Die richtige Rolle für Wasserstoff in der Energiewende

Strategischer Wasserstoff: Effizienz statt Ideologie

Wasserstoff ist kein Allheilmittel - und ihn wie eines zu behandeln, könnte wertvolle Zeit und Ressourcen verschwenden.

Wasserstoff spielt zwar eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung von Sektoren wie Stahl, Schifffahrt und Luftfahrt, ist aber weder effizient noch für jede Anwendung notwendig. Der Einsatz von Wasserstoff in Bereichen, in denen es bessere Alternativen gibt, wie etwa die direkte Elektrifizierung von Autos oder Gebäuden, birgt das Risiko, den Übergang zu verlangsamen und die Kosten in die Höhe zu treiben. Wie jedes Werkzeug funktioniert auch Wasserstoff am besten, wenn es mit Präzision eingesetzt wird. Die Herausforderung besteht nun darin, den Hype zu durchbrechen und ihn dort einzusetzen, wo er am sinnvollsten ist - technisch, wirtschaftlich und ökologisch.

Dieser Artikel soll diese Aspekte beleuchten und dazu beitragen, ein Thema zu entmystifizieren, das allzu oft eher dogmatische Positionen als einen pragmatischen Dialog hervorruft.

Steigende Nachfrage nach Wasserstoff

Mit der Beschleunigung der Dekarbonisierungsziele steigt das Interesse an Investitionen in Wasserstoffanwendungen stark an - auch wenn sich viele Projekte noch in einem frühen Stadium befinden und der Erfolg von gezielten, skalierbaren Anwendungsfällen abhängt. 2024 wurden die weltweiten Investitionen in grünen Wasserstoff auf rund 8 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei Marktanalysten bis 2030 mit einem erheblichen Wachstum rechnen. Große Investoren stellen in großem Umfang Kapital zur Verfügung, wie z. B. der mit 2 Milliarden Dollar ausgestattete Hy24-Infrastrukturfonds, der fortschrittliche grüne Wasserstoffprojekte in Europa und Asien unterstützt.

In unserem letzten Artikel über Wasserstofffarben haben wir uns kurz mit den derzeitigen Anwendungsbereichen für Wasserstoff befasst, aber wie verteilen sie sich und wie werden sich die entsprechenden Zahlen entwickeln?

Vorhersagen zur Wasserstoffnachfrage aus der globalen Energieperspektive 2023 von McKinsey & Company

Die Ausweitung und Diversifizierung des Wasserstoffbetriebs

Gegenwärtig stammen etwa 95 % der Wasserstoffnachfrage aus der Industrie, z. B. aus der Düngemittelherstellung, der Entschwefelung und dem Hydrocracking zur Entwicklung sauberer Kraftstoffe oder der Verwendung von Wasserstoff als Ausgangsstoff für ^Kunststoffe2. Die verbleibenden 5 % entfallen auf die Bereiche Energieerzeugung (Wasserstoff-Brennstoffzellen, Energiespeicherung⁾³, Luft- und Raumfahrt (Raketenantrieb⁾⁴ sowie auf neu entstehende Verwendungszwecke wie sauberer Verkehr (Lkw, Busse) oder Wasserstoffbeimischung in ^Gasnetzen5.

Es wird erwartet, dass sich die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff erheblich diversifizieren werden. Laut McKinsey&Company's 2023 Global Energy Perspective könnte die zukünftige Verteilung wie folgt aussehen:

• 50-60 % für industrielle Anwendungen: weitere Produktion von Ammoniak, Methanol und Stahl, Wachstum bei kohlenstoffarmen Verfahren.

• 15-20 % für den Verkehr: Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen (insbesondere Schifffahrt und Schwerlastverkehr).

• 20-25% für Stromerzeugung und -speicherung: Stromerzeugung, Netzausgleich, langfristige Energiespeicherung.

• 5-10% für Gebäude und Heizung: Wachstum der Heizungsanwendungen in Wohn- und Geschäftsgebäuden.

Diese Zahlen verdeutlichen die Attraktivität von Wasserstoff für verschiedene Branchen. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, zu ermitteln, wo und warum Wasserstoff den größten Nutzen bietet - und wo nicht.

