Kraftstoffe -Wasserstoff: Motor für die Energiewende

Mit der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ schlägt die Bundesregierung ein neues Kapitel in der Energiewende auf: rund 10 Mrd. Euro will sie für Forschung, Entwicklung und konkrete Industrieförderung in den nächsten Jahren in diesen Markt pumpen. Denn Wasserstoff soll ein zentraler Bestandteil der „Dekarbonisierung“ werden. Gemeint ist die Abkehr von fossilen Brenn- und Kraftstoffen wie Benzin, Diesel oder Erdgas, um die Klimaschutzziele einhalten zu können.

Was macht Wasserstoff (kurz: H₂) so attraktiv aus Sicht der Bundesregierung?

Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer Energieträger. Er kann zum Beispiel mithilfe von Brennstoffzellen Fahrzeuge antreiben, als Basis für synthetische Kraft- und Brennstoffe genutzt werden oder einen Beitrag zur Energiewende im Wärmemarkt leisten.

Ein Kilogramm Wasserstoff enthält rund dreimal so viel Energie wie 1 kg Erdöl. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle ist mit 60 % deutlicher höher als bei einem Verbrennungsmotor (20 bis 40 %). Denn bei einem herkömmlichen Auto wird nur 20 bis 40 % der Energie, die im Kraftstoff enthalten ist, in Bewegungsenergie umgesetzt, der Rest geht als Wärme verloren.

Die Reichweite eines Wasserstoffautos liegt – wie beim Dieselfahrzeug – bei bis zu 750 km und damit deutlich höher als bei einem Elektrofahrzeug. Auch geht das Tanken mit ca. 3 Minuten deutlich schneller als das Laden einer Batterie.

Wasserstoff ist ein Energiespeicher. Denn Strom lässt sich in das Gas umwandeln. Damit könnte H₂ dazu beitragen, die Windräder vor allem in Norddeutschland stärker auszulasten, die ansonsten bei viel Wind und wenig Stromabnahme abgeschaltet werden müssen.

Wasserstoff ist ein wesentlicher Baustein der Sektorkopplung. Das bedeutet: Er verbindet den Strom-, Wärme- und Kraftstoffmarkt.

Bei zahlreichen chemischen und industriellen Prozessen ist Wasserstoff nötig. Größte Verbraucher in Deutschland sind heute die Düngemittel- und die Stahlindustrie.

Es gibt industrielle Prozesse, bei denen sich auch künftig der Ausstoß von Kohlendioxid (CO₂) nicht vermeiden lässt. Das CO₂ kann aufgefangen und mithilfe von Wasserstoff in verwertbare Chemikalien umgewandelt werden. Damit wird aus einem schädlichen Treibhausgas ein wertvoller Rohstoff.

Wasserstoff ist schon heute ein viel genutztes Element in der Industrie: Jährlich werden 70 Mio. t in reiner Form verbraucht, weitere 45 Mio. t in Gasgemischen. Die Nachfrage wächst ständig und hat sich seit 1990 verdoppelt, zeigt eine Studie des Hamburger Forschungs- und Beratungsbüros EnergyComment im Auftrag von Greenpeace Energy.

Wasserstoff ist aber keine Energiequelle wie Kohle oder Erdöl, sondern muss erst aufwendig hergestellt werden. Die Fachwelt ordnet dem Gas je nach Herkunft verschiedene Farben zu:

Grauer Wasserstoff wird mit der heute vorherrschenden Technik, der Dampfreformierung auf Basis von Erdgas, produziert. Es ist mit Abstand das günstigste Verfahren: Die Produktion von 1 kg kostet ca. 1,50 Euro. Allerdings verursacht das Verfahren rund 13 kg CO₂-Emissionen je kg H₂.

Blauer Wasserstoff ist auch aus Erdgas hergestellter, grauer Wasserstoff, bei dem die Produzenten aber das entstehende CO₂ zum größten Teil abscheiden und unterirdisch speichern. Das macht die Herstellung teurer: 1 kg „blauer“ H₂ kostet rund 2,10 Euro. Die Treibhausgasemissionen liegen im Schnitt bei 5,1 kg CO₂/kg H₂, also deutlich niedriger als beim grauen Wasserstoff. Da aber immer noch Emissionen entstehen, ist die Technik nicht klimaneutral.

Grüner Wasserstoff wird auf Basis erneuerbarer Energien hergestellt – z.B. über die Elektrolyse. Hierbei werden Wind- oder Solarstrom verwendet, um mit einem Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzutrennen. Mit regenerativ erzeugtem Strom fallen bei der Herstellung nur 0,9 kg CO₂ je kg H₂ an. Dafür ist dieser Weg mit 5 bis 6 Euro/kg etwa dreimal so teuer wie grauer Wasserstoff.

