Wundermittel Wasserstoff? – Chancen und Grenzen des Basismoleküls H2

Wasserstoff – nicht erst seit der andauernden fossilen Energiekrise der Stoff, aus dem viele Energiewende-Träume gemacht sind. Angesichts der 2022 explodierenden Gaspreise stimmen Begeisterte allenthalben das Hohelied auf H2 an und zeichnen das Bild einer emissionsfreien wasserstoffbasierten Zukunft. Doch was hat es mit den Hoffnungen auf sich, wo ist ein Einsatz von Wasserstoff sinnvoll – und wo nicht? Wir bringen euch auf den neusten Stand.

Aufgrund seiner hohen Energiedichte und seiner sauberen Verbrennung ist Wasserstoff unverzichtbar für Klimaschutz und Energiewende, soviel ist unstrittig. Als emissionsfreier Alleskönner scheint er die Antwort auf alle Fragen der Energiewende zu liefern: Klimaneutralität des Verkehrssektors? Autos, Schiffe, Flugzeuge – nichts, was Wasserstoff nicht antreiben könnte. Emissionsfreies Heizen? Manche Versorger mischen ihr Gas schon jetzt ohne Probleme mit Wasserstoff, um CO2 zu vermeiden und Gas zu sparen. Grüner Wandel der Industrie? Mit Wasserstoff produzierter Stahl ist keine Fantasie mehr, sondern gibt bislang klimaschädlichen energieintensiven Industrien Hoffnung auf eine grüne Zukunft.

Die Technik ist da – wenn auch teils noch in der Projektphase. Was nicht da ist? Ökologisch produzierter Wasserstoff und Erneuerbare Energien in ausreichenden Mengen. Und da liegt das Problem, denn ein globaler Umstieg auf den molekularen Hoffnungs- und Energieträger ist nur zu leisten, wenn wir die weltweite Produktion exorbitant steigern, und nur sinnvoll, wenn wir Wasserstoff auch wirklich emissionsfrei produzieren.

Woher soll der Wasserstoff kommen?

Zwar gibt es auch natürliche Wasserstoffquellen, angesichts des zu erwartenden Bedarfs sind diese jedoch kaum der Rede wert. Das heißt, der Sekundär-Energieträger H2 muss zunächst energieintensiv und unter Inkaufnahme von Umwandlungsverlusten aus anderen Energiequellen künstlich hergestellt werden – in der Regel aus Erdgas oder Strom. Um den unterschiedlichen ökologischen Wert des Wasserstoffs zu beschreiben, gibt es verschiedene Farbbezeichnungen gemäß der Produktionsweise:

Farbenlehre à la Wasserstoff

1. Grüner Wasserstoff: Dieser Wasserstoff wird ausschließlich aus echtem Ökostrom mittels Elektrolyse erzeugt, Wasser wird hierbei in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Vorteile liegen auf der Hand: Er ist klimaneutral und kann genau dann produziert werden, wenn „zu viel“ Ökostrom im Netz ist, was bereits heute in manchen Gegenden regelmäßig zur Drosselung der Solar- und Windstromproduktion führt. Noch ist dieser Wasserstoff – weil diese Überschusssituationen noch selten und Ökostrom insgesamt weiterhin zu knapp für den riesigen Bedarf ist – teurer als konventionell (fossil) produzierte Alternativen.

2. Grauer Wasserstoff: Hier sind fossile Energieträger wie Kohle oder zumeist Erdgas die Grundlage der Produktion. Die bei der Elektrolyse oder bei der Dampfreformierung erzeugten Treibhausgase – etwa die zehnfache Menge des erzeugten Wasserstoffs – landen in der Atmosphäre. Für die Energiewende bringt dieser Wasserstoff nichts und fürs Klima auch nicht.

