Wasserstoffwirtschaft grün und global

Abb.: Andriy Onufriyenko

Es muss deshalb zum einen ein „Heimatmarkt“ für Wasserstofftechnologien in Deutschland entwickelt werden mit dem Ziel, eine starke und nachhaltige inländische Wasserstoffproduktion und -anwendung zu installieren. Zum anderen muss aber auch Importen der Weg bereitet werden, denn Deutschland wird den Bedarf von ca. 90 bis 110 TWh bis 2030 nicht annähernd aus national erzeugtem Wasserstoff decken können.

Generell soll Wasserstoff als alternativer, nachhaltiger Energieträger und als Grundstoff für die Industrie platziert werden. Dazu gehört auch ­die Weiterentwicklung der Transport- und Verteil­infrastruktur. Insgesamt sollen die Rahmenbedingungen zügig verbessert und eine entsprechende „Wasserstoffwirtschaft“ durch die Förderung von Entwicklungen und die Beschleunigung von Genehmigungsverfahren nachhaltig unterstützt werden.

Generelle Anwendungsmöglichkeiten

Dem Einsatz von Wasserstoff wird eine zentrale Rolle bei der Energiewende zugeschrieben, denn er ist ein Multitalent: Die Sektorkopplung ist eines der Schlüsselkonzepte der Energiewende. Darunter wird im Wesentlichen die Vernetzung der drei Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung und Mobilität verstanden. Durch diese Kopplung wird in Zukunft der Austausch zwischen den heute noch weitgehend getrennt agierenden Sektoren ermöglicht. Wasserstoff kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu. So kann beispielsweise der bei der Stromproduktion durch Wind und Sonne anfallende Überschuss-Strom in Wasserstoff umgewandelt und somit als Energiespeicher verwendet werden. Der so erzeugte Wasserstoff kann in Brennstoffzellenfahrzeugen ebenso wie in kleinen oder großen KWK-Anlagen als Kraftstoff dienen. Über die bestehende Gasinfrastruktur kann der Wasserstoff als Beimischung oder, mittels CO₂ in Methan umgewandelt, als „synthetisches Erdgas“ verteilt werden. In einer weite­ren Stufe kann er mit CO₂ zu synthetischen Flüssig-Kraftstoffen (E-Fuels) oder in der chemischen Industrie als Grundstoff weiterverarbeitet werden.

In der Industrie kann der Wasserstoff darüber ­hinaus zur Dekarbonisierung eingesetzt werden, beispielsweise für eine treibhausgasneutrale Erzeugung von Primärstahl als Ersatz für Steinkohlekoks. Abgefangene industrielle CO₂-Emissio­nen – zum Beispiel aus der Zementproduktion oder von fossilen Kraftwerken – können mit Wasserstoff in verwertbare Chemikalien umgewandelt (CCU) und neue Wertschöpfungsketten für die Grundstoffindustrie erschlossen werden.

Abb.1: Karte mit globalen Solar­potenzialen von Solargis
Abb: www.globalsolaratlas.info

Einsatzmöglichkeiten im Bau und Gebäudesektor

Erdgas spielt heute eine Schlüsselrolle in der deutschen Energieversorgung. Vor allem aber wird der fossile Brennstoff in Deutschland für die Bereitstellung von Wärme und Warmwasser verwendet. Wenn die heutigen Heizsysteme konsequent auf erneuerbare Energien umgestellt würden, könnten im Gebäudesektor bis 2030 vielleicht die Klimaziele erreicht werden. Für Neubauten ist derzeit die Wärmepumpe das System der Wahl. Diese konkurriert aber in vielen Sektoren mit der Bereitstellung von grünem Strom. Eine Alternative könnte der Einsatz von Wasserstoff sein, der aber im Gebäudebereich in den meisten Veröffentlichungen eher gering eingeschätzt wird. Dabei ist der Grund häufig die Aussage, dass der verfügbare Wasserstoff für andere Anwendungen wichtiger wäre. De Facto gibt es jedoch eine Reihe von Ideen und Versuchen zur Wasserstoffanwendung.

Einspeisung ins Gasnetz

Schon heute kann Wasserstoff in gewissen Mengen dem bestehenden Gasnetz beigefügt werden. Der Grenzwert liegt derzeit bei bis zu 10 %. Künftig sind allerdings auch höhere Anteile vorstellbar. Der zusätzliche Wasserstoff kann dann wie Erdgas verbrannt werden, wobei bei der Verbrennung lediglich Wassersdampf entsteht. Zudem lässt sich mithilfe von Brennstoffzellen Wärme und Strom aus Wasserstoff gewinnen.

