Wasserstoff – Schlüsselelement für Energiewende und Klimaschutz

Der Einsatz von kohlenstoffhaltigen fossilen Ressourcen wie Erdöl und Erdgas als Energiequelle, bei deren Verbrennung CO2 entsteht, ist eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung. Dadurch ist das Weltklima – und damit unsere Lebensgrundlage – bedroht. Da insbesondere in hochindustrialisierten Ländern Energieträger in großen Mengen für die Verbrennung in Bereichen wie Industrie, Mobilität, Elektrizität, und Heizung benötigt werden, müssen zur Energieerzeugung idealerweise kohlenstofffreie Energieträger verwendet, d.h. oxidiert werden.

Nachhaltig ist dabei nur ein Kreisprozess, in dem alle verbrauchten Stoffe wieder zurückgewonnen werden. Dabei muss die verbrauchte Energie wieder in das System hineingesteckt werden, die Oxidation/Verbrennung dementsprechend wieder rückgängig gemacht werden (Reduktion). Diese Energie darf nicht aus Ressourcenverbrauch stammen, sondern muss erneuerbar, also praktisch unerschöpflich sein. Wind- und Solarenergie erfüllen zwar im Prinzip diese Bedingung, aber ihre Ergiebigkeit schwankt mit Zeit und Ort, weshalb Speicherbarkeit ebenso erforderlich ist wie Transportfähigkeit.

Der energetisch ideale Kreisprozess

Der energetische Königsweg für einen stofflichen Kreisprozess, der mit erneuerbaren Energien in Gang gehalten wird, ist die Umwandlung von Wasserkraft, Windenergie oder Solarenergie in elektrische Energie. Diese kann in Akkumulatoren gespeichert werden. Nach dem Verbrauch der Energie, z.B. durch E-Mobilität, wird der Li-Akku mit erneuerbarer Energie wieder aufgeladen. Allerdings hat der elektrochemische Weg trotz nahezu idealen Wirkungsgrades eines Elektromotors von ca. 95% auch einen großen Nachteil:

Die Energiedichte von Li-Akkus ist mit etwa 0,2 kWh/kg sehr gering. Zum Vergleich: Wasserstoff hat etwa die 60-fache Energiedichte, Diesel die 25-fache Dadurch sind Akkus relativ groß und schwer, verbrauchen entsprechend viele Rohstoffe und sind deshalb ein sehr teurer Energiespeicher.

Bei einem jährlichen Energieverbrauch in Deutschland von rund 3 Billiarden kWh (3.000.000.000.000.000 kWh) braucht man neben – unverzichtbaren – elektrochemischen Akkuspeichern daher einen kostengünstigeren chemischen Energiespeicher,

  • der eine hohe Energiedichte besitzt,
  • der bei der Oxidation/Verbrennung keine klimaschädlichen Gase freisetzt,
  • dessen Quelle praktisch unbegrenzt verfügbar und unerschöpflich ist,
  • der in großen Mengen lagerfähig und transportabel ist und
  • der mit Strom recycled werden kann.

 

Der einzige Kandidat: Wasserstoff

Aus dem Chemiebaukasten der Erde erfüllt nur Wasserstoff alle genannten Voraussetzungen als Energieträger. Wasserstoff ist mit der atomaren Masse 1 Da das kleinste Atom und tritt als Molekül H2 auf. Dieser unverzichtbarere Grundstoff wird seit rund 100 Jahren sehr klimaschädlich und unter Verbrauch endlicher Ressourcen an fossilen Kohlenwasserstoffen und Kohle hergestellt – alles andere als grün! Bis spätestens 2050, besser früher, muss nach breitem Konsensus mit dieser auf Dauer für unsere Biosphäre ruinösen Praxis Schluss sein.

Das alternativlose Ziel der Dekarbonisierung des Energiesektors bedeutet in der Praxis nicht weniger als einen radikalen Umbau unserer energieliefernden und energieverbrauchenden Industrien. Dieser Umbau nimmt seit letztem Jahr trotz der herrschenden Pandemie endlich Fahrt auf.

