9 Minuten Lesezeit 27 November 2020
Wassertoffbetankung eines Autos

Warum es Zeit für die Wasserstoffwende wird

Von Metin Fidan

Energy & Resources Sector Lead | Deutschland, Schweiz & Österreich

Sieht in der Digitalisierung, in der Dezentralisierung und in der Konvergenz vor allem Chancen für die Energiewirtschaft. Wandel ist für ihn kein Problem, sondern eine Gestaltungsaufgabe.

9 Minuten Lesezeit 27 November 2020

Bis 2050 will Deutschland klimaneutral werden. Das erfordert den raschen Einsatz grünen Wasserstoffs – über alle Sektoren hinweg.

Überblick

  • Grüner Strom allein wird die nötige Klimawende nicht schaffen, Industrie, Verkehr und Gebäude werden auch weiterhin flüssige Energieträger benötigen.
  • Noch ist Wasserstoff wirtschaftlich nicht konkurrenzfähig. Der Staat muss daher die nötigen energiepolitischen Rahmenbedingungen setzen und Pilotprojekte mit Förderprogrammen unterstützen.
  • Bis 2030 könnte in der EU eine Wasserstoffwirtschaft mit einem Potenzial von bis zu 130 Milliarden Euro entstehen.

Ohne Wasserstoff wird es nicht funktionieren. Schon als sich die internationale Gemeinschaft 2015 auf der Pariser Klimakonferenz (COP21) darauf einigte, die Erderwärmung möglichst auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, war klar: An einer drastischen Umstellung des Energiesystems führt kein Weg vorbei. Auch wenn grüner Strom boomt- ein wichtiger Treiber, um bis 2050 klimaneutral zu werden, führt weiterhin ein Schattendasein:  Wasserstoff, kurz H2.

Um die Klimaschutzziele auch nur annähernd zu erreichen, muss in den Sektoren Mobilität, Wärme und Industrie deutlich mehr CO2 eingespart werden als bisher. Insbesondere fehlt noch eine Möglichkeit, große Mengen erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne zu speichern und sie wirtschaftlich auf Fahrzeuge, Gebäude und Fabriken zu verteilen. Grüner Strom allein wird die Klimawende nicht schaffen. Denn Industrie, Verkehr und Gebäude werden auch weiterhin nennenswerte Mengen an gasförmigen und flüssigen Energieträgern benötigen.

Die mögliche Lösung lautet Wasserstoff. Er könnte als gasförmiger Energieträger direkt eingesetzt oder als Ausgangsstoff in synthetische gasförmige oder flüssige Energieträger umgewandelt werden, die den heutigen fossilen Energieträgern sehr ähneln.

Die Politik muss Rahmenbedingungen schaffen

Der Weg zum Wasserstoff führt über die Politik. Sie muss die energiepolitischen Rahmenbedingungen setzen, die eine großflächige Einführung von H2 im Energiesystem ermöglichen. Unter anderem werden die Preise, die Verursacher für den Ausstoß von CO2 zahlen müssen, auf absehbare Zeit voraussichtlich zu niedrig bleiben, um Wasserstoff konkurrenzfähig zu machen. Um einer möglichen „Wasserstoffwende“ dennoch schon heute den Weg zu bereiten, müssen belastbare Geschäftsmodelle für die Erzeugung und Nutzung von H2 geschaffen werden.

Wasserstoff wird in Zukunft eine wichtige Rolle in einem klimaneutralen Energiesystem einnehmen. Insbesondere in den Sektoren Industrie und Verkehr würde Wasserstoff demnach relevante Anteile des Bedarfs an Energieträgern und Rohmaterial decken.

Szenarien für den Einsatz von Wasserstoff  

Klimaschutzszenarien sprechen eine deutliche Sprache: Wasserstoff wird in Zukunft eine zentrale Rolle in einem klimaneutralen Energiesystem einnehmen. Insbesondere in den Sektoren Industrie und Verkehr würde Wasserstoff demnach relevante Anteile des Bedarfs an Energieträgern und Rohmaterial (dem sogenannten „Feedstock“) decken.

