Kapitel 1
Der Brennstoff von Morgen
H2 wird bislang kaum als Energieträger verwendet. Was Politik, Industrie und Verbraucher tun können, damit sich das ändert.
Die Menschheit setzte in der Vergangenheit auf fossile und nukleare Energieträger – und heizt auch anderthalb Jahrhunderte nach Jules Verne noch immer nicht mit Wasserstoff. Einer Energiequelle, die schier unerschöpflich scheint und im besten Fall keinerlei Rückstände hinterlässt außer Wasser. Doch wir fahren noch immer keine Autos mit Brennstoffzellen und auch unsere Fabriken befeuern wir noch immer größtenteils mit Kohle, Gas und Erdöl.
Wie kann das sein – und wann wird es sich ändern?
Es wird sich ändern müssen. Und zwar bald. 2015 haben sich die EU-Mitglieder in Paris darauf verständigt, alles dafür zu tun, die Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken. Dies wird nur mit einer drastischen Umstellung unseres Energiesystems möglich sein. Wie der Weltklimarat vorrechnet, müssten dazu die CO2-Ausstöße im Vergleich zum Referenzjahr 2010 bereits 2030 um 45 Prozent sinken, um dann bis 2050 quasi auf null zu schrumpfen.
Wasserstoff bietet Vorteile: Wir können ihn nicht nur CO2-neutral aus Wind und Sonne herstellen, sondern auch effizient und sicher speichern.
Die Umstellung des Energiesystems ist also keine Option mehr, sondern ein Muss. Wasserstoff bietet dafür Vorteile: Wir können ihn nicht nur CO2-neutral aus Wind und Sonne herstellen, sondern auch effizient und sicher speichern. Warum aber findet dieser ewige Zukunfts-Energieträger kaum Beachtung in der öffentlichen Debatte? Wo sind die politischen Zielsetzungen für eine übergreifende Wasserstoff-Infrastruktur, wo die privaten Investitionen?
Zurück in die Zukunft
Einen wahren Hype ums Hydrogen hat es schon mehrere Male gegeben. Vor dem Krieg, als die großen Luftschiffe mit Wasserstoff flogen; in den 1970er-Jahren, als NASA-Raketen mit Brennstoffzellen ins All abhoben; und schließlich ein weiteres Mal zur Jahrtausendwende, als im Fieber der „New Economy“ fast jede Technologie bejubelt wurde. Der von den Marktforschern der Firma Gartner beschriebene „Hype-Zyklus“ neuer Entwicklungen zeigt: Wir neigen dazu, die kurzfristige Wirkung einer Technologie zu überschätzen und die langfristige Wirkung zu unterschätzen.
Das aber ist eine gute Nachricht. Denn Wasserstoff hat den „Gipfel der überzogenen Erwartungen“ schon mehrfach hinter sich gebracht: Nachdem das „Tal der Enttäuschung“ drei Mal durchschritten wurde, ist der Umgang mit der Technologie heute realistischer geworden. Versorger, Politik und Industrie wissen: Wasserstoff kann der Energieträger der Zukunft werden. Gut möglich, dass H2 heute an dem Punkt steht, an dem vor mehr als zehn Jahren die Solarenergie stand: Noch ist er schlichtweg zu teuer. Aber er kann schnell kostengünstiger werden. Und diesmal sind die Potenziale weitaus größer. Die Technologie ist ausgereift und sucht noch nach großformatigen Anwendungen, um über Skaleneffekte rentabel zu werden.
Ähnlicher Artikel
Kapitel 2
Drei Gründe für ein Energiesystem, das auf Wasserstoff baut
Nur H2 bietet die technischen Möglichkeiten, Energie sauber zu transferieren – über Zeit, Raum und Sektorgrenzen hinweg.
Wasserstoff wird eine entscheidende Rolle beim Übergang zu erneuerbaren Energiequellen spielen, denn mit H2 kann Energie sauber transferiert werden.
Zeit: Strom speichern und zu anderen Zeiten nutzen
Zeit ist ein wichtiger Faktor, wenn es darum geht, temporäre Überschusskapazitäten aus Wind- und Sonnenenergie zu speichern. Denn je höher der Anteil der Erneuerbaren Energien, desto höher die Schwankungen im Stromangebot.
Aufgrund der Einspeisevergütungen gibt es momentan kaum Anreize, Energie aus diesen Leistungsspitzen zu speichern. Das wird sich mit dem weiteren Ausbau erneuerbarer Energieerzeugung ändern. Schon 2020 wird die Windkraftregion Schleswig-Holstein Prognosen zufolge bis zu ein Fünftel ihres Windstroms nicht mehr verwenden können – Tendenz steigend. Dabei wird dieser Strom zu anderen Zeiten und an anderen Orten dringend gebraucht.