 

Übersicht:

 

 

1. Kleine Wasserstoff-Farbenlehre

Wasserstoff ist ein farbloses Gas. Zur einfachen begrifflichen Unterscheidung der verschiedenen Herstellungsverfahren hat man aber Farben eingeführt. (1,2)

Grauer Wasserstoff wird aus Erdgas gewonnen, das im Wesentlichen aus Methan besteht. In der Regel geschieht das durch Dampfreformierung. Dabei wird Methan (CH4) mit heißem Wasserdampf in Gegenwart von Sauerstoff (O2) in ein Gemisch aus CO2, CO und H2 umgesetzt und das CO mit Wasserdampf zu CO2 und H2 umgesetzt. Dabei entstehen pro Tonne Wasserstoff insgesamt 10 Tonnen CO2, die in die Atmosphäre gelangen. Dieses Verfahren der Wasserstoffherstellung wird weltweit aktuell noch zu weit über 90% verwendet und trägt damit wesentlich zur klimaschädlichen CO2-Belastung bei.

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dem das bei der Erdgasoxidation freiwerdende CO2 unterirdisch gespeichert (CCS, Carbon Capture an Storage) oder in der Industrie weiterverarbeitet  wird (CCU, Utilization). Dabei gelangen 5-15% des CO2 in die Atmosphäre. Außerdem kommt es in der gesamten Prozesskette zu Methanschlupf. Methan gilt als 25mal so klimaschädlich wie CO2.

Türkiser Wasserstoff wird durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) von Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, erzeugt. Hierbei entsteht kein CO2, sondern Kohlenstoff in fester Form, der gelagert oder in Synthesen verbraucht werden kann:

Maßgeblich für die CO2-Emissionen ist der für die starke Erhitzung (Pyrolyse) verwendete Energiemix. Problematisch sind der Methanschlupf und ein schlechter Wirkungsgrad.

Diese 3 Verfahren werden uns als Übergangstechnologien erhalten bleiben, bis Grüner (emissionsfreier) Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Pinker/Roter Wasserstoff (erzeugt mit Kernenergie) hat in Deutschland langfristig keine Perspektive, könnte auf EU-Ebene aber z.B. in Frankreich eine Rolle spielen.

Weißer Wasserstoff (erzeugt aus Fracking-Gasen) steht in Deutschland nicht zur Debatte.

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich unter Einsatz regenerativer Energiequellen erzeugt. Dies geschieht nach Definition des BMBF und des BMWi ausschließlich durch Elektrolyse von Wasser.

Aus Biogas gewonnener Wasserstoff wird aber verbreitet auch als Grüner Wasserstoff oder Biowasserstoff bezeichnet.

Aus Wasserstoff kann Strom durch Verbrennung in Brennstoffzellen erzeugt werden:

Die Chemie ist so einfach wie bestechend: Bei der Energieerzeugung aus dem durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff entsteht als Abfallprodukt lediglich Wasser und keine Luftschadstoffe (abgesehen von Spurenmengen an Stickoxid). Das ist der Kreisprozess!

Relativ Geringe Mengen CO2 entstehen – noch – beim Transport in LKWs, bis der Lastverkehr emissionsfrei ist.

Von allen vier Herstellungsverfahren ist nur Grüner Wasserstoff nachhaltig und – praktisch – emissionsfrei. (3,4,5)

Das Erreichen der Klimaziele wird voraussichtlich nur möglich sein, wenn Wasserstoff nahezu ausschließlich grün hergestellt wird.

 

 

2. Wichtige Eigenschaften von Wasserstoff

Die chemisch oder elektrochemisch verwertbare Energie von Stoffen steckt in ihren chemischen Bindungen. Wasserstoffatome, H, besitzen als kleinstes Element die Masse 1 Da. Wasserstoffmoleküle, H2, besitzen eine Bindung pro Masse von 2 Da. Alle anderen chemischen Verbindungen haben deutlich weniger Bindungen pro Masseneinheit.

Deshalb ist die Energiedichte von H2 mit 33,33 kWh/kg prinzipiell von keinem chemischen Energieträger auch nur annähernd zu erreichen.

Größter Vorteil von Wasserstoff

Obwohl die Energiedichte von Akkus von derzeit ca. 0,2 kWh/Kg langsam gesteigert wird, kann sie aus dem gleichen Grund nie auch nur annähernd an die Energiedichte von Wasserstoff heranreichen. Auch volumenbezogen ist die Energiedichte von Wasserstoff viel höher, nämlich etwa das Fünffache. Dies ist sowohl für Mobilität als auch für Lagerung ein maßgeblicher Vorteil.