Entsprechende Szenarien für Deutschland nehmen an, dass der Wasserstoffbedarf mittel- bis langfristig ausschließlich auf Grundlage erneuerbar erzeugten Stroms gedeckt wird. In den meisten Szenarien wird für Deutschland bis 2050 ein jährlicher inländischer Wasserstoffbedarf in einer Größenordnung von rund 100 bis 400 Terrawattstunden (TWh) erwartet. Zum Vergleich: Der Erdgasbedarf in Deutschland betrug im Jahr 2019 knapp 900 TWh.

Mit Ausnahme des „Szenario 95“ (Reduktion der Treibhausgas-Emissionen um 95 Prozent bis 2050) wird in allen betrachteten Szenarien der Wasserstoffbedarf im Jahr 2050 überwiegend oder vollständig über Elektrolyse im Inland gedeckt. In den fünf aufgeführten Szenarien werden zusätzlich in großem Stil synthetische Energieträger importiert, die in Ländern mit günstig erschließbaren erneuerbaren Energien (etwa Island, Norwegen oder Marokko) auf Grundlage elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs hergestellt werden.

Die Klimaschutzszenarien gehen davon aus, dass elektrolytisch erzeugter „grüner“ Wasserstoff bereits bis 2030 eine nennenswerte Rolle insbesondere in Industrie und Verkehr spielen wird. Die meisten Szenarien gehen dabei von einer Größenordnung von anfänglich ungefähr 50 TWh pro Jahr aus. Die frühzeitige Nutzung von Wasserstoff kann zum einen dabei helfen, das deutsche Klimaziel für 2030 zu erreichen, also die Emissionen von Treibhausgasen gegenüber 1990 um mindestens 55 Prozent zu senken. Zum anderen könnte sie maßgeblich dazu beitragen, das längerfristige Ziel der Klimaneutralität zu ermöglichen, da frühzeitige Investitionen in Elektrolyseure, Wasserstoff-Pipelines und Wasserstoff-Endanwendungen notwendige Erfahrungen für die umfassendere Nutzung von Wasserstoff bis 2050 mit sich bringen würden.

Für einen Einstieg fehlt die Basis

Die Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) spricht allerdings eine andere Sprache. Darin zielt die Bundesregierung für 2030 lediglich auf eine installierte Kapazität von Elektrolyseuren von 5 Gigawatt (GW) ab. Diese könnten jedoch gerade einmal 10 bis 14 TWh Wasserstoff pro Jahr erzeugen, wenn man von 3.000 bis 4.000 jährlichen Volllaststunden und einem Wirkungsgrad von 70 Prozent ausgeht. Das würde damit den in den meisten Szenarien für 2030 vorgesehenen Wasserstoffbedarf nur zu einem minimalen Teil decken. Geht der Bedarf darüber hinaus, müsste er über Importe gedeckt werden. Für eine Übergangsphase wird deshalb auch über sogenannten „blauen Wasserstoff“ diskutiert. Dieser wird konventionell auf Grundlage von Erdgas erzeugt, ein Großteil des entstehenden CO2 aber abgeschieden und unterirdisch gespeichert.

  • Prof. Dr. Stefan Lechtenböhmer, Wuppertal Institut

    Prof. Dr. Stefan Lechtenböhmer ist Direktor der Abteilung Zukünftige Energie- und Industriesysteme des Wuppertal Instituts. Zu seinen Spezialgebieten zählen unter anderem Energieszenarien und Energiesystemanalyse, Langfristszenarien für eine nachhaltige „Low Carbon Society“, Dekarbonisierung der energieintensiven Industrie sowie Klimaschutz- und Energiekonzepte. Er ist Co-Chair des internationalen Low Carbon Society Research Networks der G7 und Nationaler Experte für Treibhausgasinventare, Projektionen sowie Emissionsminderungspolitiken im Roster of Experts des SBSTA der Klimarahmenkonvention.

  • Dr. Sascha Samadi, Wuppertal Institut

    Dr. Sascha Samadi ist als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Wuppertal Institut in der Abteilung „Zukünftige Energie- und Industriesysteme“ tätig. Er bearbeitet und leitet Forschungsprojekte mit Schwerpunkten in der Analyse von nationalen und europäischen Energieszenarien und der Bewertung von Strategien für eine klimaneutrale Grundstoffindustrie. 