Flüssiger Wasserstoff war bereits der Treibstoff für das Apollo-Programm der NASA, das vor mehr als einem halben Jahrhundert Menschen auf den Mond schickte!

Sektoren, die für die Einführung von Wasserstoff prädestiniert sind

• Schwerindustrie

Die Herstellung von Stahl, Eisen, Chemikalien oder Zement ist für unsere moderne Lebensweise unerlässlich. Allerdings ist die Schwerindustrie für fast 40 % der weltweiten_{CO2-Emissionen} ^{verantwortlich6}. Dies ist in erster Linie auf die große Hitze (1.400-1.700°C⁾⁷ zurückzuführen, die für die Umwandlung von Materialien in Stahl oder Zement erforderlich ist, oder auf die Kohle, das Erdöl und das Erdgas, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien verwendet werden.

Aus erneuerbaren Energien hergestellter Wasserstoff könnte eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Schwerindustrie spielen, indem er als effizientes und sauberes Reduktionsmittel bei der Eisenherstellung dient. Bei diesem Prozess würde Wasserdampf anstelle von_CO2 freigesetzt. Im Rahmen der HYBRIT-Initiative werden beispielsweise 100 ^m3 grüner Wasserstoff gespeichert, um Eisen und Stahl ohne fossile Brennstoffe in industriellem Maßstab zu produzieren, wodurch die Kohlendioxidemissionen in Schweden und Finnland um 10 % bzw. 7 % gesenkt werden sollen. Dadurch könnten die Betriebskosten für die Wasserstofferzeugung um bis zu 40 % gesenkt werden!

Beim Haber-Bosch-Verfahren reagiert Wasserstoff mit Stickstoff und bildet Ammoniak (_NH3), eine wichtige Komponente für Düngemittel. Derzeit wird für diesen Prozess hauptsächlich grauer Wasserstoff aus Erdgas oder Kohle verwendet. Die Umstellung auf eine sauberere Form des Wasserstoffs bei der Herstellung von Ammoniak könnte die_{CO2-Emissionen} erheblich reduzieren. Durch die Verwendung von blauem Wasserstoff könnten diese Emissionen um bis zu 80 %, durch grünen Wasserstoff um bis zu 90 % gesenkt werden !I

Das Projekt First Ammonia in Texas, USA, baut einen 100-MW-Elektrolyseur aus, um die Produktion von grünem Wasserstoff zu steigern und rund 300 Tonnen grünes Ammoniak pro Tag zu liefern.

Hybrit-Wasserstoffspeicher

• Schwerlasttransport

Durch die Möglichkeit einer schnelleren Betankung, einer optimierten Nutzlast und einer größeren Reichweite könnte Wasserstoff dazu beitragen, verschiedene Probleme im Fernverkehr zu lösen. Schwere Nutzfahrzeuge werden zunehmend durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) ersetzt.

Dennoch wird die Elektrifizierung allein noch keine vollständige Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs ermöglichen. Langstrecken-Lkw, die Batterien mit einer Kapazität von 1 bis 2 MWh benötigen, brauchen beispielsweise oft mehrere Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden, was die Fahrtzeit um bis zu 35 % verlängert. Durch den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren könnte die Ladezeit auf 10-15 Minuten reduziert werden.

Die Stiftung Solar Impulse hat die Wasserstofflösung von Ways2H ausgezeichnet, die vom Vereinigten Königreich übernommen wurde, um bis zu 1.600 Brennstoffzellenbusse mit 500 kg bis 1 Tonne erneuerbarem Wasserstoff pro Tag zu versorgen. Schwerlastkraftwagen, Lastkraftwagen oder andere schwere Nutzfahrzeuge könnten ihre Reichweite erheblich optimieren und bis zu 11.000 Straßenkilometer pro Tag zurücklegen! Wenn die Kraftstoffquellen von Langstrecken-Lkw von herkömmlichen fossilen Kraftstoffen auf erneuerbaren grünen Wasserstoff umgestellt würden, könnten die Treibhausgasemissionen um etwa 89 % gesenkt werden.