Weitere Eigenschaften:

  • Wasserstoff ist mit einem Siedepunkt von -253°C physikalisch nicht einfach zu handhaben aber inzwischen gut beherrschbar. Es muss daher entweder verflüssigt oder unter hohem Druck (bis 1000 bar) gelagert werden. Die kleinsten aller Moleküle können sogar durch Metalle diffundieren, aber mit carbonfaserverstärkten Kunststoffen kann man es „bändigen“.
  • Wasserstoff kann in chemischen Verbindungen umkehrbar gespeichert und transportiert werden, z.B. in LOHCs (Liquid Organic Hydrocge Carriers). 1 Liter LOHC kann etwa 650 L Wasserstoffgas speichern. Wasserstoff kann auch als Metallhydrid platzsparend gespeichert werden.
  • Wasserstoff ist nicht giftig, nicht ätzend, nicht selbstentzündlich oder brandfördernd, und nicht wassergefährdend.
  • Da sich das leichte Gas in Luft sehr schnell nach oben verflüchtigt, kann es nicht wie etwa Propangas in geschlossenen Räumen unbemerkt hochgefährliche „Kissen“ am Boden bilden.
  • Versuche haben gezeigt, dass in Brand gesetzte mit Benzin befüllte Fahrzeuge deutlich schneller Feuer fangen als Wasserstofffahrzeuge. Sie stehen schnell vollständig in Flammen und brennen völlig aus, während aus brennenden Wasserstofftanks eine hohe Stichflamme nach oben schießt, das Auto aber weitgehend unversehrt bleibt.
  • In der EU zertifizierte wasserstoffbetriebene Fahrzeuge gelten als technisch dicht und dürfen in privaten und öffentlichen Garagen und Parkhäusern abgestellt werden.
  • Allgemein gelten Brennstoffzellenfahrzeuge als nicht gefährlicher als Benzin- oder Dieselgetriebene.

 

 

3. Perspektive von Grünem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird häufig entweder als „das neue Erdöl“ oder als „Champagner der Energiewende“ bezeichnet. Beide Ausdrücke werden ihm aber nicht gerecht:

Grüner Wasserstoff ist nicht der in Millionen von Jahren entstandene Energieträger, der nur noch gefördert werden muss. Er ist kein Luxusprodukt, sondern ein Missing Link der Energiewende (4). Er wird auch im Zuge der Sektorenkopplung als Bindeglied zwischen der elektrischen und stofflichen Welt bezeichnet (6).

In der Wasserstoff-Roadmap des Fraunhofer ISE (6) heißt es:

„Wasserstoff wird als Grundbaustein gasförmiger und flüssiger Energieträger auf Basis erneuerbarer Energien unumgänglich für alle Nutzungen, in denen direkte Stromnutzung technisch oder wirtschaftlich nicht möglich oder sinnvoll ist.“

In Sachen Mobilität gibt es unterschiedliche Auffassungen über die zukünftige Rolle von Wasserstoff. In der Roadmap des Fraunhofer ISE wird dem Wasserstoff eine wesentliche Rolle sowohl im Pkw-Sektor als auch bei kleinen und schweren Nutzfahrzeugen prognostiziert. Dies gilt insbesondere für lange Fahrstrecken. Greenpeace Energy sieht dagegen die Bedeutung von Wasserstoff im Mobilitätssektor reservierter.

Greenpeace Energy sieht folgende Vorzüge des Wasserstoffpfades:

  • Als Großspeicher für überschüssigen Wind- und Solarstrom
  • Roh- und Brennstoff zur Dekarbonisierung der Industrie und der Energiewirtschaft
  • Nach der Weiterverarbeitung zu Powerfuels aller Art als Kraftstoff für Schiffe und Flugzeuge

Als langfristiger Energiespeicher könnte Wasserstoff zum einen Energieüberschüsse aus Wind- und Solarkraft auffangen und durch Beimischung im Erdgasnetz oder Rückverstromung Energieengpässe abfedern.