Die Krux dabei ist: Nach aktuellem Stand wird 2030 weder grüner noch blauer Wasserstoff in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Für Importe fehlt es an grenzüberschreitenden Infrastrukturen, deren Bau lange Vorlaufzeiten erfordert. Für eine eigene Produktion durch Elektrolyse wiederum bräuchte es zunächst sehr viel mehr in Deutschland erzeugte erneuerbare Energien.

Wasserstoff: Anwendungen in Stahl, Industrie, Verkehr

Erste Anwendungen von Wasserstoff könnten in den nächsten fünf bis zehn Jahren sogenannte Direktreduktionsanlagen sein. Diese neuen Stahlkraftwerke können bestehende Hochöfen ersetzen und Wasserstoff statt Erdgas verwenden- anfangs wenig, später immer mehr. Auch für die in der chemischen Industrie benötigte Erzeugung von Hochtemperaturwärme wäre bereits bis 2030 ein Bedarf an elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff vorhanden. Im Verkehrssektor wiederum könnte Wasserstoff ebenfalls bereits bis 2030 eine Rolle spielen, insbesondere im Lkw- und Schiffsverkehr.

Grundsätzlich erscheint eine Mischung aus zentralisierter und dezentraler Erzeugung von grünem Wasserstoff sinnvoll. Die zentralisierte Erzeugung legt den Fokus auf Standorte in Norddeutschland, an denen viel Windstrom für die Elektrolyse erzeugt werden kann. Mittelfristig scheint auch das europäische Ausland interessant. Der mit Hilfe von Sonne, Wind, Wasser oder Erdwärme hergestellte Wasserstoff würde von dort kostengünstig über Pipelines zu großen Verbrauchern geleitet. Die dezentrale Erzeugung hingegen kommt eher für Standorte wie Tankstellen oder Industrieanlagen mit geringem Energiebedarf in Frage, die nicht kurz- bis mittelfristig an ein Wasserstoffnetz angebunden werden.

Umstieg ohne Förderung undenkbar

Es ist offensichtlich, dass für eine baldige „Wasserstoffwende“ momentan noch die energiepolitischen Rahmenbedingungen fehlen. Das Wuppertal Institut schätzt, dass die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff auch im Jahr 2030 nur dann konkurrenzfähig wäre, wenn der CO2-Preis auf rund 200 bis 400 Euro stiege. Nur dann wäre grüner Wasserstoff konkurrenzfähig gegenüber grauem Wasserstoff, der derzeit dominierenden erdgasbasierten Wasserstofferzeugung per Dampfreformierung. Trotz der erwarteten kontinuierlichen Kostensenkungen wird ein Umstieg von grauem auf grünen Wasserstoff also nicht möglich sein, wenn die Politik dies nicht explizit fördert.

Etwas günstiger sieht es bei der wasserstoffbasierten Primärstahlerzeugung aus. Um gegenüber der heute dominierenden CO2-intensiven Hochofenroute konkurrenzfähig zu sein, bräuchte sie im Jahr 2030 einen CO2-Preis von 100 bis 170 Euro pro Tonne. Im Straßenverkehr wird für Wasserstofffahrzeuge auch mittelfristig noch mit Vermeidungskosten in Höhe von mindestens 80 bis 100 Euro pro Tonne CO2 gerechnet.

Es ist aus heutiger Sicht nicht davon auszugehen, dass es für den europäischen Emissionshandel in den kommenden Jahren politische und gesellschaftliche Mehrheiten für einen CO2-Preis von 100 Euro oder mehr pro Tonne geben wird. Der für die Klimawende notwendige Einstieg in eine Wasserstoffwirtschaft erfordert deshalb bereits vor 2030 andere Maßnahmen. Wissenschaft und Fachpolitik empfehlen dazu einen Instrumentenmix. Bei einem solchen Mix sollte es nicht zuletzt darum gehen, belastbare Geschäftsmodelle für die Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff zu schaffen.

Sinnvoll erscheint zunächst der Bau eines Korridors, der von der deutschen und niederländischen Nordsee bis hin zu den industriellen Schwerpunkten der Stahl- und Chemieindustrie in Nordrhein-Westfalen reicht.

