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Die Europäische Union und Deutschland wollen bis 2050 (EU) bzw. 2045 (D) klimaneutral sein. Die Verpflichtung zur Klimaneutralität hat zur Folge, dass emissionsintensive Anwendungen und Produkte durch emissionsfreie Alternativen ersetzt werden. Eine Alternative ist klimaschonender Wasserstoff. Allerdings ist Wasserstoff nicht das Allzweck-Wunderwerkzeug, das alle Herausforderungen auf einmal löst. Denn dafür ist er viel zu kostbar und teuer. Oft ist es preiswerter und sinnvoller, Strom direkt zu nutzen.
1. Was ist Wasserstoff?
Wasserstoff ist ein chemisches Element mit vielen Fähigkeiten. Es kommt auf der Erde kaum in Reinform vor, sondern muss aus Verbindungen mit anderen Elementen herausgelöst werden. Das ist ein energieintensiver Prozess. Wasserstoff kann in verschiedene Folgeprodukte weiterverarbeitet werden. Dazu zählen wasserstoffbasierte synthetische Energieträger und Grundchemikalien wie Methanol, Ammoniak, synthetisches Methan und synthetische Kraftstoffe (sog. E-Fuels).
2. Was hat Wasserstoff mit Klimaneutralität zu tun?
Wasserstoff kann helfen, emissionsintensive Anwendungen und Produkte emissionsfrei und emissionsarm zu machen. Da Deutschland bis 2045 klimaneutral werden muss, sind solche Anwendungen und Produkte jetzt sehr gefragt. Denn die Industrie braucht einige Jahre Zeit um umzustellen. Es geht um langfristige Investitionen und die Betriebe müssen teilweise neue Anlagen bauen. Die Industrie fordert von der Politik verlässliche Rahmenbedingungen. Sie will wissen, dass es sich für sie lohnt, in neue, klimaschonende Anlagen und Geschäftsmodelle zu investieren.
Wasserstoff kann helfen, einige Produkte und Anwendungen, auf die wir in der modernen Gesellschaft nicht verzichten wollen und können, klimaschonender zu machen.
Wasserstoff ist eine wichtige Technologie für Klimaschutz. Es ist irreführend, so zu tun, als könnte Wasserstoff alle Klimaprobleme lösen und als sei Wasserstoff die ultimative Technologie. Denn erstens gibt es in vielen Bereichen günstigere Alternativen, um Emissionen einzusparen und zweitens wird Wasserstoff aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nur begrenzt zur Verfügung stehen.
3. Wo kann Wasserstoff zum Beispiel konkret helfen?
In der chemischen Industrie könnte mit grünem Wasserstoff grüner Ammoniak hergestellt werden. Ammoniak ist ein wichtiger Grundstoff für die chemische Industrie. Bisher ist die Ammoniaksynthese das CO2-intensivste petrochemische Verfahren. Mit grünem Ammoniak würde der CO2-Fußabdruck der chemischen Industrie stark verkleinert. Auch bei der Stahlherstellung ist grüner Wasserstoff eine sinnvolle Alternative zu fossilen Energieträgern. Stahl wird im Hochofen oder in einer Direktreduktionsanlage erzeugt. Bei der Hochofen-Route kann grüner Wasserstoff die sog. Einblaskohle ersetzen. Bei der Direktreduktionsroute kann grüner Wasserstoff anstatt Erdgas verwendet werden.
Wenn Flugzeuge mit synthetischem Kerosin, einem Folgeprodukt von Wasserstoff, betankt werden, kann dies auch das Fliegen etwas klimaschonender machen. Gleichzeitig gilt es, andere klimaschonende Flugmaßnahmen (leichtere Flugzeuge bauen, Optimierung der Flugrouten etc.) und komplette Alternativen zum Fliegen (Zugfahren etc.) anzureizen.
Weil er so kostbar ist und für besondere Anlässe reserviert sein sollte, wird Wasserstoff manchmal als "Champagner der Energiewende" bezeichnet.
4. Was hat Wasserstoff mit Ökostrom zu tun?
Erstens: Mit Ökostrom wird "grüner" Wasserstoff hergestellt. Zweitens: Man kann Ökostrom in Wasserstoff "speichern".
