Wasserstoff

Ein Vorteil von Wasserstoff ist seine Fähigkeit, als saisonales und längerfristiges Speichermedium zu dienen. Im Gegensatz zu Batterien, die für kurzfristige Speicherung geeignet sind, kann Wasserstoff über längere Zeiträume gespeichert werden. Dies ist besonders wichtig für die Integration erneuerbarer Energien, die sowohl saisonalen als auch kurzfristigeren Schwankungen unterliegen.

Wasserstoff kann zum Beispiel in großen Mengen in unterirdischen Kavernen oder Drucktanks gespeichert werden. Diese Speichertechnologien ermöglichen es, überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen in Zeiten hoher Produktion zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen. Dadurch wird die Versorgungssicherheit erhöht und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert.

• Laut der Internationalen Energieagentur IEA (Global Hydrogen Review 2024) erreichte die globale Wasserstoffproduktion im Jahr 2023 etwa 97 Millionen Tonnen,

• wobei weniger als 1 % davon emissionsarm waren.

Daraus wird ersichtlich, dass noch erhebliche Anstrengungen notwendig sein werden, um den Anteil von grünem Wasserstoff deutlich zu erhöhen und somit einen nennenswerten Beitrag zur Erreichung der Klimaziele zu leisten. Die Prognosen diesbezüglich geben durchaus Anlass zur Hoffnung:

• So prognostiziert die IEA, dass der Anteil von grünem Wasserstoff bis 2030 erheblich steigen könnte.

• Basierend auf angekündigten Projekten, könnte die Produktion von emissionsarmem Wasserstoff bis 2030 auf 49 Millionen Tonnen pro Jahr ansteigen, das würde in etwa der Hälfte der gesamten weltweiten Produktion des Jahres 2023 entsprechen. Das wäre zugleich ein Vielfaches der aktuellen Produktionsmenge von weniger als 1 Million Tonnen pro Jahr. Vor dem Hintergrund, dass es in den vergangenen zwei Jahren wiederholt zu Projektverschiebungen bis hin zu Entscheidungen, Projekte nicht zu realisieren, gekommen ist, könnte sich diese Wachstumsprognose der IEA womöglich als zu optimistisch erweisen.

Grüner Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle in schwer zu dekarbonisierenden Industrien wie der Stahl- und Zementindustrie. Diese Industrien sind für einen erheblichen Anteil der globalen CO2-Emissionen verantwortlich und benötigen innovative Lösungen, um ihre Emissionen zu reduzieren.

• In der Stahlindustrie kann grüner Wasserstoff als Reduktionsmittel anstelle von Kohle verwendet werden. Dies ermöglicht die Herstellung von kohlenstofffreiem Stahl und reduziert die CO2-Emissionen erheblich.

• In der Zementindustrie kann Wasserstoff als Brennstoff in den Produktionsöfen eingesetzt werden, wodurch fossile Brennstoffe ersetzt und die Emissionen gesenkt werden.

Die Nutzung von grünem Wasserstoff in diesen Industrien befindet sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und erfordert erhebliche Investitionen in Forschung und Infrastruktur. Dennoch zeigen erste Pilotprojekte vielversprechende Ergebnisse und können als Vorboten einer klimaneutralen Industrieproduktion gesehen werden.

Die Energieeffizienz von Wasserstoff ist ein entscheidender Faktor für seine Rolle in der Energietransformation. Wasserstoff hat eine hohe Energiedichte und kann in verschiedenen Formen gespeichert und transportiert werden. Allerdings ist die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse energieintensiv.

• Der Wirkungsgrad der Elektrolyse liegt derzeit bei etwa 70 %, was bedeutet, dass 30 % der eingesetzten Energie verloren gehen.

• Darüber hinaus treten auch beim Speichern und bei der Rückumwandlung in Strom Energieverluste auf.

• Der Gesamtwirkungsgrad von der Elektrolyse über die Speicherung bis zur Rückverstromung liegt oft nur bei etwa 30–40 %, was bedeutet, dass bis zu 60–70 % der ursprünglichen Energie verloren gehen.

• Da die Stromkosten etwa 70 % der gesamten Herstellungskosten ausmachen, spielen erneuerbare Energien eine entscheidende Rolle für das Wachstum von grünem Wasserstoff. Je günstiger diese Strom produzieren können, desto besser können die Effizienzverluste kompensiert werden.

Für eine umfassende Betrachtung des Themas Wasserstoff ist auch eine Analyse der eingesetzten Ressourcen unerlässlich.