Wasserstoff (H2)-Kessel

Gaskessel sind in Bestandsgebäuden die am weitesten verbreiteten Wärmerzeuger. Die Investi­tionen sind vergleichsweise gering und Handhabung und Wartung sind etabliert. Aber der Russlandkonflikt macht Gas knapp und teuer. Zudem verstärkt der Klimawandel die Suche nach saubereren Alternativen. Wie eben Wasserstoff! Einige aus der Branche sind der Ansicht, dass die bestehenden Leitungen und Gasthermen mit überschaubarem Aufwand für den Wasserstofftransport umgerüstet werden können. Die Mehrkosten für eine Wasserstoffheizung werden auf 10 bis 15 % im Vergleich zu einer Gasheizung geschätzt. Die niederländische Firma BDR Thermea hat in den Niederlanden ein Pilotprojekt gestartet: Es versorgt künftig in der Stadt Lochem zwölf denkmalgeschützte Einfamilienhäuser über ein bestehendes Erdgasnetz mit Wasserstoff.

Brennstoffzellen BHKW

Der Einsatz von Brennstoffzellen in der Gebäudeenergieversorgung zeichnet sich durch die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme aus. Zusammen mit Wärme- oder Stromspeichern können Brennstoffzellen als Bestandteil der Sektorkopplung gesehen werden.

Bei heute gebräuchlichen Systemen wird der erforderliche Wasserstoff in einem „Reformer“ aus Erdgas erzeugt, wobei leider auch Kohlenmonoxyd (CO) entsteht. Der Wasserstoff wird nun in die Brennstoffzelle weitergeleitet, wobei er mit dem darin enthaltenen Sauerstoff aus der Luft reagiert, dabei wird Energie in Form von Wärme freigesetzt.

Neben der Wärme wird hierbei aber auch Gleichstrom erzeugt, der anschließend über einen „Inverter“ in Wechselstrom umgewandelt wird, sodass er im Haushalt genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die Kosten für die Investition und Wartung sind relativ hoch, sodass sich das System eher für große Verbraucher eignet. Wirklich nachhaltig wird es ohnehin erst, wenn direkt bezahlbarer Wasserstoff anstatt Erdgas verwendet wird.

Abb. 2: Sonnenwärmekraftwerk Noor in Ouarzazate in Marokko
Abb: Wikipedia_F47

Heizöl-Brennwertkessel mit E-Fuels

Eine moderne Öl-Brennwertheizung ist kosteneffizient in der Anschaffung und wandelt den Energieträger Heizöl zu fast 100 Prozent in nutzbare Wärme um. Die Anlagen sind technisch ausgereift, zuverlässig und sie könnten faktisch anstatt mit Heizöl ohne große Anpassungen mit aus Wasserstoff und CO₂ hergestellten E-Fuels klimaneutral betrieben werden. Das würde eine kostengünstige Altbausanierung ermöglichen – wenn genug günstiger grüner Wasserstoff zur Verfügung stünde.

Bereitstellung von kostengünstigem Wasserstoff

Noch sind die aufgezeigten Lösungen zur Nutzung von Wasserstoff im Bau und Gebäudesektor eher Theorie. Denn aktuell gibt es nicht genügend Nachfrage nach Wasserstofflösungen zum Heizen. Weder bei Energieversorgern noch in der Politik steht das Thema oben auf der Agenda. Und das hat einen einfachen Grund: Es wird in naher Zukunft in Deutschland zu wenig Wasserstoff geben, als dass dieser in Gebäuden für Heizzwecke verwendet werden kann.

Generell ist festzuhalten, dass die Voraussetzung für einen breiten Einsatz von grünem Wasserstoff seine wettbewerbsfähige Erzeugung ist. Dies erfordert den Bau von großen Erzeugungsanlagen (GW-Dimension), um Skalierungseffekte bei den Anlagenkomponenten zu ermöglichen und somit die Fixkosten zur Herstellung des Energieträgers zu reduzieren.