3. Türkiser Wasserstoff: Da die Erdgasindustrie sich jedoch ungern aus dem lukrativen Zukunftsgeschäft mit Wasserstoff verabschieden möchte, nutzt sie noch zwei alternative – aber immer noch erdgasbasierte – Herstellungsmethoden: Wenn Erdgas in einem thermischen Verfahren namens Pyrolyse in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten wird, spricht man von türkisem Wasserstoff. Klimaneutral, wie beworben, ist auch dieses Verfahren nicht, da die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs nicht sichergestellt werden kann und auch bei der Erdgasproduktion Emissionen anfallen.

4. Blauer Wasserstoff: Diese zweite und deutlich verbreitetere Alternative gleicht im Herstellungsprozess der Produktion von grauem Wasserstoff, mit einem – laut den Erzeugern sehr wesentlichen – Unterschied: Die entstehenden CO2-Emissionen werden (bestmöglich) aufgefangen und gespeichert oder sogar in anderen Prozessen weiterverwendet. Da Erfolg und Langzeitfolgen dieser Carbon-Capture-and-Storage- (CCS) bzw. Usage-Verfahren (CCU) noch längst nicht feststehen und unklar ist, ob diese Speicherung tatsächlich funktioniert, kann auch diese Herstellungsart nicht als klimafreundlich gelten. Zumal eben auch türkiser oder grauer Wasserstoff neue Gründe für den weiteren Abbau fossiler Rohstoffe bieten würde und diese Explorationen dann keineswegs nur für die Wasserstoff-Produktion genutzt werden müssten.

Wo brauchen wir den raren Wasserstoff (nicht)?

Dem Klima und der Energiewende bringt der Wandel hin zur Wasserstoffwirtschaft nur etwas, wenn konsequent auf grünen Wasserstoff gesetzt wird. Mag blauer Wasserstoff kurzfristig eine Übergangsrolle beim Markthochlauf spielen – wie in der aktuellen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vorgesehen –, sollte diese Phase keinesfalls zu lange dauern und erst recht nicht gefördert werden.

Das bekannte Kernproblem bleibt also bis auf weiteres bestehen: Es gibt schlicht nicht genug Ökostrom und damit nachhaltig produzierten Wasserstoff. Entsprechend sorgfältig muss überlegt werden, wo das rare Gut eingesetzt wird.

Grüne Stromversorgung – ohne Wasserstoff-Back-up kaum zu schaffen

Ein Bereich, in dem Wasserstoff in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich unverzichtbar werden wird, ist die Stromversorgung – beziehungsweise die Reserve-Stromversorgung. In einem voll auf Erneuerbaren Energien basierenden System liefern Photovoltaik und Windkraft den ganz überwiegenden Anteil der benötigten Energie. Regelbare Erneuerbare wie Wasser- oder Bioenergie ergänzen, während Pump- und Batteriespeicher sowie länderübergreifender Ausgleich und eine grundsätzliche Flexibilisierung des Verbrauchs restliche Schwankungen ausgleichen. Jedoch wird es ein- bis zweimal im Jahr auch Situationen geben, in denen über Tage hinweg nicht genug Erneuerbare zur Verfügung stehen. Für diese Zeiten braucht es also einen Energieträger, der viel Energie bereitstellt und diese auch über eine längere Zeit zwischenspeichern kann. Hier hat Wasserstoff viele Vorteile. So kann dieser größtenteils die bestehende Gasinfrastruktur mit Leitungen und Kavernen nutzen und wenn nötig in modernen Gasturbinenkraftwerken verstromt werden. Solche wasserstoffbetriebenen Back-up-Kraftwerke würden zwar nur in wenigen Jahresstunden wirklich gebraucht, ermöglichen jedoch dadurch eine gänzlich emissionsfreie und wetterunabhängigere grüne Stromversorgung – in dieser Funktion sind sie und der dort benötigte Wasserstoff unverzichtbar. Hierzu muss allerdings auch gesagt werden, dass wir aktuell mit einem Ökostrom-Anteil von rund 50 Prozent noch lange nicht in der Situation sind, dass es einerseits große Stromüberschüsse aus Erneuerbaren Energien gäbe und dass andererseits keine sonstigen Back-up-Kapazitäten vorhanden wären. Überschüsse wie Reservekraftwerke kommen erst mit Erneuerbaren-Anteilen von etwa 80 Prozent im großen Stil auf, also Richtung Ende des Jahrzehnts. Dennoch müssen entsprechende Infrastrukturen und Märkte schon in den kommenden Jahren hochgefahren werden, damit sie rechtzeitig zur Verfügung stehen.