Wassereinsatz

Ein besonders wichtiger Aspekt dabei ist der Wasserverbrauch. Für die Elektrolyse von Wasser wird eine erhebliche Menge an Wasser benötigt. Um 1 kg Wasserstoff zu produzieren, werden etwa 9 Liter Wasser verbraucht. Dies bedeutet, dass für die großflächige Produktion von grünem Wasserstoff eine zuverlässige und nachhaltige Wasserquelle erforderlich ist. In Regionen mit Wasserknappheit könnte dies eine Herausforderung darstellen und erfordert daher sorgfältige Planung und Management der Wasserressourcen.

Mineralien und Metalle

Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eine Vielzahl von Mineralien und Metallen. Elektrolyseure, insbesondere solche, die auf Protonenaustauschmembranen (PEM) basieren, benötigen seltene und teure Metalle wie Platin, Palladium und Iridium als Katalysatoren. Auch Brennstoffzellen verwenden ähnliche Materialien, was wiederum die Kosten und die Verfügbarkeit dieser Technologien beeinflusst. Die Sicherstellung einer nachhaltigen und ethischen Beschaffung dieser Mineralien ist daher von großer Bedeutung, um die langfristige Skalierbarkeit und Akzeptanz von Wasserstofftechnologien zu gewährleisten.

Die gute Nachricht: Europa muss nicht bei null anfangen. Ein Großteil der bestehenden Erdgasinfrastruktur lässt sich mit Anpassungen für den Transport von Wasserstoff nutzen. Die Pläne für ein europäisches Wasserstoffnetz, das zu zwei Dritteln aus umgerüsteten Erdgasleitungen bestehen soll, sind ambitioniert, aber ihre Realisierung hängt von der Investitionsbereitschaft und dem regulatorischen Rückenwind ab.

Technische Herausforderungen und Sicherheitsaspekte

Die Umrüstung bestehender Pipelines ist technisch machbar, jedoch mit Herausforderungen verbunden. Wasserstoffmoleküle sind kleiner als Methanmoleküle und können leichter durch Materialdefekte (z. B. Lecks) entweichen. Zudem kann Wasserstoff die Materialeigenschaften von Stahl beeinträchtigen, was zu Versprödung und Rissbildung führen kann. Eine vollständige Umstellung würde daher umfangreiche Investitionen in neue Materialien, Kompressoren und Sicherheitssysteme erfordern.

Blending als Übergangslösung

Eine praktikable Zwischenlösung ist das sogenannte „Blending“, bei dem Wasserstoff dem Erdgas in geringen Mengen beigemischt wird. Dies ermöglicht es, erste Erfahrungen mit Wasserstoff im bestehenden Netz zu sammeln, ohne sofort umfangreiche Umrüstungen vorzunehmen. Allerdings ist der Effekt auf die CO2-Reduktion begrenzt, und die Beimischung erhöht die Betriebskosten. Langfristig ist daher der Aufbau eines dedizierten Wasserstoffnetzes erforderlich.

Internationale Partnerschaften und Importe

Aufgrund der begrenzten Kapazitäten für erneuerbare Energien in Europa wird der Import von grünem Wasserstoff zunehmend an Bedeutung gewinnen. Einige afrikanische Länder, wie beispielsweise Namibia, das bereits ein Kooperationsprojekt mit Deutschland unterhält, könnten sich als verlässliche Exportpartner erweisen. Obwohl der Transport von verflüssigtem Wasserstoff, ähnlich wie bei LNG, technisch machbar ist, ist er wirtschaftlich noch lange nicht als effiziente Transportmethode etabliert.

Geringe Investitionen bremsen Wasserstoffausbau

Trotz dieser Möglichkeiten zeigt eine Befragung von Versorgungsunternehmen, dass Wasserstoff derzeit und auch in Zukunft keine große Rolle in ihren Investitionsplänen spielt bzw. spielen wird. Dies könnte den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur erheblich verlangsamen, da ohne die Bereitschaft der Unternehmen, in die notwendigen Anpassungen zu investieren, der Übergang zu einer wasserstoffbasierten Energieversorgung ins Stocken geraten könnte.

Kurz gesagt

• Wasserstoff hat das Potenzial, eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu spielen.

• Die vorhandene Erdgasinfrastruktur bietet eine wertvolle Grundlage, die jedoch technisch und finanziell angepasst werden muss.

• Internationale Kooperationen mit Ländern, die politische und soziale Sicherheit bieten, sind entscheidend, um den Bedarf an grünem Wasserstoff zu decken.

• Die Investitionszurückhaltung der Versorgungsunternehmen könnte sich jedoch als Hindernis erweisen, das es zu überwinden gilt.