Weiterhin ist der Zugang zu günstigem, erneuerbarem Strom in großen Mengen unabdingbar. Großprojekte zur Erzeugung des Energieträgers entstehen daher insbesondere dort, wo es Zugang zu günstigem, erneuerbarem Strom gibt – sprich zu Offshore-Wind- bzw. PV-Strom. In Deutschland und Europa befinden sich derzeit eine Reihe von Großprojekten in der Projektierung. Beispielsweise plant das spanische Unternehmen Cepsa Elektro­lyseure-Anlagen mit einer Gesamtkapazität von 2 GW bis 2028 in Betrieb zu nehmen. Die Produktion soll 2026 beginnen. Bis 2028 sollen an zwei verschiedenen Standorten bis zu 300 000 t grüner Wasserstoff produziert werden.

Ein weiterer Treiber für die Reduktion der Wasserstoffherstellkosten ist eine Skalierung der Anlagen zur Fertigung von Schlüsselkomponenten einer Wasserstoffwirtschaft, wie Elektrolyseure und Brennstoffzellen. Das Dresdner Unternehmen Sunfire plant beispielsweise im Rahmen der „Important Projects of Common European Interrest“ (IPCEI) die Industrialisierung der Fertigung ihrer Elektrolyse-Technologien.

Abb. 3: Gebiete weltweit mit besonders großem Windanfall
Abb. Cristina Archer/Mark Jacobson, Stanford University 20051

Die Lösung des Mengenproblems liegt in einem globalen Ansatz

Der Aufbau einer wirtschaftlichen Wasserstoffproduktion in großem Stil ist in sonnen- und windreichen Weltregionen möglich. Von Europa aus sind etwa Südeuropa, Nordafrika oder die arabische Halbinsel interessant, wo Solarstrom in

Gigawatt-Dimensionen sehr günstig produziert und auf eine Wasserstoffproduktion – und bei Bedarf auch die Produktion von E-Fuels – ausgerichtet werden kann. Bei aktuell in Planung oder im Bau befindlichen 1 GW-Solaranlagen werden dort derzeit Netto-Stromkosten von 2 bis 3 Cent pro Kilowattstunde kalkuliert. Mit einem solchen Strompreis könnte grüner Wasserstoff für einen Kilopreis um die 1,50 € erzeugt werden. Um für die Elektrolyse kein Trinkwasser zu verbrauchen, ist der Einsatz von Meerwasser zu bevorzugen.

Globale Hotspots für Sonnenenergie

Auf der Suche nach geeigneten Standorten für die Erzeugung von grünem Strom aus Sonnen-energie ist die internationale Plattform der Firma Solargis aus der Slowakei spannend. Die Datenbank hilft, den Bau, die Bewertung und das Management von Solaranlagen weltweit zu optimieren. ESMAP ist ein gemeinsames Programm der Weltbank und von 19 Partnern. Ziel ist es, bis 2030 einen universellen Zugang zur Unterstützung der Dekarbonisierung im Energiesektor zu erreichen.

Der Global Solar Atlas kann für jeden Ort auf der Welt Solar-Potenziale für unterschiedliche Arten der Solarinstallation darstellen (Abb. 1). Als Ergebnis erhält man den Ertrag pro installierten MW in GWh. Dabei ergeben sich erhebliche Unterschiede. So erzielt man beispielsweise in Hagl (Saudi-Arabien) am Roten Meer mit dem nahezu gleichen Aufwand an Technik fast den vierfachen Ertrag im Vergleich zu Templin in Brandenburg.

Große Anlagenmodule liegen momentan in der Größenordnung von 150 bis 200 MW, werden aber zu noch größeren Anlagen zusammengefasst, wie z. B. in der Anlage Noor in Quarzazate/Marokko. Das Großprojekt hat eine Leistung von 580 MW (0,58 GW) auf einer Fläche von 18,3 m² (Abb. 2). Zudem verfügt Noor über Salzspeicher mit einer Kapazität von bis zu 7 Stunden. Liegen diese Anlagen in erreichbarer Nähe von Flüssen, Seen oder dem Meer, dann sind auch die Voraussetzungen für die Produktion von Methanol und E-Fuels gegeben.