Zu erstens: Der so genannte "grüne" Wasserstoff wird durch die Elektrolyse gewonnen. In diesem Verfahren wird Wasser (H2O) in die Bestandteile Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zerlegt. Das kennen einige vielleicht noch aus dem Chemieunterricht und sieht ungefähr so aus:
Diese Aufspaltung braucht Strom. Für die Elektrolyse an sich ist es egal, ob der Strom aus einem Kohlekraftwerk kommt oder aus einem Windrad. Für den Klimaschutz und den Erhalt unserer Lebensgrundlagen ist es hingegen erforderlich, dass grundsätzlich nur noch Ökostrom, vor allem aus Wind- und Sonnenkraft, produziert wird.
Zu zweitens: Man kann den Ökostrom direkt nutzen. Das passiert zum Beispiel beim Laden des Smart Phones und des Elektroautos sowie im leitungsgebundenen Schienenverkehr. Man kann mit dem Ökostrom auch Wasserstoff herstellen. Der Ökostrom kann in dem gasförmigen Wasserstoff gespeichert werden. Um dann wieder an den Strom zu kommen, muss der gasförmige Wasserstoff rückverstromt werden. Aufgrund dieser Speicherfähigkeit wird Wasserstoff manchmal als "Partner der Erneuerbaren" bezeichnet. Weil auf diese Weise eben Ökostrom gespeichert werden kann.
5. Grün und Blau - Was bedeuten die Farben beim Wasserstoff?
Wasserstoff an sich hat keine Farbe. Die Farben stehen nur symbolisch dafür, mit welchen Verfahren und welchen Ausgangsstoffen er hergestellt wurde. Nur "grüner" Wasserstoff, der mit Ökostrom durch Elektrolyse hergestellt wird, ist so gut wie emissionsfrei. Klar, beim Bau der Anlagen können Emissionen entstehen, aber das gilt für alle anderen Wasserstoffanlagen auch.
"Blauer" Wasserstoff basiert wie „grauer“ Wasserstoff auf Erdgas. Weil das CO2 bei der Herstellung von blauem Wasserstoff nicht (sofort) in die Atmosphäre gelangt, sondern unterirdisch „eingelagert“ würde, wird dieser blaue Wasserstoff als klimaneutral bezeichnet. Die Bezeichnung ist umstritten, weil durch die Erdgasverwendung Mehremissionen entstehen. Bisher gibt es keine Anlagen, die blauen Wasserstoff in großem Stil herstellen können.
6. Wieso ist blauer Wasserstoff umstritten?
Selbst wenn das CO2 nach der Wasserstoffherstellung zum Großteil abgeschieden und unterirdisch verpresst werden würde, blieben die klimaschädlichen Emissionen, die bei der Förderung und dem Transport des Erdgases entstehen (sog. „Vorkettenemissionen“). Das Problem ist das Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas. Gelangt Methan in die Atmosphäre, wirkt es dort über einhundert Jahre 28-mal klimaschädlicher als CO2. Über 20 Jahre wirkt es sogar 84-mal stärker als CO2. Deswegen stehen unter anderem viele Umweltverbände blauem Wasserstoff kritisch gegenüber.
Andere Fachleute und auch weite Teile der Industrie argumentieren, dass blauer Wasserstoff als Übergangslösung gebraucht werde, bis es genügend grünen Wasserstoff gebe. Es gelte, Investitionszeitfenster zu nutzen und in neu gebauten Anlagen Anwendungen mit Wasserstoff zu erproben. Für die Erprobung und Markteinführung sei blauer Wasserstoff eine pragmatische Lösung. Wenn dann genügend grüner Wasserstoff zur Verfügung stünde, könnte von blau auf grün umgestellt werden.
7. Was ist von Wasserstoff-Autos zu halten?
Wegen der hohen Gesamtkosten des Betriebs und der schlechten Energieeffizienz sind Wasserstoff-Autos keine günstige Option, um die Emissionen im Straßenverkehr zu mindern. Wenn Autos, dann sind Elektro-Autos besser. Die meisten Autobauer setzen auf diese batterieelektrischen Antriebe. Es gibt kaum Autos mit Brennstoffzellen auf dem Markt. Es gibt auch keine Tankinfrastruktur für Wasserstoff. Diese müsste zu hohen Kosten entwickelt und gebaut werden, was sich letztendlich auf die Verbraucher:innenpreise auswirkt.