In der Welt der Frachtschifffahrt arbeitet Maersk intensiv an der Herstellung von grünem Methanol als Kraftstoff für seine Schiffe. Das Unternehmen arbeitet mit Carbon Sink LLC zusammen, um 100.000 Tonnen grünes Methanol, eine Kombination aus grünem Wasserstoff und biogenem_CO2, pro Jahr zu produzieren. Derzeit sind 13 Maersk-Frachtschiffe, die mit grünem Methanol betrieben werden, im Einsatz. Bis Ende des Jahres werden 19 Schiffe im Einsatz sein und jährliche_{CO2-Emissionseinsparungen} von rund 2,3 Millionen Tonnen erzielen. Darüber hinaus konnten die Schiffe durch die für die Einführung dieser Technologie erforderlichen Änderungen ihre Kapazität von 15.000 auf 15.690 TEU(Twenty-foot Equivalent Unit) erhöhen.

Das aus grünem Wasserstoff entwickelte grüne Methanol könnte eine Inspiration für die Entwicklung des Gütertransports sein.

• Langfristige Speicherung

Wasserstoff kann auch verwendet werden, um überschüssige Energie aus Wind- und Sonnenenergie zu speichern und bei Bedarf wiederzuverwenden, anstatt sie zu verschwenden. Power-to-Gas (Wasserstoff) könnte eine wochen- bis monatelange Speicherung ermöglichen, im Gegensatz zu Batterien, die auf Stunden oder Tage beschränkt sind.

In Utah, USA, wird derzeit die weltweit größte Wasserstoffspeicheranlage gebaut: das Projekt Advanced Clean Energy Storage (ACES) . Es wird über 300 GWH an Energiespeichern in riesigen Salzhöhlen bereitstellen, von denen jede ungefähr so groß ist wie das Empire State Building. Die von Mitsubishi Power und Magnum Development ins Leben gerufene Initiative wird diese Salzkavernen zur Speicherung erneuerbarer Energien nutzen. Mike Ducker, Vizepräsident für erneuerbare Brennstoffe bei Mitsubishi Power, erklärte dazu:

"Man bräuchte Lithium-Ionen-Batterien im Wert von etwa 40 GW, um die gleiche Menge an Speicherpotenzial in nur einer unserer Kavernen zu haben."

Bis 2026 werden 4 Kavernen für die Speicherung zur Verfügung stehen. Die Kavernen werden durch das Auflösen von Salz mit Wasser (Lösungsbergbau) geschaffen, wobei Sole entsteht. Dieses Produkt wird in Verdunstungsbecken aufbewahrt, die mit Grundwasserüberwachungs- und Leckerkennungssystemen ausgestattet sind, um die Umwelt so wenig wie möglich zu belasten. Darüber hinaus weisen Salzformationen eine geringe Porosität auf und sind in der Lage, Brüche auf natürliche Weise zu verschließen, was eine langfristige Gasspeicherung gewährleistet.

Mit der Wasserstoffentwicklung unvereinbare Sektoren

Es gibt verschiedene Branchen, in denen Wasserstoff nicht die vielversprechendste Alternative zu sein scheint. In verschiedenen Situationen haben Elektrifizierung, Batterien oder andere kohlenstoffarme Lösungen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber Wasserstoff in Bezug auf Effizienz, Kosten und Plausibilität.

• Strukturelle Heizung

Wärmepumpen sind weitaus effizienter als Wasserstoffheizquellen. Wasserstoffheizkessel arbeiten in der Regel mit einem Wirkungsgrad von 60-70 %, während Wärmepumpen aufgrund ihrer Fähigkeit, Wärme zu übertragen statt zu erzeugen, einen Wirkungsgrad von 300-500 % erreichen ^können8. Außerdem ist es viel zu teuer und komplex, die Infrastrukturen so umzubauen, dass Wasserstoff in die Gasleitungen integriert werden kann.

