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September 2020

Technologiestudie: Ein Wasserstoff-basiertes Energiesystem – (mehr als nur) eine Vision?

Von Amela Ajanovic und Reinhard Haas

Auf dem Weg der Energy Transition zum Erreichen der Klimaschutzziele und einem nachhaltigen Energiesystem ist die Nutzung CO2-armer Energieträger von zentraler Bedeutung. Wasserstoff ist dabei eine vielversprechende Option.

Die Vision eines wasserstoffbasierten Energiesystems geht mehr als 140 Jahre zurück auf Jules Verne. In seinem Buch “The Mysterious Island” aus dem Jahr 1874 schreibt er:

 “I believe that water will one day be employed as fuel, that hydrogen and oxygen which constitute it, used singly or together, will furnish an inexhaustible source of heat and light, of an intensity of which coal is not capable.”

Der Kreislauf der Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff könnte unsere Energielandschaft in einigen Jahrzehnten völlig umgekrempelt haben. Die Idee der Kombination erneuerbarer Energien aus Wasserkraft, Wind- und Solaranlagen mit Wasserstoff als Speicher entspricht dem Ideal eines nachhaltigen Energiesystems, Abb. 2.

Der Wasserstoffkreislauf (Quelle: Amela Ajanovic, eigene Darstellung)

Beim Endverbraucher wird H2 anschließend weitgehend mit Brennstoffzellen genutzt – in Fahrzeugen, Heizungsanlagen, vor allem aber der Industrie. Als Endprodukt entsteht lediglich Wasser. Die historische Entwicklung der für die Nutzung von H2 relevanten Technologien zeigt die folgende Abbildung.

Historische Entwicklung der für die Nutzung von H2 relevanter Technologien (Quelle: eigene Darstellung Ajanovic und Haas 2020)

Visionen eines wasserstoffbasierten Energiesystems

Nach Jules Vernes epochalen Überlegungen dauerte es bis ca. 2003 bis die Vision der Wasserstoffwirtschaft wiederbelebt und propagiert wurde. Jeremy Rifkin schrieb zunächst in dem internationalen Bestseller The Hydrogen Economy:

„The road to global security lies in lessening our dependence on Middle East oil and making sure that all people on Earth have access to the energy they need to sustain life. Weaning the world off oil and turning it toward hydrogen is a promissory note for a safer world.“

Kurz darauf publizierte die EU ihre H2-Roadmap, in der die Vision eines wasserstoffbasierten Energiesystems präzise dargestellt ist: mit der Erzeugung, dem Transport, der Verteilung und der Nutzungsoptionen von H2.

Die Farbe des Wasserstoffs

Wasserstoff wird heute auf unterschiedliche Arten hergestellt am häufigsten über Dampfrefomierung aus Erdgas – sogenannter “grauer” Wasserstoff. Wird jedoch das CO2 bei der Entstehung abgeschieden und gespeichert (engl. Carbon Capture and Storage, CCS), spricht man von “blauem” Wasserstoff. Will man H2 aber vollkommen umweltfreundlich mit minimalen CO2-Emissionen produzieren, muss dafür Strom aus erneuerbarer Energie genutzt und in Elektrolyseuren in “grünen” H2 umgewandelt werden.

Kosten und Wirtschaftlichkeit

Das eigentliche Grundproblem heute ist, dass H2 im Vergleich zu vor allem fossilen Energieträgern noch zu teuer ist. Auch die Volllaststunden der Elektrolyseanlagen spielen hier eine wichtige Rolle. Die nächste Abbildung zeigt wie ein Kostenminimum i.A. dieser Volllaststunden erreicht werden kann.

Optimale Volllaststunden für die kostenminimale H2-Produktion aus Strom (Quelle: eigene Darstellung Ajanovic und Haas 2020)

Zukünftige Kostenreduktion durch Technologisches Lernen

Allerdings gibt es für die Zukunft hohe Erwartungen in eine Kostenreduktion durch Technologisches Lernen vor allem bei den Elektrolyseuren. Das heißt, durch höhere Mengen, die produziert werden und größere Anlagen sollen die Kosten in Zukunft merklich sinken, siehe folgende Abbildung. Eine parallele CO2-Bepreisung würde die Wirtschaftlichkeit ebenfalls verbessern.

Mögliche zukünftige Kostenreduktion der H2-Produktion aus Elektrolyseanlagen und erneuerbarem Strom durch Technologisches Lernen und größere Anlagen (Quelle: eigene Darstellung Ajanovic und Haas 2018).

Fazit und Ausblick

Wenngleich es breiten Optimismus in Bezug auf die zukünftige Rolle von H2 im Energiesystem gibt, sind doch noch die folgenden Fragen zu klären:

  • Sind die Technologien wirklich schon bereit? Sowohl auf der Produktions- als auch auf der Anwendungsseite?
  • Wie und wo können die riesigen Mengen an erneuerbarem Strom produziert werden? Oder werden die westlichen Länder auf H2-Importe angewiesen sein? Aus welchen Ländern?
  • Wie wird die Infrastruktur bereitgestellt werden? Wird die bestehende Infrastruktur für Erdgas genutzt werden?
  • Und in welchen Sektoren wird H2 dann wirklich auf breiter Basis genutzt?

Momentan scheint eine baldige Umsetzung – außer in einigen Nischen für Züge, Lastwagen und Schiffe – eher unwahrscheinlich für Pkw-Transport oder Heizen und Kühlen.

Von zentraler Bedeutung ist, H2 in Sektoren und Prozesse zu zwingen, die nicht auf andere Weise dekarbonisiert werden können, also Priorität für Anwendungen in der Industrie zu geben.

Abschließend sei auch noch auf das grundlegende wirtschaftliche Dilemma verwiesen: Sollen die Elektrolyseure mit einer hohen Anzahl an Volllaststunden betrieben werden und „grauen“ H2 erzeugen ODER mit schlechterer Wirtschaftlichkeit reinen „grünen“ Wasserstoff erzeugen?