8. Und was ist mit synthetischen Kraftstoffen?
Für die Herstellung von E-Fuels wird zunächst eine Elektrolyse durchgeführt, also Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Durch die Zugabe von CO2 entsteht aus Wasserstoff Methan. Durch weitere chemische Prozesse werden die gewünschten Kraftstoffe gewonnen. Sie sind chemisch identisch mit herkömmlichem Benzin, Diesel oder Kerosin. Deswegen werden sie von denjenigen propagiert, die am Verbrennungsmotor festhalten wollen. Die Sache hat nur einen Haken: Für die Herstellung von "grünen" E-Fuels braucht es sehr viel Ökostrom. Es ist viel effizienter, diesen Ökostrom direkt zu nutzen, in einem batterieelektrischen Antrieb. Der aufwendige Herstellungsprozess und die geringe Verfügbarkeit machen E-Fuels sehr teuer. Aktuell würde ein Liter E-Fuels gut 4,50 Euro kosten.
Electrification first“ ist das Motto, gerade auch im Straßenverkehr.
9. Wie viel Wasserstoff wird in Deutschland in Zukunft benötigt?
Der nationale Verbrauch liegt derzeit zwischen 55 und 60 Terrawattstunden pro Jahr. Das ist fast ausschließlich grauer Wasserstoff aus Gas und Öl, also sehr klimaschädlich. Die folgende Abbildung zeigt ein Szenario für Erzeugung und Verbrauch, wobei das Ziel Klimaneutralität 2045 ist. Demnach würden 2030 63 Terrawattstunden Wasserstoff gebraucht, also nur geringfügig mehr als heute. Bis 2045 würde die Nachfrage dann auf 265 Terrawattstunden pro Jahr steigen. Das Szenario sieht für 2030 einen Mix aus grünem und blauem Wasserstoff vor. Bis 2045 würde der blaue Wasserstoff aber vollständig durch grünen Wasserstoff verdrängt.
Der Bedarf an (grünem) Wasserstoff würde größer sein als die Menge, die in Deutschland selbst erzeugt werden kann. Deutschland ist relativ dicht besiedelt und es scheint auch nicht das ganze Jahr die Sonne. Das begrenzt die Kapazitäten für Windkraft und Solarkraft. So müssten bereits ab 2030 zwei Drittel des benötigten Wasserstoffs importiert werden.
10. Was ist mit Blick auf Wasserstoffimporte zu beachten?
In Ländern mit viel Fläche, Sonne und Wind herrschen geografisch und physikalisch gesehen gute Bedingungen für die Produktion von grünem Wasserstoff. Das sind tendenziell Länder im so genannten Globalen Süden. Es besteht die Gefahr, dass es in den Exportländern zu negativen Beeinträchtigungen für Mensch und Natur kommt, wenn dort im großen Stil für den Export (grüner) Wasserstoff produziert wird. Zum Beispiel braucht man für die Elektrolyse viel sauberes Wasser. In den sonnenreichen Ländern des globalen Südens ist sauberes Wasser eher eine knappe Ressource. Es müsste sichergestellt werden, dass es – trotz Wasserstoffproduktion - eine sichere Trinkwasserversorgung vor Ort gibt. Gleiches gilt für die Ökostromversorgung. Ökostromanlagen müsste es für grünen Wasserstoff und nachhaltige Stromversorgung vor Ort geben. Insgesamt sollten die Menschen und die Wirtschaft vom Wasserstoff nachhaltig profitieren.
Bisher gibt es noch kein verbindliches Regelwerk für Wasserstoffimporte. Deutschland und Europa haben deswegen die Chance voranzugehen und mit ihrer Marktmacht strenge und überprüfbare Standards zu schaffen. Ein solches Regelwerk, dass mit handfesten Sanktionen verbunden wird, könnte dazu beitragen aus Wasserstoff eine wirklich nachhaltige, globale Unternehmung wird: sozial gerecht, ökologisch verträglich und wirtschaftlich erfolgreich.
Video-Mitschnitte des "Grundkurs Wasserstoff I - Herstellung und Anwendungsfelder für klimaschonenden Wasserstoff" am 13. Oktober 2021
Video-Mitschnitt des "Grundkurs Wasserstoff II - Politische Rahmenbedingungen für klimaschonenden Wasserstoff" am 14. Oktober 2021