Wasserstoff im Verkehrssektor: Es kommt auf die Größe an

Im Verkehrssektor ist die Antwort weit weniger eindeutig. Im Pkw-Segment wird eine weitreichende Wasserstoffnutzung jedoch von den allermeisten Expert:innen praktisch ausgeschlossen, Elektrifizierung ist hier einfach deutlich günstiger und effizienter. Außerdem kann so auf den Aufbau einer weiteren Tankinfrastruktur parallel zu elektrischen Ladesäulen verzichtet werden. Anders verhält es sich beim Lastverkehr. Zu Land, auf Schiene oder Straße sind Oberleitungen oder Batterien zwar auch oft noch die bessere Wahl und gewinnen auch zunehmend den Kostenvergleich gegenüber den zunächst bevorzugten Brennstoffzellen, für Schwerlastverkehr zu Luft oder Wasser kann dies aber freilich nicht gelten. Insbesondere in der Schifffahrt ist eine Elektrifizierung nahezu ausgeschossen – es wird schlicht zu viel Energie auf einmal benötigt bzw. auf langen Strecken eine Nachlademöglichkeit für Strom. Wasserstoff bietet sich hier als potenter Energieträger hingegen besonders an.

Heizen mit Wasserstoff?

Die Wärmeversorgung ist einer der Bereiche, der am meisten unter den derzeit hohen Gaspreisen ächzt. Da verwundert es wenig, dass händeringend nach alternativen Energieträgern gesucht wird. Der Gedanke, hier auf Wasserstoff zurückzugreifen, liegt aufgrund relativ geeigneter Infrastruktur zwar nahe, doch viele andere Argumente sprechen gegen die Idee. Zum einen würde schon eine anteilige Versorgung mit Wasserstoff enorme Mengen dieses kostbaren und auch dauerhaft eher knappen Energieträgers binden, da immer noch der Großteil der Haushalte direkt oder indirekt über Gas heizt. Zum anderen müsste der Wasserstoff außerdem um ein Vielfaches günstiger werden, damit Haushalte und Unternehmen überhaupt ohne exorbitante Mehrkosten heizen können. Und zum dritten bräuchte es auch riesige Ökostrommengen, um den bisherigen Gasbedarf nur annähernd durch grünen und damit klimaneutralen Wasserstoff zu ersetzen. Kurz: Eine flächendeckende Wärmeversorgung mit Wasserstoff ist nur bei einem unrealistisch hohen Wasserstoffangebot denkbar. In den nächsten zwei Jahrzehnten wird es aller Voraussicht nicht genug H2 geben und wenn, dann nur zu hohen Preisen. Vergleichsweise geringe Wärmebedarfe in Gebäuden wie in der privaten Wärmeversorgung können mit (Groß-)Wärmepumpen oder Wärmenetzen schlicht effizienter gedeckt werden. Wasserstoffbeheizte Gebäude oder Quartiere werden daher wahrscheinlich die Ausnahme bleiben.

Hoffnungsträger für die Industrie

Anders sieht es bei der energieintensiven Industrie aus, die ebenfalls stark unter der fossilen Energiekrise leidet. Gasmangellage und Preisanstiege führten bereits zu Produktionsrückgängen und Kurzarbeit und auch die Klimafolgen bisheriger meist fossiler Produktionsweisen rücken für Unternehmen mehr in den Fokus. Hier kommt grünem Wasserstoff in den nächsten Jahren zweifellos eine Schlüsselrolle zu. Die extremen Temperaturen und Energiemengen, die beispielsweise in der Stahl- oder Chemieindustrie benötigt und bislang zumeist über Erdgas bereitgestellt werden, sind anderweitig kaum zu erreichen. Auch stoffliche Nutzungen fossiler Energieträger in der Industrie lassen sich kaum über stromgetriebene Prozesse, wohl aber über Wasserstoff als Grundprodukt klimafreundlich gestalten. Staatliche Förderungen neuer Verfahren und Maschinen werden dennoch nötig sein. Industriezweige mit vergleichsweise geringem Energiehunger werden daher voraussichtlich eher direkt den Weg zur Elektrifizierung einschlagen.