Wasserstoff hingegen kann im bestehenden Gasnetz gespeichert werden, in Salzkavernen oder erschöpften Gasfeldern. Mittels „Power to Gas“-Technologie (PtG) wird Strom für die Elektrolyse von Wasser eingesetzt. So entsteht bei Verwendung von Strom aus Wind und Sonne „grüner Wasserstoff“. Er kann direkt gespeichert oder chemisch genutzt werden; denkbar ist auch eine Weiterverarbeitung zusammen mit Kohlendioxid zu Methan, etwa zur Wärmegewinnung oder zu flüssigen, synthetischen Kraftstoffen für Autos, Züge oder Flugzeuge. Verflüssigt, kann H2 in Tankern gelagert und verschifft werden, wie es bereits von Australien nach Japan geschieht.
Raum: Wie kann Energie transportiert werden?
Raum ist ein ebenso wichtiger Faktor, wie das Tanker-Beispiel zeigt. In Deutschland erfordert der starke Zuwachs von Windenergie aus dem Norden den Neubau riesiger Stromtrassen nach Süden – dieser Ausbau stößt jedoch auf große Widerstände.
Globaler gedacht, stellt sich die Frage, wie wir geothermale Energie aus dem hohen Norden oder Solarstrom aus Nordafrika in die EU transportieren können. Ein dezentrales, digitalisiertes Energiesystem lebt zudem von Einspeisungen aus Photovoltaik, regional verfügbarer Wasserkraft oder kleinen Blockheizkraftwerken. Anders als Elektrizität kann Wasserstoff nicht nur per Schiff und Lkw transportiert werden, sondern auch kostengünstig durch Pipelines oder das bestehende Gasnetz. Wird also an der deutschen Nordseeküste Windgas (als Wasserstoff oder umgewandelt zu Methan) ins Gasnetz eingespeist und gleichzeitig im Süden Deutschlands in Gaskraftwerken flexibel und variabel Strom erzeugt, findet ein virtueller Stromtransport über das Gasnetz statt.
Sektorkopplung: Entscheidender Baustein der Energiewende
Nachhaltige Lösungen für das Energiesystem von morgen verstehen Strom, Wärme und Mobilität als Ganzes. Elektrolyse – die elektrische Spaltung von Wasser in seine Bestandteile – kann erneuerbare Energien in Gase verwandeln. Die sind so flexibel in der Nutzung wie traditionelle Kraftstoffe, produzieren aber keinen CO2-Ausstoß. Insbesondere Windwasserstoff ermöglicht es, erneuerbare Energie in die Sektoren Wärme und Mobilität zu übertragen. Heißt: Man tankt und heizt mit grünem Windstrom.
Insbesondere Windwasserstoff ermöglicht es, erneuerbare Energie in die Sektoren Wärme und Mobilität zu übertragen.
In Norddeutschland planen verschiedene Zusammenschlüsse aus Netz- und Gasleitungsbetreibern derzeit Power-to-Gas-Anlagen der 100-Megawatt-Klasse, die bereits eine Kleinstadt mit Strom versorgen könnten. Im Gebäudesektor demonstriert Japan zurzeit, wie gut stationäre Brennstoffzellen geeignet sind, Strom und Wärme gleichzeitig zu erzeugen. Und auch im Verkehrssektor existieren bereits marktreife Züge, Busse, Lkw und Pkw, noch fehlt allerdings ein flächendeckendes Tankstellennetz.
Kapitel 3
Drei Sektoren, in denen Wasserstoff Kohle und Öl ersetzen kann
Verkehr, Wärme, Industrie- wo Wasserstoff den Weg ins postfossile Zeitalter ebnet.
Treibstoff für die Verkehrswende
Mobilität steht immer öfter im Zentrum der Debatte. Beim Thema Klimaschutz denken viele an Diesel- versus Elektromotoren. Dabei böte Wasserstoff auch hier eine nachhaltige Perspektive. Tatsächlich wären Kleinwagen mit Brennstoffzelle den Batteriefahrzeugen überlegen, was CO2-Abdruck, Reichweite und vor allem Ladegeschwindigkeit angeht – an Tankstellen, die zehn Mal weniger Platz benötigen als Schnellladestationen für E-Mobile.