In der Zementindustrie werden 8% des weltweiten CO2-Ausstoßes emittiert, die Hälfte der vom gesamten Straßenverkehr emittierten Menge. Wasserstoff kann mit CO2 zu Methanol umgesetzt werden, weltweit einer der wichtigsten Chemikalien. Methanol wird auch als synthetischer Kraftstoff eingesetzt. Bislang wird Methanol vor allem aus Erdgas und Schweröl hergestellt.

Die Stahlherstellung erzeugt weltweit 7% der CO2-Emissionen. Diese entstehen durch die Umsetzung von Eisenoxid und Kohle in den Hochöfen. Wasserstoff soll die Kohle ersetzen und bei 1000 °C das Eisenoxid zu Eisen und zu Wasser statt CO2 umsetzen.

Fortschritte in der Forschung steigern u.a. die Effizienz der Elektrolyse durch Nutzung der Abwärme und ermöglichen Einsparungen, z.B. bei wertvollen Rohstoffen wie Iridium (8).

Das hochinnovative Institut für Solare Energiesysteme, Fraunhofer ISE, hat Solarzellen entwickelt, die Sonnenlicht sogar ohne Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln können (9).

Dieses Institut hat auch eine Magnesiumhydridpaste entwickelt, die mit Wasser gemischt Treibstoff für Brennstoffzellen liefert (10).

Greenpeace Energy betont, (4) dass ein beschleunigter Ausbau des Grünen Wasserstoffpfades eine wesentliche Voraussetzung für den Erfolg der Energiewende ist. Durch technologischen Fortschritt, Skalierungseffekte und adäquate CO2-Bepreisung wird für Grünen Wasserstoff bis 2040 ein Preisverfall von etwa 85% prognostiziert, wodurch er gegenüber nicht nachhaltig hergestelltem Wasserstoff konkurrenzlos günstig werden würde.

Bei beschleunigtem Ausbau der Grünen Wasserstoffinfrastruktur prognostizieren Greenpeace Energy und Morgan Stanley eine wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit von Grünem Wasserstoff in bereits 3-5 (3) bzw. 3 Jahren (7).

Im Moment werden weltweit enorme Summen in Grünen Wasserstoff investiert. Die EU fördert Grünen Wasserstoff bis 2030 mit 145 Milliarden Euro an Subventionen und 430 Milliarden Euro an Investitionen (10).

Die großen Europäischen Energieversorger wollen in den nächsten Jahren 800 Milliarden € in die Grüne Wasserstofftechnologie investieren und dadurch 5 Millionen Arbeitsplätze schaffen.

 

 

4. „Deutschland wird Wasserstoffland“ –  Förderung durch die Politik

EU und Bundesregierung haben sich eindeutig zu Grünem Wasserstoff als Energieträger der Zukunft bekannt. Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (11) wurden im letzten Jahr die Weichen für den Aufbau einer Grünen Wasserstoffinfrastruktur in Deutschland gestellt. Zusätzlich zu bestehenden Förderprogramm werden 7 Milliarden Euro für den Markthochlauf Grüner Wasserstofftechnologien bereitgestellt, dazu noch 2 Milliarden für internationale Kooperationen.

Die Bundesregierung will die gesamte Wertschöpfungskette – Technologien, Erzeu­gung, Speicherung, Infrastruktur und Verwendung einschließlich Logistik und wichtiger Aspekte der Qualitätsinfrastruktur in Deutschland etablieren, einen Heimatmarkt entwickeln und Importen den Boden bereiten. Man strebt eine weltweite Führungsposition an.

Derzeit werden in Deutschland 55 TWh an (überwiegend grauem) Wasserstoff erzeugt, was etwa dem Stromverbrauch von 20 Millionen Haushalten entspricht. Die Bundesregierung sieht bis 2030 einen Wasserstoffbedarf von 900-1100 TWh.

 

 

5. Grüner Wasserstoff in der Region

Schon Ende 2019 wurde die Initiative HyLand Wasserstoffregionen in Deutschland als Wettbewerb ausgerufen. Der Verbund der Landkreise Landsberg/München/Ebersberg wurde als eine von drei Regionen mit dem Prädikat HyPerformer ausgezeichnet, verbunden mit einer Fördersumme von 20 Mio. €. Dieses Projekt, das einzige bayrische, fungiert unter dem Namen HyBayern (12).

