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Feb 04, 2024

Fünf Wasserstoff-Mythen

Aus erneuerbarem Strom erzeugter Wasserstoff ist eine bahnbrechende Klimalösung. Es kann so hergestellt werden, dass es nichts als Sauerstoff abgibt, und wenn es verwendet wird, erzeugt es kein Kohlendioxid, was es attraktiv macht

Aus erneuerbarem Strom erzeugter Wasserstoff ist eine bahnbrechende Klimalösung. Es kann so hergestellt werden, dass es nur Sauerstoff ausstößt, und bei seiner Verwendung entsteht kein Kohlendioxid, was es zu einer attraktiven Alternative zu den heute verwendeten umweltschädlichen fossilen Brennstoffen macht. Aber wie bei jeder neuen Technologie gibt es viele Mythen über ihre Funktion und Anwendungen. Hier befassen wir uns mit einigen der größten Mythen und Missverständnisse rund um Wasserstoff, adaptiert aus unserer umfangreichen „Reality Check“-Reihe.

Theoretisch kann Wasserstoff zur Dekarbonisierung fast aller Sektoren eingesetzt werden. Aber nur weil es kann, heißt das nicht, dass es sollte. Als eines von mehreren Instrumenten im Dekarbonisierungs-Werkzeugkasten sollte Wasserstoff nach der Energieeffizienz Vorrang haben, wenn eine direkte Elektrifizierung nicht möglich ist. Insbesondere das Potenzial von Wasserstoff zur kosteneffizienten Dekarbonisierung der Schwerindustrie und des Transportwesens macht ihn zu einem notwendigen Bestandteil der Umstellung auf saubere Energie.

Einer der Faktoren, die die globale Dekarbonisierung behindern, ist die Knappheit und der Wert von erneuerbarem Strom, der zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff verwendet wird. Schon jetzt braucht die Welt deutlich mehr Infrastruktur für sauberen Strom, da sich der Stromverbrauch im Jahr 2050 voraussichtlich allein aufgrund des Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstums verdoppeln wird – und nur 10 Prozent des Stroms heute aus Sonne und Wind stammen. Rechnet man den Strom hinzu, der für die Herstellung von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie und des Transportwesens erforderlich ist, könnte sich der Stromverbrauch verdreifachen.

Vor diesem Hintergrund ist es auf Makroebene wichtig, der Reduzierung des Stromverbrauchs und der möglichst effizienten Nutzung erneuerbarer Energien Priorität einzuräumen. Daher eignen sich viele der heutigen Geschäftsszenarios auf Mikroebene für Wasserstoff zum Heizen von Gebäuden, zur Stromerzeugung oder zum Betanken von leichten Nutzfahrzeugen besser für Investitionen in Energieeffizienz oder direkte Elektrifizierung (siehe Abbildung 1 unten).

Abbildung 1: Erforderlicher Strom (kWh), um die Emissionen von leichten Nutzfahrzeugen, Gebäudewärme und Stromerzeugung um 1 kg CO2e zu reduzieren, indem entweder grüner Wasserstoff oder direkte Elektrifizierung verwendet wird.

Wasserstoff ist der Schlüssel zum Erreichen unserer Klimaziele, aber der Einsatz von Wasserstoff in Fällen, in denen Energieeffizienz und direkte Elektrifizierung bessere Optionen sind, wird unsere Fähigkeit behindern, unser Energiesystem schnell und kostengünstig zu dekarbonisieren. Um die systemweite effiziente Nutzung wertvollen sauberen Stroms zu maximieren, sollte Wasserstoff verwendet werden, wenn diese Lösungen nicht möglich sind.

Schwerindustrieanwendungen wie die Düngemittel- oder Stahlherstellung sowie der Schwerlasttransport über große Entfernungen sind heute unbesorgte Anwendungen von Wasserstoff, zu denen mit der Zeit möglicherweise auch die Luftfahrt und die langfristige Energiespeicherung hinzukommen könnten. Vereinfacht gesagt brauchen wir Wasserstoff – aber nicht für alles.

Für den Begriff „sauberer Wasserstoff“ gibt es keine allgemein akzeptierte Definition, aber im Großen und Ganzen bezieht sich „sauberer“ Wasserstoff auf jeden Wasserstoff, der mit geringeren Emissionen als die etablierten, auf fossilen Brennstoffen basierenden Methoden hergestellt wird. Während es viele Wege zur Erzeugung sauberen Wasserstoffs gibt, die oft nach „Farben“ kategorisiert werden, veranschaulichen die beiden häufigsten Typen – Grün und Blau – die wichtigsten Überlegungen:

Sowohl grüner als auch blauer Wasserstoff erregen heute wegen ihrer Vorteile bei der CO2-Reduzierung Aufmerksamkeit, aber diese Wege sind nicht gleich sicher, emissionsarmen Wasserstoff zu produzieren. Darüber hinaus reicht eine einfache Farbkodierung nicht aus, um die Emissionen der einzelnen Produktionspfade zu verdeutlichen. Abhängig von den Unterschieden in der Lieferkette und der Technologieleistung können zwei Wasserstofflieferungen mit derselben „Farbe“ sehr unterschiedliche CO2-Fußabdrücke haben, wie in Abbildung 2 dargestellt. Um diese Unterschiede zu verstehen, ist ein Einblick in die Kohlenstoffintensität der Lieferkette erforderlich.