Sorgen um Klimaschäden durch Wasserstoff

Ein mögliches Problem der kommenden Wasserstoff-Infrastruktur wird erst seit kurzem diskutiert: die Klimafolgen durch bei Erzeugung, Lagerung oder Transport austretenden Wasserstoff. Zwar hat H2 keine direkte Klimawirkung, doch verändert es die Zusammensetzung der Atmosphäre und führt durch die Bindung von Hydroxid indirekt dazu, dass klimaschädliches Methan langsamer abgebaut wird. Expert:innen fordern daher strikte Vorkehrungen und klare gesetzliche Vorgaben, um Wasserstofflecks zu verhindern. Große Mengen des austretenden Gases könnten sonst den positiven Effekt der Umstellung auf grünen Wasserstoff wieder zunichtemachen. Auch hier zeigt sich demnach die Notwendigkeit, schnell und konsequent Rahmenbedingungen für die kommende Wasserstoffwirtschaft zu schaffen und dabei auch mögliche schädliche Auswirkungen von Anfang an mitzudenken.

Wasserstoffzukunft? Nur mit mehr Erneuerbaren

Gleich in welchen Bereichen schlussendlich zu welchem Anteil auf Wasserstoff gesetzt wird, klar sind zwei Dinge: Wir werden für eine klimaneutrale Welt gewaltige Mengen des molekularen Alleskönners brauchen und müssen ihn über kurz oder lang vollkommen emissionsfrei produzieren.

Um dies leisten zu können, braucht es vor allem eins: mehr Erneuerbare Energien. Die bisherigen Ausbauziele für Ökostrom-Anlagen müssen entsprechend deutlich nach oben korrigiert werden, wie es ja für Deutschland mit dem EEG 2023 auch schon angegangen wurde. Zuvor bildeten sie den durch Wasserstoffwirtschaft und stete Elektrifizierung steigenden Energiebedarf längst nicht ab. Laut aktuell in Fortschreibung befindlicher Wasserstoffstrategie der Bundesregierung sollen bis 2030 zehn Gigawatt heimische Elektrolyseleistung aufgebaut werden. Trotz dieser ambitionierten Ziele ist angesichts des zu erwartenden Bedarfs jedoch davon auszugehen, dass Deutschland auch dauerhaft einen wesentlichen Teil seines Wasserstoffs wird importieren müssen – wobei der Importanteil der gesamten Energieversorgung im Vergleich zum heutigen noch stark fossil geprägten System drastisch abnehmen würde. Wo immer möglich, statt auf das Supermolekül auf Elektrifizierung zu setzen, ist somit dennoch auch eine Frage der größtmöglichen Unabhängigkeit. In Bereichen wie der privaten Wärmeversorgung oder dem Individualverkehr wird daher aller Voraussicht nach eher auf Wasserstoff verzichtet werden.

Die europäischen und nationalen Rahmenbedingungen für die künftige Wasserstoffwirtschaft werden derzeit geschaffen. Geht der Plan auf, sollten die Investitionen in die Zukunftstechnologie durch diese Sicherheit in den nächsten Jahren sprunghaft ansteigen – was dringend nötig wäre, um den notwendigen Transformationsprozess in Fahrt zu bringen. Grundvoraussetzung ist in jedem Fall: viel mehr Erneuerbare.

Finn Rohrbeck
finn.rohrbeck@naturstrom.de

unterstützt seit Juni 2022 als PR-Volontär das Presseteam bei naturstrom. Zuvor arbeitete er im Veranstaltungsmanagement der Verbraucherzentrale NRW und beschäftigte sich dort mit den Themen Energie und Energieberatung.

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