Im Zentrum der HyLand-Regionen steht die Integration von erneuerbarem Wasserstoff im Verkehrssektor, um den möglichen Beitrag zur Erreichung der CO2-Reduktionsziele zu zeigen.

Jetzt beginnt die Realisierung. Im Zuge der Schaffung einer Vorzeigeregion für Grünen Wasserstoff wird die gesamte Wertschöpfungskette von der Elektrolyse über Verteilung zu Tankstellen und Verbrauch durch einen Brennstoffzellenfahrzeugpark (Busse, Pkws) etabliert. Dazu werden neue Arbeitsplätze geschaffen.

In der Region wird eine CO2-Einsparung von 4500 t im Jahr erwartet.

 

 

6. Perspektive für unsere Gemeinde

Der HyPerformer-Status des Landkreises München ist verbunden mit der Etablierung der gesamten Wertschöpfungskette einer Wasserstoffinfrastruktur in der Region, von der Produktion bis zum Verbrauch. Da eine befruchtende Wirkung dieses Pionierprojektes auf die Region zu erwarten ist, ist dies sicher eine Chance für unsere Gemeinde, am Fortschritt vornean teilzuhaben.

In einem Schreiben an alle Bayrischen Landratsämter und Kommunen vom 13.01.2021 hat das Bayrisches Wirtschaftsministerium betont, dass das Thema Wasserstoff mit seinen vielfältigen Potentialen endlich alle Ebenen der Politik von der EU über Bund und Länder bis hin zu den Kommunen erreicht hat. Mit seinem Förderprogramm „Energiekonzepte und Energienutzungspläne“ wird die Erstellung von Energienutzungsplänen (ENP) und die Umsetzungsbegleitung der erarbeiteten Maßnahmen durch das StMWi mit bis zu 70 % gefördert.

Der Strombedarf wird voraussichtlich vor allem durch Elektrifizierung der Mobilität und der Industrie, durch den Zuwachs an Wärmepumpen und die Digitalisierung steigen. Der Anteil der Erneuerbaren an der Stromerzeugung liegt in Planegg/Martinsried noch unter 1%. Hier gibt es sehr viel Luft nach oben.

Wie wir schon im Beitrag über die Photovoltaikoffensive betont haben, ist der Raum zwischen Donau und Alpenrand und damit auch das Würmtal als Standort besonders gut für die Photovoltaik geeignet. Unsere Gemeinde ist also prädestinierter Solarstandort und damit auch geeigneter Wasserstoffstandort!

Wir meinen, wir sollten die sich bietenden Chancen und die jetzt herrschende Aufbruchstimmung nutzen, um den Beitrag unserer Gemeinde zum Erreichen der Klimaziele in die Wege zu leiten.

(1) https://emcel.com/de/farben-von-wasserstoff/

(2) https://www.greenpeace-energy.de/blog/wissen/windgas/wasserstoff-eine-energiepolitische-farbenlehre/

(3) https://www.greenpeace-energy.de/blog/wissen/windgas/blauer-wasserstoff/

(4) https://www.greenpeace-energy.de/fileadmin/docs/pressematerial/2020_Studie_Gruen_oder_Blau_final.pdf

(5) https://www.greenpeace-energy.de/presse/artikel/nur-gruener-wasserstoff-ist-klimafreundlich-und-kostenguenstig.html

(6) https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/2019-10_Fraunhofer_Wasserstoff-Roadmap_fuer_Deutschland.pdf

(7) https://www.handelsblatt.com/unternehmen/energie/energiewende-studie-gute-chancen-fuer-gruenen-wasserstoff/26041702.html

(8) https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/p2x

(9) https://www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/mehrsi.html

(10) https://www.handelsblatt.com/unternehmen/energie/drei-phasen-plan-die-wasserstoff-welt-der-zukunft-so-will-die-eu-das-energiesystem-umbauen/25984390.html?ticket=ST-5286773-GIvZeViRVfNibQzE4Y1j-ap6

(11) https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Publikationen/Energie/die-nationale-wasserstoffstrategie.html

(12) http://hybayern.de/

 

 

 

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