Zudem hat eine ganze Anzahl von Herstellern bereits gut funktionierende Wasserstoff-Pkw gebaut. Ihre Brennstoffzellen fügen Wasserstoff und Sauerstoff zusammen, so dass Strom entsteht. Trotzdem wird der große Durchbruch wohl noch länger auf sich warten lassen. Die Umrüstung von Flotte und Infrastruktur auf batteriegetriebene Stromer ist schon zu weit vorangeschritten, um plötzlich der Brennstoffzelle Platz zu machen. Für die Mobilität mit Wasserstoff ist der Zug jedoch keineswegs abgefahren: Denn je größer das Transportmittel, desto sinnvoller der Einsatz von H2.
Für die Hersteller kann H2 schnell ein gewinnbringendes Geschäftsfeld werden, sobald die Technik auch nur halbwegs auf dem Markt Fuß gefasst hat. Noch sind Wasserstoffantriebe zu teuer, doch verschiedene Studien sowie die Erfahrungen mit stationären Anwendungen zeigen, dass schon bei einer jährlichen Produktionsmenge von 100.000 Einheiten weltweit eine Kostensenkung um 85 Prozent erreichbar wäre. Reine Skaleneffekte gewährleisten also auch ohne staatliche Zuschüsse eine preisliche Wettbewerbsfähigkeit. Im Pkw-Bereich wäre das eine Verzehnfachung des gegenwärtigen Produktionsvolumens.
Zukunft der Mobilität
800.000Brennstoffzellen-Autos will Japan bis 2030 auf die Straße bringen.
Ein solcher Anstieg ist jetzt schon absehbar: Bis 2030 will allein Japan mit Hilfe einer Industrie-Initiative 800.000 Brennstoffzellen-Autos auf die Straße bringen, in Südkorea strebt ein Bündnis von Politik und Herstellern eine Stückzahl von 630.000 an. Und auch in China deutet vieles darauf hin, dass die wasserstoffgetriebene Mobilität von der Regierung zur Chefsache erklärt wird.
In der EU macht der Transportsektor rund ein Drittel der CO2-Emissionen aus. Schon allein deswegen wird die Umstellung der Mobilität auf Wasserstoff mitentscheidend für das Gelingen der Energiewende sein.
Entlastung für das Stromnetz
Wärme wird heute noch hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Mehr als 40 Prozent der EU-Haushalte heizen mit Gas. Es ist nicht einfach, die Wärmegewinnung durch grünen Strom zu elektrifizieren, zumal der Energiebedarf für Wärme saisonal um bis zu 600 Prozent schwankt. Über den Umweg elektrolytisch hergestellten Wasserstoffs können die Sektoren Strom und Wärme jedoch gekoppelt werden.
Das Charmante daran: Es wäre kundenfreundlich. Endabnehmer könnten ihre bestehenden Heizanlagen weiter verwenden, wenn Versorger H2 oder synthetisches Methan durchs Gasnetz schicken. Zurzeit können die bestehenden Leitungen nur Wasserstoffanteile von höchstens zehn Prozent aufnehmen; eine Verbesserung der Rohre ist jedoch möglich und kann über die Jahre unsichtbar für den Endkunden stattfinden.
Ein Wasserstoffkraftwerk kann aber auch im eigenen Keller stehen: In Japan entlasten bereits heute Hunderttausende dezentraler Brennstoffzellen in privaten und geschäftlichen Gebäuden das Stromnetz und produzieren gleichzeitig Wärme. Skaleneffekte zeigen, dass die Kosten einer 700-Watt-Anlage für den Hausgebrauch rasch sinken können.
Lösung für den Klimaschutz
Stahlwerke und Serverfarmen, Raffinerien und Düngemittelproduzenten – jede Industrie braucht Energie und verursacht dadurch CO2-Emissionen. Geht es um Klimaziele, wird dennoch meist über Autos und wenig über Fabriken gesprochen. Dabei könnte sauberer Wasserstoff gerade in der Industrie viel fürs Klima erreichen.
Die gute Nachricht ist: Die Industrie nutzt heute schon Wasserstoff. Fabriken verbrennen H2, um große Hitze zu erzeugen und setzen Wasserstoff auch als Rohstoff ein, teilweise sogar zusammen mit CO2 – so entstehen synthetische Kraftstoffe, die Kohlendioxid binden und die Umwelt entlasten.
Die schlechte Nachricht ist jedoch (noch): Der eingesetzte Wasserstoff stammt nicht aus Wind- und Sonnenenergie, sondern ist mit Kohle erzeugter „brauner“, oder als Nebenprodukt entstandener „weißer“ Wasserstoff. Der „grüne“ Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist heute noch schlicht zu teuer.