Grüner Wasserstoff wird mithilfe der Elektrolyse in Elektrolyseuren hergestellt. Der Strom fließt dabei – vereinfacht dargestellt – durch zwei Elektroden, die in Wasser getaucht sind (siehe Grafik). Die Spannung bewirkt, dass sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auftrennt. Der Wasserstoff wird mithilfe spezieller Membranen abgeführt. Auf diese Weise entsteht aus Strom (Power) ein Gas. Darum nennt man das Verfahren allgemein auch „Power to Gas“. Um 1 kg Wasserstoff zu erzeugen, sind rund 50 bis 60 kWh Strom nötig.

Das Gas lässt sich anschließend in Tanks speichern, auf Flaschen gezogen transportieren oder ins Erdgasnetz einspeisen.

Mit der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ will die Bundesregierung bis 2030 mindestens fünf Gigawatt, spätestens bis 2040 sogar zehn Gigawatt Elektrolyseleistung in Deutschland aufbauen. Das entspricht laut Deutscher Energieagentur in etwa dem 200fachen der aktuell vorhandenen Kapazitäten. Dafür sind im Konjunkturpaket der Bundesregierung bereits finanzielle Mittel im Umfang von neun Milliarden Euro hinterlegt.

Die Elektrolyse allein ist aber noch kein Garant für mehr Klimaschutz: Erfolgt die Wasserspaltung mit dem herkömmlichen Strom aus der Steckdose, wäre die Treibhausgasbelastung mit 23 kg CO₂ /kg H₂ doppelt so hoch wie bei grauem Wasserstoff. Grund ist der (noch) hohe Anteil an Kohlestrom, der im aktuellen Strommix in Deutschland vorkommt. Darum sind für die Produktion von grünem Wasserstoff große Ökostrommengen nötig – und damit auch deutlich mehr Wind- und Solarparks.

Die Bundesregierung sieht bis 2030 einen Wasserstoffbedarf von ca. 90 bis 110 Terawattstunden (TWh = 1 Mrd. kWh). Mit 5 GW Elektrolyseleistung lassen sich bis zu 14 TWh grüner Wasserstoff im Inland erzeugen. Dafür wären bis zu 20 TWh erneuerbarer Strom nötig. Das ist etwa ein Zehntel dessen, was die Erneuerbaren im Jahr 2019 produzierten (244 TWh).

Da die Akzeptanz gerade bei Windrädern an Land vielerorts heute schon erschöpft ist, setzt die Bundesregierung auf Offshore-Windstrom: „Wegen der hohen Volllaststunden ist Windenergie auf See eine attraktive Technologie für die Produktion von grünem Wasserstoff“, heißt es in dem Strategiepapier. Die Regierung will jetzt die Rahmenbedingungen für neue Offshoreparks verbessern.

Zudem soll der Energieträger nicht nur in Deutschland hergestellt werden. „Grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte wie Methanol können das saubere Öl von morgen werden. Vor allem Länder in Nordafrika sind geeignete Produktionsstandorte, da hier die Sonne nahezu unbegrenzt scheint“, erklärt Bundeswirtschaftsminister Dr. Gerd Müller. Erste Projekte sind in Marokko angedacht.

Die Produktion in der Wüste galt schon einmal als Heilsbringer: Vor über zehn Jahren sollte mit dem Projekt „Desertec“ Strom in solarthermischen Kraftwerken erzeugt und nach Europa transportiert werden. Das Milliardenprojekt ist aber an vielen Punkten gescheitert.

Jetzt bemängeln Kritiker: In der Wüste gibt es zwar viel Sonnenlicht, aber bekanntlich nicht viel Wasser für die Wasserstoffproduktion, das zudem entsalzt werden muss. Dazu kommen Probleme mit Sand, z.B. in Form von Staub und Abrieb auf dem Solarglas der Module. „Auch wenn Deutschland im Binnenmarkt der Europäischen Union und im Welthandel immer für Importe von grünem Wasserstoff offen sein sollte, wäre es ein Fehler, vermeidbare Importabhängigkeiten zu schaffen“, kritisiert u.a. die SPD-Bundestagsabgeordnete Dr. Nina Scheer.

Kritik gibt es auch am geplanten Einsatz von blauem Wasserstoff, der übergangsweise eine Rolle spielen soll. Dabei soll das freiwerdende CO₂ aufgefangen, abtransportiert und im Boden gespeichert werden. „Doch nicht nur die Umweltrisiken sind unzureichend untersucht, auch ist das Verfahren teuer und ökonomisch nicht konkurrenzfähig“, kritisiert der BUND.

