln geförderten Ariadneprojekts schreiben Ueckerdt und Kolleginnen und Kollegen: „Eine ‚blaue Wasserstoffbrücke‘ könnte das Angebot klimafreundlichen Wasserstoffs erhöhen und eine frühere Transformation hin zu Wasserstoff ermöglichen.“ Dazu bedürfe es jedoch der Zertifizierung, Regulierung und Bepreisung der Treibhausgasemissionen im Lebenszyklus des blauen Wasserstoffs. Gleichzeitig sei diese Option mit der Energiekrise in der EU teurer und unwahrscheinlicher geworden. In der Berücksichtigung von blauem Wasserstoff unterscheiden sich der PIK-Forschende und der BUND-Aktivist Schäfer, der diesen kategorisch ablehnt. Doch alle genannten Fachleute stimmen darin überein, dass für eine klimaneutrale Weltwirtschaft grüner Wasserstoff unabdingbar ist.

RND/dpa

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