• Personenkraftwagen und leichte Nutzfahrzeuge

Obwohl wir die Vorteile der Wasserstofftechnologie für den Schwerlastverkehr gesehen haben, gelten sie nicht für kleinere Autos, die für den Kurzstreckenverkehr oder sogar für den öffentlichen Nahverkehr bestimmt sind. Leichte Nutzfahrzeuge benötigen viel kleinere und leichtere Batterien als schwere Nutzfahrzeuge. Ein Elektro-Lkw mit einer Reichweite von 1.000 km kann 4-6 Tonnen ^Batterien9 benötigen, aber die Batterie eines Pkw wiegt nur 400-600 kg und hat eine Reichweite von 500-600 km^.10 Bei dieser Reichweite ist die Energieeffizienz (75-85 % bei BEVs, 30-40 % bei wasserstoffbetriebenen ^Fahrzeugen11) ein Vorteil gegenüber den schnellen Aufladeeigenschaften von Wasserstofffahrzeugen.

Außerdem sind batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) weltweit verbreitet und werden stark gefördert. Derzeit sind über 26 Millionen BEVs auf dem ^Markt12. Im Gegensatz dazu gibt es nur 70.000 Brennstoffzellen in der gleichen ^{Größenordnung13}. Der Aufbau von Wasserstofftankstellen, die mit BEVs konkurrieren könnten, wäre spärlich, teuer und würde keinen nennenswerten Vorteil in Bezug auf den ökologischen Fußabdruck bieten.

Die gleichen Argumente gelten für den öffentlichen Personennahverkehr wie U-Bahnen und Busse, bei denen es sich um Kurzstreckenanwendungen mit geringem Stromverbrauch handelt, die in ähnlicher Weise die Energieeffizienz fördern.

Diagramm zur Veranschaulichung der Expansion von BEVs, von Statista Mobility Market Outlook

• Industrielle Prozesse mit niedrigen Temperaturen

Prozesse wie die Verarbeitung von Lebensmitteln, Textilien, das Trocknen von Papier oder das Waschen von Flaschen erfordern Wärme von ^60-150ºC14. Auch hier wandeln elektrische Widerstandsheizungen oder Wärmepumpen Energie mit hoher Effizienz in Wärme um (100 % bei ^{Widerstandsheizungen15}, bis zu 300-500 % bei ^{Wärmepumpen16}), im Gegensatz zu wasserstoffbasierten Heizungen (30-40 %⁾¹⁷. Da Wärmepumpen und Widerstandsheizungen so effizient sind, verbrauchen sie weit weniger Energie und sind folglich billiger.

Strategisch die Zukunft beheizen!

Im Vereinigten Königreich wurden Mitte 2024 drei verschiedene Versuche zur Einführung von Wasserstoff für die Beheizung von Wohngebäuden aufgegeben, da konkrete Beweise dafür vorlagen, dass elektrische Wärmepumpen effizienter und kostengünstiger sind. Allein eines der Projekte hätte nach Schätzungen bis zu 200 Millionen Pfund gekostet, wenn es durchgeführt worden wäre.

Diese Versuche unterstreichen die Notwendigkeit, dort in Wasserstoff zu investieren, wo er einen echten Nutzen und Skalierbarkeit bietet. Strategische Initiativen - wie die Europäische Wasserstoffbank, die derzeit über 1 Mrd. € für grüne Wasserstoffprojekte bereitstellt - zeigen, wie gezielte Finanzierung die Wirkung beschleunigen kann. Ergänzend dazu hat die Europäische Kommission eine neue Emissionsmethodik für kohlenstoffarmen Wasserstoff angenommen, die den EU-Rechtsrahmen vervollständigt und Rechtsklarheit für Investoren schafft. Zusammen stärken diese Bemühungen das Vertrauen in den Sektor und tragen dazu bei, Wasserstoff als glaubwürdige Lösung zu positionieren.

Die Stiftung Solar Impulse hat sich verpflichtet, gemeinsam mit Climate Impulse dazu beizutragen, den strategischen Wert von Wasserstoff zu demonstrieren, und zwar nicht in allen Bereichen, sondern dort, wo es Sinn macht, und eine inspirierende Blaupause für nachhaltige Innovationen und Einsätze zu liefern. In diesem Sinne werden wir in unserem nächsten Artikel einen erfahrenen Wasserstoffexperten zu Wort kommen lassen, der seine Sichtweise zu den Zukunftsaussichten der Branche darlegen wird... Bleiben Sie dran!