Umstritten ist ebenso die Verwendung von H₂, z.B. im Verkehr. Die Bundesregierung hält die Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen in verschiedenen Bereichen immer dann für sinnvoll, wo batterieelektrische Antriebe an ihre Grenzen stoßen: Im Öffentlichen Personennahverkehr (Busse, Züge), in Teilen des Straßenschwerlastverkehrs (Lkw), bei Nutzfahrzeugen (z.B. für den Einsatz auf Baustellen oder in der Land- und Forstwirtschaft) oder in der Logistik (Lieferverkehr und andere Nutzfahrzeuge wie Gabelstapler). Auch in bestimmten Bereichen bei Pkw könne der Einsatz von Wasserstoff eine Alternative sein.

Das sind keine reinen Zukunftsaussichten, der Markt entwickelt sich bereits. Im April 2019 waren in der EU etwa 1.500 Brennstoffzellen-Pkw in Betrieb (davon allein über 500 in Deutschland) und die Beschaffung weiterer 1.400 Fahrzeuge geplant. Auch zahlreiche Busse werden bereits in größeren Stückzahlen mit Wasserstoff angetrieben, heißt es in der DVGW-Studie „Wasserstoffmobilität“ vom Januar 2020. In Deutschland, dem Vorreiter bei der H₂-Mobilität, gab es Mitte Januar 2020 der Studie nach 81 Wasserstofftankstellen, 24 Anlagen waren in Realisierung.

Auch in anderen Sektoren gibt es wöchentlich Meldungen über neue Pilotprojekte: Anfang Juli hat beispielsweise JCB den ersten Bagger mit Wasserstoffantrieb vorgestellt. Der Prototyp des 20-Tonnen-Modells 220X hatte erst kürzlich eine einjährige Testphase in einem Steinbruch erfolgreich absolviert. Der Strom für den Bagger wird durch die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle erzeugt, um die für den Antrieb der Elektromotoren erforderliche Energie zu erzeugen. Als einzige Emission bleibt Wasser.

Die Brennstoffzelle wird von 2030 an mit einem signifikanten Anteil in Pkw, Nutzfahrzeugen und mobilen Maschinen vertreten sein.

Allein 11 Mrd. Euro Umsatz für Brennstoffzellenkomponenten im Pkw sind im Jahr 2040 in Europa möglich. In der Folge werden hier rund 68.000 Arbeitsplätze entstehen. Dies sind Kernergebnisse einer neuen VDMA-Studie zum „Antrieb im Wandel – Auswirkungen der Brennstoffzellentechnologie auf den Maschinen- und Anlagenbau und die Zulieferindustrie“, erstellt von der FEV Consulting GmbH.

Ab 2030 wird laut Studie die Elektrifizierung im Pkw-Bereich durch eine steigende Anzahl von Brennstoffzellenfahrzeugen unterstützt. Japan und Südkorea positionieren sich bereits heute als Vorreiter hinsichtlich der Nutzung von Brennstoffzellenfahrzeugen als Teil einer Wasserstoffwirtschaft. Dadurch erreichen Brennstoffzellenfahrzeuge in Japan bereits im Jahr 2030 einen relevanten Marktanteil in Höhe von bis zu 6 %. Die drei großen Absatzmärkte China, USA und Europa werden mit geringem Zeitverzug folgen. Insgesamt wird der Absatz von Brennstoffzellenfahrzeugen im Zeitraum von 2030 bis 2040 von 1 Mio. auf über 10 Mio. ansteigen, was einem Marktanteil von 12 % entspricht.

Das Segment der schweren Nutzfahrzeuge wird laut VDMA eine Schlüsselrolle bei der Einführung der Brennstoffzellentechnologie spielen. Insbesondere in Europa existiert mit den strengen Emissionsgrenzwerten ein klarer Treiber für den Antrieb. Aufgrund des hohen Energiedurchsatzes wird zudem der Aufbau der Infrastruktur maßgeblich durch die Nutzfahrzeuge bestimmt. Dies betrifft die Erzeugung des Wasserstoffs genauso wie die Distribution bis zum Aufbau von Wasserstofftankstellen. Unter den nichtstraßengebundenen Anwendungen haben insbesondere Gabelstapler, Schienen- und Schiffsanwendungen einen relevanten Anteil an Brennstoffzellenantrieben.

