7 Minuten Lesezeit 9 Juli 2021
Windkraftanlage im Meer

Wie die Dekarbonisierung mit Wasserstoff gelingen kann

Von Metin Fidan

Partner, Europe West Green Transformation Leader and Europe West Mining & Metals Leader

Sieht in der Dekarbonisierung, Digitalisierung, in der Dezentralisierung sowie in der Konvergenz vor allem Chancen für die Energiewirtschaft. Wandel ist für ihn eine Gestaltungsaufgabe.

7 Minuten Lesezeit 9 Juli 2021

Wasserstoff wird der bedeutendste Rohstoff und Energieträger für eine klimaneutrale Industrie werden. Wichtig ist ein schneller Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft.

Überblick
  • Entscheidend ist, wo der Einsatz von Wasserstoff gefördert wird – und wo nicht. Nicht überall ist er die nachhaltigste Option.
  • Industrie und Verkehr brauchen viel mehr Wasserstoff, als Deutschland mit grünem Strom herstellen kann.
  • Ohne H2-Importe wird die nachhaltige Integration von Wasserstoff in die Wertschöpfungsketten der Industrie nicht gelingen. Für einen raschen Übergang ist auch der wirtschaftliche Zugang zu Strom aus erneuerbarer Energien Voraussetzung.

Wasserstoff, kurz H2, ist das erste Element im Periodensystem. Jetzt soll er auch noch Primus der Energiewende werden ­– weil er einfach alles kann: Strom- und Gasnetze miteinander verknüpfen, große Mengen an Energie speichern und dort als Energieträger arbeiten, wo ein brennbares Gas statt Elektronen gefragt ist. In der Chemieindustrie wird er auch als Rohstoff weiterhin gebraucht, zum Beispiel für die Herstellung von Ammoniak und Methanol.

Grüner Wasserstoff, hergestellt mit Strom aus Wasser-, Wind- und Sonnenenergie, soll überall dort zum Einsatz kommen, wo der Umstieg von fossilen Brennstoffen auf Strom schwierig ist. Das ist zum Beispiel in der Stahlherstellung und in Teilen der chemischen Industrie der Fall. Langfristig könnte H2 auch Schiffe, Flugzeuge und Lkw antreiben. Doch er ist keine Wunderwaffe, die überall wirkt.

Keine höheren Klimaziele ohne Wasserstoff

Der europäische Green Deal und die Novelle des deutschen Klimaschutzgesetzes machen grünen Wasserstoff noch begehrenswerter. Die Bundesregierung hält nationale Einsparungen von 65 Prozent bis 2030 statt der bislang vorgesehenen 55 Prozent für ein machbares und sinnvolles Zwischenziel auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045. Neben dem möglichst frühen Ausstieg aus der Kohleverstromung, dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der Sanierung des Gebäudebestands hat dabei der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft für die Industrie oberste Priorität.

Wo ist Wasserstoff sinnvoll – und wo nicht?

Wenn die Wasserstoffwende gelingen soll, ist es entscheidend, in welchen Anwendungen H2 zuerst zum Tragen kommt. Die Politik muss hier klare Vorgaben machen. Der Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft braucht vorausschauende energiepolitische Rahmenbedingungen. Diese sollten diejenigen Bereiche priorisieren, in denen auch mittel- und langfristig ein substanzieller Bedarf bestehen wird. Drei Kriterien für den Einsatz von Fördermitteln können deren effiziente Verwendung über den gesamten Prozess hinweg sicherstellen:

  • Höchstmögliche CO2-Minderung bereits bis 2030: Das erste Kriterium stellt sicher, dass sich Förderschwerpunkte dort herausbilden, wo bereits frühzeitig Bedarf besteht.
  • Begrenzte Verfügbarkeit alternativer Technologien und Verfahren: Das zweite Kriterium zeigt auf, inwieweit die Nachfrage auf alternative Energieträger und Verfahren zurückgreifen kann. Je eher das der Fall ist, desto geringer werden Nutzer langfristig wasserstoffbasierte Anwendungen brauchen (und zu zahlen bereit sein). Die Förderung sollte sich also zunächst auf Bereiche fokussieren, in denen Alternativen nicht oder nur begrenzt erkennbar sind.
  • Langfristig anhaltender Bedarf: Das dritte Kriterium schließlich präferiert Bereiche, in denen ein langfristiger Bedarf eine gleichbleibende Auslastung und verlässliche Zahlungsströme generiert.

In der Grundstoffindustrie sind alle drei Kriterien erfüllt. Hier besteht ein hoher Reinvestitionsbedarf bei langlebigen Anlagen. Gleichzeitig ist das Potenzial für andere Technologien eingeschränkt – vor allem die Elektrifizierung ist in vielen Bereichen keine Alternative. Nicht zuletzt generieren langfristige Investitionen in Anlagen und Infrastruktur eine stetige Nachfrage nach Wasserstoff.