Pilotprojekte gibt es bereits: Im niedersächsischen Lingen hat BP 30 Tage lang grünen Wasserstoff in seiner Raffinerie getestet. Mineralölraffinerien brauchen große Mengen Wasserstoff, um Benzin und Diesel zu entschwefeln. Gerade die chemische Industrie bietet große Potenziale, mit grünem Wasserstoff Kohlendioxid einzusparen: Ganz gleich, ob Waschpulver, PVC, Schwefelsäure, Kosmetik, Düngemittel oder Medikamente – keine chemische Reaktion läuft ohne Energie ab. Allerdings wird der bislang von Windkraftanlagen produzierte, überschüssige Strom nicht annähernd reichen, um Strom für die Elektrolyse im industriellen Maßstab herzustellen. Um ganze Industrien auf grünen Wasserstoff umzustellen, werden daher signifikante Einstiegsinvestitionen für Elektrolyseanlagen und ein großflächiger Ausbau erneuerbarer Energien notwendig sein.
Kapitel 4
Wie Wasserstoff wirklich wirken kann
Europa könnte im Jahr 2050 ein Viertel seines Energiebedarfs mit Wasserstoff decken. Was dafür notwendig ist.
In den Sektoren Verkehr, Wärme und Industrie bietet grüner Wasserstoff ebenso große Potenziale wie für das Gesamtenergiesystem, in dem „Power to Gas“ dringend benötigte Speicherkapazitäten für grünen Strom schaffen könnte. So könnte Europa über die Sektoren hinweg im Jahr 2050 etwa ein Viertel seines kompletten Energiebedarfs mit Wasserstoff decken, 2.250 Terrawattstunden (TWh). Das wären rund 42 Millionen Autos, knapp 2 Millionen Lkws, eine Viertelmillion Busse und mehr als 5.000 Züge; zudem würden 52 Millionen Haushalte mit Wasserstoff geheizt; 300 TWh könnten in der Industrie Wärme erzeugen und in der Stahlindustrie Kohle ersetzen; weitere 120 TWh Wasserstoff könnten in der chemischen Industrie mit Hilfe von CCS-Technologien (carbon capture and storage) als Rohstoff für 40 Megatonnen Chemikalien dienen.
Die Projektionen stammen aus der „Hydrogen Roadmap Europe“, einer Studie des Public-Private-Partnerships „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“, dem auch die EU-Kommission angehört. Sie gehen von einem optimistischen Szenario aus, in dem grüner Wasserstoff von einem konzertierten Bündnis aus Investoren, Industrie und Gesetzgeber massiv gefördert wird.
Klimaschutz
560Megatonnen CO2 könnte die EU durch den Einsatz von grünem Wasserstoff bis 2050 einsparen.
Das würde dazu führen, dass die EU bis 2050 rund 560 Megatonnen CO2 einsparen kann, ein Fünftel der insgesamt erforderlichen Reduktion, um das minimale Klimaziel von maximal 2 Grad Celsius Erderwärmung zu erreichen. Darüber hinaus könnte dadurch in der EU bis 2030 eine 130-Milliarden-Euro-Industrie entstehen, die bis 2050 auf 820 Milliarden Euro wachsen und zunächst eine Million Arbeitsplätze (2030), später sogar 5,4 Millionen schaffen würde. Die Anfangsinvestitionen wären überschaubar. Um die Industrie bis 2030 auf den nötigen Stand zu bringen, wären der Studie zufolge EU-weit jährliche Investitionen von acht Milliarden Euro notwendig. Schon allein die deutschen Eispeisevergütungen für erneuerbare Energien liegen drei Mal so hoch, das Szenario ist also durchaus realistisch. Trotz einiger vielversprechender Initiativen sind die Voraussetzungen dafür heute aber noch nicht gegeben.
Wer fängt an? Das Henne-Ei-Problem
Die Technologie ist da, es gibt ausreichend Patente und Pilotprojekte. Dennoch spricht bislang noch in allen Sektoren die fehlende Wirtschaftlichkeit gegen einen großflächigen Ausbau. Im Bereich der PtG-Anlagen könnte die Technologie bis 2030 im deutschen Markt wettbewerbsfähig sein. Grüner Wasserstoff wird preislich akzeptabel, sobald innerhalb einer bestimmten Region rund 90 Prozent der gesamten Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. In den norddeutschen Windenergieregionen dürfte diese Quote als erstes erreicht werden.