Nach Berechnungen des Verbandes der Deutschen Biokraftstoffindustrie (VDB) würde die im Konjunkturprogramm und auch in der Wasserstoffstrategie der Bundesregierung vorgesehene deutsche Wasserstoffproduktion im Jahr 2030 ausreichen, um über 7 Millionen Brennstoffzellen-Pkw zu betanken. Allerdings wäre dies nicht genug, um den Individualverkehr mit seinen derzeit 47,7 Millionen Autos zu dekarbonisieren. „Um den dürftigen Klimaschutzbeitrag des Straßenverkehrs bis 2030 merklich zu verbessern, müssen alle alternativen Antriebe und Kraftstoffe genutzt werden. Dazu gehören neben Wasserstoff und Elektromobilität auch Biokraftstoffe“, sagte Elmar Baumann, Geschäftsführer beim VDB.

Es gibt jedoch auch erhebliche Kritik an den Plänen von H₂ als Kraftstoff: „Grüner Wasserstoff hat in Pkw und Heizungen nichts zu suchen. Denn die Mengen sind begrenzt und müssen dort zum Einsatz kommen, wo keine Alternativen bereitstehen“, fordert Dorothee Saar, Leiterin Verkehr und Luftreinhaltung der Deutschen Umwelthilfe (DUH). Außerdem würden die Abnehmer fehlen: Zwar seien allein in den Jahren 2006 bis 2016 insgesamt 700 Mio. Euro Fördergelder in das „Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie“ geflossen und weitere vielstellige Summen sind in Aussicht gestellt. „Aber keiner der deutschen Autobauer bietet auch nur ein Serienmodell mit diesem Antrieb an.“ Was die Hersteller interessiert, seien synthetischer Kraftstoff aus Wasserstoff (E-Fuels genannt) als lebensverlängernde Maßnahme des Verbrennungsmotors. Politik und Industrie müssten sich anstelle von E-Fuels und Wasserstoff auf batterieelektrische Antriebe konzentrieren. Bis 2025 müsse sich Deutschland vom Verbrennungsmotor verabschieden.

Festhalten lässt sich auf jeden Fall: Der Wasserstoffmarkt entwickelt sich, nicht nur im Kraftstoffmarkt auf Abnehmerseite, sondern auch bei den Produzenten von grünem Strom: Im Jahr 2019 haben Netzbetreiber knapp 2,8 % der erzeugten erneuerbaren Energien abgeregelt, also die Anlagen abgeschaltet, um die Stromnetze vor Überlastung zu schützen. Die Betreiber erhalten dafür zwar eine Entschädigung. Diese ist aber geringer als die Einspeisevergütung und die Beantragung bürokratisch. Auch könnte die Wasserstoffproduktion eine Chance für Windparks und Biogasanlagen sein, die nach 20 Jahren keine Vergütung mehr für den Strom erhalten. Auch aus diesem Grund nimmt das Interesse an der Wasserstoffproduktion auch auf Seiten der Ökostromproduzenten zu.

Bis zum Jahr 2030 soll Wasserstoff in der Europäischen Union zu einem wesent- lichen Bestandteil des integrierten Energiesystems werden. Dazu sollen in der EU für die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff Elektrolyseure mit einer Leistung von mindestens 6 Gigawatt (GW) bis zum Jahr 2024 entstehen, bis zum Jahr 2030 sogar 40 Gigawatt. Sie sollen dann bis zu 10 Mio. t erneuerbaren Wasserstoff erzeugen. Das sieht die europäische Wasserstoffstrategie vor, die die EU-Kommission am 8. Juli 2020 vorgestellt hat.

Vorrangiges Ziel der EU ist die Entwicklung von erneuerbarem Wasserstoff, der hauptsächlich mithilfe von Wind- und Sonnenenergie erzeugt wird. Kurz- und mittelfristig seien jedoch andere Formen CO₂-armen Wasserstoffs erforderlich, um die Emissionen rasch zu senken und die Entwicklung eines tragfähigen Marktes zu unterstützen, so die Kommision.

Die EU will mit der Strategie einen Milliardenmarkt erschließen. Bis 2030 könnten nach Einschätzung der Kommission 140.000 Arbeitsplätze entstehen bei einem Marktvolumen von bis zu 140 Milliarden Euro.

Um die Umsetzung dieser Strategie zu unterstützen, hat die Kommission die „Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff“ ins Leben gerufen, an der führende Vertreter der Industrie, die Zivilgesellschaft, Minister der nationalen und regionalen Ebene und die Europäische Investitionsbank beteiligt sind. Die Allianz wird eine Investitionspipeline für den Ausbau der Erzeugung aufbauen und die Nachfrage nach sauberem Wasserstoff in der EU fördern.