Abbildung 2: Die Kohlenstoffintensität von Wasserstoff variiert stark, abhängig von der Produktionsmethode, den Methanleckraten und den Kohlenstoffabscheidungsraten für die Dampf-Methan-Reformierung (SMR) im Fall von „blauem“ Wasserstoff, der aus Erdgas gewonnen wird. Hinweis: Bei den Berechnungen wird von einer Methanlebensdauer von 100 Jahren ausgegangen.

Tatsächlich birgt jede Form der Wasserstoffproduktion unterschiedliche Emissionsrisiken. Die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom ist der einfachste Weg, um sicherzustellen, dass die Emissionen nahezu Null sind. Für alle Produktionsmethoden sind jedoch zusätzliche Vorschriften erforderlich, um diese Marke zu erreichen. Lieferketten müssen strikt unter Berücksichtigung der Emissionen von der Wiege bis zum Werkstor gesteuert werden, um die Klimavorteile von Wasserstoff zu maximieren.

Neue Studien präsentieren Szenarien, in denen austretender Wasserstoff erheblich zur Klimaerwärmung beiträgt. Tatsächlich kann Wasserstoff, der an jedem Punkt der Lieferkette in die Atmosphäre gelangt, als indirektes Treibhausgas wirken und mit Schadstoffen wie Methan reagieren, um deren Lebensdauer in der Atmosphäre zu verlängern. Austretender Wasserstoff kann sich auch auf die Ozonkonzentration auswirken und möglicherweise die Luftqualität und die Wiederherstellung der Ozonschicht beeinträchtigen. Außerdem kann er Wasserdampf in der Atmosphäre erzeugen und so den Treibhausgaseffekt verstärken.

Doch selbst bei hohen Leckageraten hat grüner Wasserstoff kurz- und langfristig unbestreitbar positive Klimavorteile, insbesondere im Vergleich zu den nachweislich großen Klimaschäden durch die fossilen Brennstoffe, die er in der gesamten Lieferkette ersetzt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Emissionsauswirkungen von Wasserstoff entlang der Lieferkette sind geringer als die von Erdgas, angesichts der großen und stark schwankenden Methanemissionen von Erdgas vorgelagert. Entscheidend ist, dass Wasserstoff als kohlenstofffreier Kraftstoff alle CO2e-Emissionen eliminiert, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen.

Selbst in einer unwahrscheinlichen, nicht regulierten alternativen Realität mit hohen Leckageraten ist Wasserstoff in unserem Wettlauf um die Dekarbonisierung immer noch von Vorteil. Blauer Wasserstoff wird gegenüber seinen unverminderten Alternativen zu fossilen Brennstoffen Vorteile bieten, aber seine Klimaausrichtung bleibt unsicherer als die von grünem Wasserstoff, angesichts der erheblichen Emissionsrisiken durch Methanaustritt, Effizienz der Abscheidung vor Ort und Durchlässigkeit der Speicherung.

Die Entwicklung robuster Leckverhinderungstechnologien durch verbesserte Anschlüsse, Kompressoren und Lagerbehälter wird es ermöglichen, dass neue Systeme nahezu leckagesicher sind, und es wird wichtig sein, zuverlässige und kostengünstige Leckdetektoren in großem Maßstab einzusetzen. Aus Sicherheitsgründen gehen die Hersteller bereits proaktiv vor, um Leckagen zu minimieren und zu erkennen. Diese Messtechniken sind jedoch rudimentärer und darauf ausgelegt, das Entzündungsrisiko zu begrenzen. Es sind jedoch empfindlichere Detektoren zur Überwachung kleiner Leckagemengen erhältlich. Anreize zur Unterstützung groß angelegter Messungen und zur Reduzierung von Leckagen werden die Investitionen in solche Technologien ankurbeln, da sich der globale Wettlauf um die Skalierung von Wasserstoff intensiviert.

Die Realität ist, dass grüner Wasserstoff bis 2030 eine wichtige Rolle bei der globalen Emissionsreduzierung spielen wird.

Jahr für Jahr haben Organisationen ihre Prognosen kontinuierlich erhöht, wie viel weltweite Elektrolysekapazität im Jahr 2030 online sein wird, um Wasserstoff aus Strom zu erzeugen. Die Prognosen für dieses Jahr liegen um Größenordnungen über denen der Vorjahre (Abbildung 4).