In der Stahlherstellung werden beispielsweise bereits Direktreduktionsanlagen als Ersatz für Hochöfen pilotiert. Diese Anlagen werden nicht mit Kohle, sondern mit Gas betrieben. Solange noch nicht ausreichend klimaneutraler Wasserstoff verfügbar ist, kann auch Erdgas eingesetzt werden. Auch in der Chemie- und Metallindustrie können in den kommenden Jahren wasserstoffbetriebene Kessel zur Dampf- und Hochtemperaturerzeugung ältere Anlagen ersetzen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Zudem kann grüner Wasserstoff in der Grundstoffchemie grauen Wasserstoff als Rohstoff ersetzen.

Förderung muss klimaschädliche Investitionen verhindern

Generell gilt: Die Förderung sollte bei aktuell anstehenden Reinvestitionen wasserstoffverträgliche Geschäftsmodelle unterstützen und so verhindern, dass Unternehmen sich auf konventionelle, klimaschädliche Technologien festlegen. Auch sollte eine CO2-Regulierung in der Zukunft keinesfalls zur vorzeitigen Entwertung dieser Investitionen führen. Investitionen, die heute als nachhaltig gelten, dürfen nicht plötzlich für nicht nachhaltig erklärt werden.

Im Individualverkehr wird Wasserstoff in Zukunft keine zentrale Rolle spielen. Der batterieelektrische Pkw ist den meisten Studien zufolge zwei- bis dreimal effizienter als ein Wasserstoff-Auto. Auch für die Gebäudewärme eignet sich eine elektrisch betriebene Wärmepumpe besser.
Metin Fidan
Energy & Resources Sector Lead | Deutschland, Schweiz & Österreich

Im Mobilitätssektor hängen Sinn und Unsinn eines Umstiegs auf grünen Wasserstoff vom Grad der Elektrifizierung ab. Gabelstapler und Schlepper mit Wasserstoffantrieb sind bereits in Unternehmen unterwegs und können die Intralogistik klimaneutral machen. Für den Schwerlastbetrieb, Fernbusse und die Hochseeschifffahrt könnten wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen eine Lösung sein – allerdings werden auch Alternativen diskutiert. Beim Schwerlastverkehr ist ein Nebeneinander von Oberleitungs-Lkw, batterieelektrischen Fahrzeugen und Lkw mit Brennstoffzelle denkbar. Auch die Verlagerung auf die Schiene wird eine wichtige Rolle spielen.

Im Individualverkehr wird Wasserstoff in Zukunft dagegen eher keine zentrale Rolle spielen. Der batterieelektrische Pkw ist den meisten Studien zufolge mindestens zwei- bis dreimal effizienter als ein Brennstoffzellen-Auto. Auch für die Gebäudewärme (Heizung und Warmwasser) eignet sich eine elektrisch betriebene Wärmepumpe besser – sie ist fünfmal so effizient wie eine Brennstoffzelle.

Wasserstoffherstellung

5 Gigawatt

Kapazität sollen deutsche Elektrolyseure laut Nationaler Wasserstoffstrategie 2030 haben. Den voraussichtlichen Bedarf würden sie damit nur zu einem minimalen Teil decken.

Parallel zum Markthochlauf muss auch die Verfügbarkeit des kostbaren Energieträgers rasch erhöht werden. Es ist absehbar, dass in Deutschland hergestellter grüner Wasserstoff nicht ausreichen wird, um den Bedarf in den nächsten Jahren und vor allem ab 2030 zu decken. Aktuell sind Elektrolyseure mit weniger als 100 Megawatt in Betrieb. Fünf Gigawatt, 50-mal so viel, sollen es laut Nationaler Wasserstoffstrategie bis 2030 werden. Auch das würde allerdings bei Weitem nicht ausreichen. Wir bräuchten 2000-mal mehr Wasserstoff, als die deutschen Elektrolyseanlagen heute produzieren können.

Das liegt nicht allein daran, dass es zu wenig Elektrolyseure gibt. Es hakt schon beim Ökostrom, denn der wird in einer klimaneutralen Wirtschaft zur Energiequelle schlechthin. Auch batterieelektrische Fahrzeuge und Wärmepumpen brauchen in Zukunft viel zusätzlichen Ökostrom. Zuerst einmal bräuchten wir also neue Solaranlagen, Offshore-Windparks und viele zusätzliche Windräder an Land. Wenn die erneuerbaren Energien den Bruttostromverbrauch 2030 zu etwa 70 Prozent decken sollen, müssen ab 2021 rund 16 Gigawatt pro Jahr zusätzlich entstehen.

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Wie der Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft gelingt

Langfristig wird sich grüner Wasserstoff, hergestellt mit Ökostrom per Elektrolyse, in Deutschland durchsetzen. Er ist im Rahmen der Klimaneutralität die einzige wirklich nachhaltige Option. Dafür wird er in der EEG-Novelle von der EEG-Umlage komplett befreit. Trotzdem wird in Deutschland erzeugter grüner Wasserstoff nach Berechnungen des Energiewirtschaftlichen Instituts an der Universität zu Köln bis 2030 mindestens doppelt so teuer bleiben wie klimaschädlicher grauer Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Es ist somit unrealistisch, für den Markthochlauf nur auf grünen Wasserstoff aus Deutschland zu setzen.