Globale Hotspots für Windenergie

Forscher der Stanford University erstellten 2005 eine „Weltkarte des Windes“, die bei der Standortwahl von Windkraftanlagen helfen soll. Die Windkarte zeigt die Windgebiete mit besonders hohen Windgeschwindigkeiten (Abb. 3). In Euro­pa bläst der Wind vor allem im Bereich der Nordsee und ihrer Anrainer. In Afrika gibt es weniger ergiebige Windgebiete, am ehesten in der West-Sahara und in Marokko. Im Süden gibt es einzelne Spots in Südafrika und Mosambik sowie auf La Réunion. In Asien bieten sich die besten Chancen im Ost-Chinesischen und Japanischen Meer. Australien verfügt über vier große Windgebiete an den Küsten im Norden und Süden von Westaustralien sowie in Queensland, Südaustralien, Victoria und Tasmanien. In Nordamerika bieten sich zahllose Gebiete für eine wirtschaftliche Windnutzung an, ebenso in Mittelamerika. In Südamerika liegen die Starkwindregionen mit einem bis zu vierfachen Stromertrag im Vergleich zu Deutschland vor allem in Chile und in Feuerland, wo die Firma Porsche mit Siemens Energy und anderen gerade in Patagonien dabei ist, eine Pilot­anlage für die Produktion von Wasserstoff und E-Fuels aufzubauen. Ein einzelnes Windrad liefert den grünen Strom für das Pilotprojekt, mit dessen Hilfe ein Elektrolyseur aus Wasser reinen Wasserstoff gewinnt. Eine sogenannte Direct-Air-Capture-Anlage saugt CO₂ aus der Umgebungsluft. Mittels Methanol-Synthese wird aus den beiden Stoffen Methanol erzeugt. Eine weitere Anlage vor Ort verwandelt das Methanol dann in Autobenzin. Das Projekt Haru Oni ist nicht das einzige am Kap Horn. Der französische Mineralölkonzern Total hat sich hier das Land für eine gewaltige Windfarm mit bis zu 10 Gigawatt Leis­tung gesichert, um per Grünstrom Wasserstoff und dann Ammoniak herzustellen.

Wind und Sonne

Es gibt natürlich auch Regionen, in denen Wind und Sonne gleichzeitig zur Verfügung stehen, wie z. B. in Saudi-Arabien. Dort entsteht in Äquator-nähe in der Region NEOM eine Anlage zur Stromerzeugung durch ein PV Kraftwerk mit 3 GW Peak Leistung und Windanlagen mit insgesamt 1 GW Peak Leistung. Dabei wird von einer Elektrolyseurkapazität mit 2 GW Wasserstoff erzeugt werden, der in einem nachgelagerten Prozessschritt zu Ammoniak weiter verarbeitet wird.

Fazit

Es muss schnellstmöglich eine energetische Kopplung der Weltregionen und vor allem der wesentlichen Player aus der Wirtschaft und den Unternehmen erfolgen, die derzeit noch die fossilen Energien fördern und vermarkten, um eine Initialzündung herbeizuführen.

Durch die Umwandlung des Wasserstoffs in Methanol oder Ammoniak kann man diesen Energieträger per Schiff dorthin transportieren, wo ein entsprechender Bedarf nach importierter Energie besteht, wie zum Beispiel Europa oder auch in Asien. Die EU muss dazu allerdings ihre Politik schleunigst ändern und den klimaneutralen E-Fuels die Anrechenbarkeit auf die CO₂-Bilanzen und gewisse Steuervorteile zugestehen.

Deutsche und europäische Unternehmen würden auf alle Fälle in großem Ausmaß über den Einsatz von technologischem Know-how und den Anlagenbau bzw. auch den Betrieb von Anlagen von der Gesamtentwicklung profitieren können.

Autoren: Prof. Dr. Hans Sommer, Mitgründer der Drees & Sommer SE und Vorsitzender des Gesellschafter-Konsortiums. Zu den Schwerpunkten seiner Tätigkeit zählten insbesondere die Integration zukunftsorientierter und nachhaltiger Planungsleistungen sowie die Abwicklung von Großprojekten im Hochbau und große Infrastrukturprojekte. Seit 2011 ist er Ideengeber zur Umsetzung der Energiewende und für den Bereich Wasserstoffwirtschaft.
Foto: Drees & Sommer

Alexander Stubinitzky, Dr. Alexander Stubinitzky
leitet das Wasserstoffteam bei Drees & Sommer.
Er entwickelt nachhaltige Energiekonzepte von der ersten Potenzialanalyse bis zur operativen Umsetzung und Inbetriebnahme von Produktions- und Infrastrukturanlagen. Im Fokus stehen maßgeschneiderte Lösungen für Industrie, Chemie und Mobilität, um grünen Wasserstoff und seine Derivate zu erzeugen, zu importieren und am Ort des Verbrauchs effizient nutzen zu können.
Foto: Drees & Sommer