Noch mangelt es in allen Bereichen an Masse, von der Mobilität bis zur Industrie. Sobald Skaleneffekte eintreten, wird die Wasserstofftechnologie wirtschaftlich. Zurzeit aber leidet der Ausbau noch an der typischen Henne-Ei-Problematik. Ähnlich wie bei den batterieelektrischen Fahrzeugen: Es fehlt an Ladesäulen, weil nicht genug Nachfrage da ist – allerdings ist auch nicht genug Nachfrage da, weil man nicht recht weiß, wo man sein E-Auto dann aufladen soll. Auch beim Wasserstoff mangelt es aufgrund fehlender Endnutzer an Anreizen für den Ausbau einer flächendeckenden Infrastruktur, die wiederum Voraussetzung für das Entstehen substanzieller neuer Nachfrage durch Endnutzer ist.
Kapitel 5
Das Wasserstoff-Zeitalter gemeinsam ausrufen
Damit H2 bis zum Jahr 2050 einen Beitrag zum Klimaschutz leisten kann, sind weitreichende Schritte notwendig – schon heute.
Investoren, Industrie und Politik sollten eine gemeinsame, verbindliche Wasserstoffstrategie entwerfen. Dies würde Zukunftstechnologien in der EU stützen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen mittelfristig drastisch reduzieren. Öffentlich-private Initiativen weisen bereits den Weg. Europaweit ist es das „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“, in Deutschland die „Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ (Now), eine GmbH, in der Bundesministerien, Wissenschaft, Industrie, Anwendungsbauer und Infrastrukturanbieter vereint sind.
Die wachsende Anzahl von Zusammenschlüssen gibt Hoffnung, dass Wasserstoff kein Nischenmarkt bleiben muss.
Einigen sich die Akteure in Politik und Markt hingegen nicht auf einen gemeinsamen Weg, bleibt Wasserstoff auch für den Endnutzer zu teuer und uninteressant. Es käme dann vermutlich zu einem „Business as usual“-Szenario, in dem 2050 nur rund ein Drittel der möglichen Terrawattstunden durch Wasserstoff produziert würde. Die Klimaziele der EU rückten damit in immer weitere Ferne. Gerade im Bereich der Mobilität ist das durchaus denkbar – bislang bringt es H2Mobility, eine Initiative mehrerer Autohersteller und Tankstellen-Konzerne, in ganz Deutschland auf gerade einmal 64 Wasserstofftankstellen, 100 sollen es 2019 noch werden, bis 2023 sollen weitere 300 folgen. Für den großen Durchbruch wäre das nicht genug – und doch gibt die wachsende Anzahl von Zusammenschlüssen Hoffnung, dass Wasserstoff kein Nischenmarkt bleiben muss.
Länder wie Japan und Südkorea zeigen bereits, wie eine konzertierte Wasserstoffstrategie den Weg bereiten kann. So verfolgt Japan das Ziel, den Verkehr bis 2040 CO2-frei zu gestalten, bei gleichzeitigem Atomausstieg. Dazu sollen 800.000 Brennstoffzellen-Pkw beitragen, ebenso wie ein Wasserstoffbeitrag von neun Prozent zum Strommix. In Südkorea arbeiten Staat und Industrie gemeinsam daran, 500 Wasserstofftankstellen und 630.000 Brennstoffzellen-Pkw bis 2030 auf die Straße zu bringen. China wirkt dem Smog in seinen Städten unter anderem damit entgegen, 3.000 H2-Tankstellen bis 2030 zu errichten. Großbritannien wiederum stellt seit 2002 sein Gasnetz um und hat zwei Regionen identifiziert, die sich besonders für eine Umstellung auf Wasserstoff-Infrastruktur eignen. Ähnliches wäre in Deutschlands Norden möglich, wo sich bereits mehrere Chemiestandorte unter dem Namen Chemcoast e.V. zusammengeschlossen haben, um den Ausbau von Windwasserstoff voranzutreiben.
Die Vision von Wasserstoff als sauberen Brennstoff der Zukunft wird bald 200 Jahre alt. Heute ist eine von H2 getriebene (Energie-) Welt keine Utopie mehr – allerdings nur, wenn sich alle Beteiligten dazu entscheiden, das Wasserstoff-Zeitalter endlich einzuläuten.Dann würde sich schon in wenigen Jahren Jules Vernes prophetischer Satz aus dem Jahr 1874 bewahrheiten:
„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“
Fazit
Die EU will den Ausstoß von Treibhausgasen bis 2050 um bis zu 95 Prozent senken – und so künftige Extremwetterlagen, steigende Meeresspiegel und weiteres Artensterben verhindern. Nach dem heutigen Stand der Technik ist das nur mit einem Brennstoff möglich: Wasserstoff, kurz H2.
Auch in einigen Sektoren ist Wasserstoff die einzige technische Lösung, vollständig auf fossile Brennstoffe zu verzichten – etwa in der Industrie und beim Verkehr.