Zwei Drittel des Bedarfs werden Wasserstoffimporte decken. Das macht gerade für die Verbrauchszentren wie das Ruhrgebiet eine verstärkte grenzüberschreitende Zusammenarbeit nötig. Grüner Wasserstoff könnte zum Beispiel aus der Nordsee kommen – hier ist die Zusammenarbeit mit dem Vereinigten Königreich und Dänemark geplant. Auch Mittelmeerstaaten, der Nahe Osten und Nordafrika sowie Australien und Chile bieten sich als Partner für die grüne Wasserstoffproduktion an.      

Blauer Wasserstoff als Zwischenlösung

In einer Übergangsphase bis 2030 sollte zudem akzeptiert werden, dass Elektrolyseure nicht nur mit Ökostrom betrieben werden. Das ist wichtig, um frühzeitig Know-how in dieser Technologie zu erwerben und um die Umstellung auf Wasserstoff in einigen Endenergiesektoren rasch voranzubringen. Blauer Wasserstoff, hergestellt aus fossilem Erdgas per Dampfreformierung, ist dafür eine sinnvolle Option. Das bei der Herstellung entstehende CO2 wird anders als beim grauen Wasserstoff geologisch gespeichert, zum Beispiel am Meeresgrund. So kann es nicht in die Erdatmosphäre gelangen und zur globalen Erwärmung beitragen.

In Deutschland ist diese Speicherung von Kohlendioxid umstritten. Länder wie die Niederlande, Island oder Norwegen stehen allerdings für die Speicherung von CO2 aus Deutschland bereit. Auch Importe von blauem Wasserstoff zum Beispiel aus den Niederlanden, Norwegen und Russland sind eine Möglichkeit für den Übergang. Die Niederlande wollen ihr Gasnetz dafür nach dem Ausstieg aus der Erdgasförderung umrüsten und mit dem deutschen Ferngasnetz verknüpfen.

Türkiser Wasserstoff aus Biomethan – nicht nur für den Übergang

Eine weitere Option ist türkisfarbener Wasserstoff aus Methanpyrolyse, der durch die thermische Spaltung von Methan aus Erdgas hergestellt wird. Als Nebenprodukt entsteht hierbei fester Kohlenstoff, der sich weiter stofflich nutzen lässt. Wenn der türkise Wasserstoff aus Biomethan gewonnen wird (Deutschland erzeugt jährlich 33 ThW Biomethan), ist dies die einzige H2-Technologie, die proaktiv CO2 reduzieren kann, also die CO2-Bilanz verbessert. Mit dem entstehenden grünen Carbon könnte die Chemieindustrie zum Beispiel wirklich grüne Moleküle herstellen – aus grünem Wasserstoff und grünem Carbon. Zurzeit wird grüner Wasserstoff noch mit Carbon aus fossilen Quellen gekoppelt.

Europas Wasserstoffstrategie

Wahrscheinlich noch 2021 wird die EU einen vollständigen Rechtsrahmen für Wasserstoff vorstellen. Dabei spielt die Taxonomie für Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle, die eine Art Standard für grüne Investments sein soll. Noch offen ist, ob die EU nur grünen Wasserstoff privilegiert oder auch Wasserstoff aus Atomstrom oder fossiler Energie, wenn das Kohlendioxid gespeichert (CCS) oder stofflich genutzt (CCU) wird. Umweltverbände fordern strenge Schwellenwerte, auch wegen der bislang unterschätzten Methanemissionen bei der Erdgasförderung und beim -transport. Auf der anderen Seite droht Widerstand gegen zu strenge Taxonomie-Vorgaben von mehreren EU-Staaten, der den „Green Deal“ als Ganzes blockieren könnte. Klar scheint nur eines: Grüner Wasserstoff wird auf lange Sicht in Europa die erste Wahl bei der Dekarbonisierung der Industrie sein.

Fazit

Die deutschen Klimaziele sind mit dem neuen Klimaschutzgesetz noch ambitionierter geworden. Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist ein zentrales Handlungsfeld. Doch nicht überall ergibt der Hoffnungsträger volkswirtschaftlich Sinn. Die Förderung sollte dort Schwerpunkte setzen, wo frühzeitiger Bedarf besteht, eine langfristige Nutzung zu erwarten ist und keine effizientere Alternative zur Verfügung steht. Grüner Wasserstoff aus Deutschland wird für die Umwälzungen allerdings nicht ausreichen. Importe sind nötig – und für den Übergang sollte auch Wasserstoff aus CO2-reduzierten Energieträgern zum Einsatz kommen.

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Von Metin Fidan

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Sieht in der Dekarbonisierung, Digitalisierung, in der Dezentralisierung sowie in der Konvergenz vor allem Chancen für die Energiewirtschaft. Wandel ist für ihn eine Gestaltungsaufgabe.