Wie Wasserstoff neue Geschäftsmodelle schaffen kann

Ein Instrument aus der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung, das die notwendige Investitionssicherheit für Anwendungen der energieintensiven Industrien liefern könnte, sind die sogenannten „Carbon Contracts for Difference“. Dabei erstattet der Staat die Differenzkosten der Grundstoffproduktion der neuen „grünen“ Technologien gegenüber den gegenwärtig eingesetzten Referenztechnologien, soweit diese nicht vom CO2-Preis oder weiteren Förderinstrumenten abgedeckt werden. Darüber hinaus könnte das öffentliche Beschaffungswesen auf klimafreundliche Produkte umgestellt werden, um Anreize für die Nutzung von Wasserstoff im Industriesektor zu schaffen.

Auf Erzeugerseite hätte der Staat die Möglichkeit, über Ausschreibungen sicherzustellen, dass eine Förderung mit möglichst geringen staatlichen Mitteln erfolgt. Alternativ könnten steigende Wasserstoff-Quoten für Gashändler staatlich vorgeschrieben werden. Jeder Gashändler wäre dann verpflichtet, im Zeitverlauf steigende Mengen an grünem Wasserstoff auf den Markt zu bringen. Dies könnten die Händler über eine Beimischung zu Erdgas bewerkstelligen – oder aber über ein längerfristig sinnvolleres separates Wasserstoff-Pipelinenetz. Dieses Netz würde wahrscheinlich zu großen Teilen aus umgewidmeten, nicht mehr benötigten Erdgas-Pipelines bestehen.

Erste Elemente eines solchen Netzes sollten möglichst bald mit ausreichender Planungssicherheit von den Gasnetzbetreibern in die Wege geleitet werden können. Doch dazu ist erst einmal das entsprechende energiepolitische Regelwerk nötig. Sinnvoll erscheint zunächst der Bau eines Korridors, der von der deutschen und niederländischen Nordsee bis hin zu den industriellen Schwerpunkten der Stahl- und Chemieindustrie in Nordrhein-Westfalen reicht. Gleichzeitig sollte die Bundesregierung Wasserstoff-Pilotprojekte in ganz Deutschland über bereits bestehende und neue Förderprogramme unterstützen. Sie können Wasserstofferzeugung und -bedarf auf regionaler Ebene zusammenbringen und später in ein deutschlandweites Wasserstoffnetz eingebunden werden.

Potenzial der Wasserstoffwirtschaft

1 Million

Arbeitsplätze könnten in der EU bis 2030 in der Wasserstoffwirtschaft entstehen. In den Jahren danach könnte diese Zahl bis auf 5,4 Millionen ansteigen.

Bislang ist eine solche Wasserstoffwirtschaft nur eine Vision. Wenn aber Investoren, Industrie und Gesetzgeber grünen Wasserstoff jetzt entschlossen fördern, könnte in der EU bis 2030 eine 130-Milliarden-Euro-Industrie entstehen, die bis 2050 auf 820 Milliarden Euro wachsen würde. Dabei würden zunächst eine Million Arbeitsplätze geschaffen (2030), später sogar 5,4 Millionen, wie die „Hydrogen Roadmap Europe“ zeigt, eine Studie des „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“, dem auch die EU-Kommission angehört. Bewegen sich Politik, Investoren und Industrie hingegen nicht, wird aller Voraussicht nach Asien zum Technologie- und Marktführer für Wasserstoff werden. Jetzt ist die Zeit zu handeln.

Co-Autoren: Prof. Dr. Stefan Lechtenböhmer, Dr. Sascha Samadi

Fazit

Die deutschen Klimaschutzziele sind ambitioniert. Will die Bundesrepublik bis 2050 klimaneutral werden, führt an der radikalen Umstellung des Energiesystems kein Weg vorbei. Ein wichtiger Treiber der Dekarbonisierung ist der Einsatz von Wasserstoff. Doch noch fehlen die energiepolitischen Rahmenbedingungen, die eine „Wasserstoffwende“ und damit eine großflächige Einführung von H2 in Verkehr, Industrie und Gebäude möglich machen. Höchste Zeit, dies zu ändern.

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Von Metin Fidan

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Sieht in der Digitalisierung, in der Dezentralisierung und in der Konvergenz vor allem Chancen für die Energiewirtschaft. Wandel ist für ihn kein Problem, sondern eine Gestaltungsaufgabe.