Abbildung 4: Historische Schätzungen der Elektrolysekapazität im Jahr 2030. Quellen: Hydrogen Council, DNV Hydrogen Forecast to 2050; DNV Energy Transition Outlook 2020 und 2021; ETC: Die Wasserstoffwirtschaft möglich machen

Bis Mitte 2022 hatten über 34 Länder nationale Strategien rund um Wasserstoff entwickelt. Die Ziele der EU für die inländische Produktion von grünem Wasserstoff für 2030 wurden durch die REPowerEU-Übergangsstrategie auf 10 Millionen Tonnen vervierfacht, was etwa 100 GW Elektrolysekapazität entspricht. Angesichts der Schlüsselrolle von grünem Wasserstoff bei der Dekarbonisierung der Industrie und des Schwertransports, der Gewährleistung inländischer Energiesicherheit und der Stabilisierung der Verbraucherpreise hat die Welt erkannt, dass wir grünen Wasserstoff in großem Maßstab brauchen – und zwar schneller, als wir jemals gedacht hätten.

Grüner Wasserstoff ist gut aufgestellt, um bis 2030 eine wesentliche Rolle bei der Emissionsreduzierung zu spielen. Derzeit finden Projekte im Gigawatt-Maßstab statt und die Nachfrage steigt. Die Herstellung von Elektrolyseuren nimmt zu und wird sich nur beschleunigen, da immer mehr Projektpläne endgültige Investitionsentscheidungen treffen. Die Skalierung dieser neuen Technologie bedeutet nicht, bei Null anzufangen, da die vorhandene Infrastruktur genutzt werden kann, um Wasserstoff dorthin zu bringen, wo er benötigt wird, und frühe Akteure vereinfachen den Weg nach vorne durch Investitionen in Wasserstoff-Hubs oder grüne Schifffahrtskorridore. Grüner Wasserstoff ist da – und er wird bleiben.

Um die Menge an Wasserstoff zu produzieren, die für die Energiewende benötigt wird, wird viel Wasser benötigt, aber angesichts der Menge an Wasser, die wir bereits verbrauchen, wird die Menge unbedeutend sein. Die US-amerikanische National Clean Hydrogen Roadmap zielt darauf ab, bis 2050 jährlich 50 Millionen Tonnen sauberen Wasserstoff zu produzieren. Die Produktion dieses gesamten Wasserstoffs durch Elektrolyse mit 20 l/kg würde 1 Milliarde Kubikmeter Wasser oder 0,26 Prozent des aktuellen Wasserverbrauchs der USA erfordern (Abbildung 5). ). In dieser Analyse werden potenzielle Wassereinsparungen durch den Ersatz wasserintensiver Industrieprozesse durch Wasserstoff nicht berücksichtigt.

Abbildung 5: Die Produktion von grünem Wasserstoff in den USA wird im Jahr 2050 voraussichtlich weit weniger Wasser verbrauchen als andere Großverbraucher, einschließlich der Landwirtschaft und der thermoelektrischen Stromerzeugung. Quellen: energiepost.eu; „Globale Szenarien für eine erhebliche Reduzierung des Wasserverbrauchs in Wärmekraftwerken basierend auf der Schätzung des Kühlwasserbedarfs anhand von Satellitenbildern“; USGS; PRB.

Obwohl der Wasserbedarf von grünem Wasserstoff im globalen Maßstab gering ist, muss unbedingt sichergestellt werden, dass grüner Wasserstoff die lokalen Süßwasserressourcen nicht belastet. Wasserstoffentwickler sollten einer effizienten Prozessgestaltung Priorität einräumen und bei der Standortwahl des Projekts die lokale Wasserverfügbarkeit berücksichtigen. In Gebieten mit Wasserknappheit verringert die Berücksichtigung alternativer Quellen wie aufbereitetes Abwasser oder entsalztes Meerwasser die Abhängigkeit von Süßwasser.

Die Wahl von grünem Wasserstoff wird nicht mehr Wasser verbrauchen als seine fossilen „blauen“ Wasserstoffalternativen, manchmal sogar weniger. Grüner Wasserstoff benötigt kumuliert 20–30 L/kg Wasser, blauer Wasserstoff benötigt 32–39 L/kg Wasser. Im Vergleich zu anderen groß angelegten wasserverbrauchenden Prozessen, die heute eingesetzt werden, verbraucht die Produktion von grünem Wasserstoff weniger als die Hälfte des Wassers einer typischen Kohle- oder Atomstromproduktion, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen.

Mit sorgfältiger Standortwahl, Planung und betrieblichen Überlegungen zum lokalen Wassermanagement können grüne Wasserstoffprojekte die Gesamtabhängigkeit von Süßwasser minimieren und insgesamt positive Auswirkungen auf die umliegende Region haben.