{"id":1415,"date":"2021-02-26T07:15:00","date_gmt":"2021-02-26T06:15:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.buchingerkuduz.com\/blog\/?p=1415"},"modified":"2024-10-31T20:48:53","modified_gmt":"2024-10-31T19:48:53","slug":"gruener-wasserstoff-als-zukunftshoffnung-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.buchingerkuduz.com\/blog\/gruener-wasserstoff-als-zukunftshoffnung-teil-2\/","title":{"rendered":"Gr\u00fcner Wasserstoff als Zukunftshoffnung \u2013 Teil 2"},"content":{"rendered":"\n

Im ersten Teil des Artikels \u00fcber Gr\u00fcnen Wasserstoff<\/a> ging es um die aufwendigen Herstellweisen und unterschiedlichen „Farben“ von Wasserstoff, abgeleitet von derem Energieaufwand f\u00fcr die Herstellung. In diesem zweiten Teil betrachten wir die derzeitigen und zuk\u00fcnftigen Einsatzgebiete und die entsprechenden Bedarfsmengen. Ist Wasserstoff der Retter der Erneuerbaren Energien? Kommt die Brennstoffzelle voran? Was hat es mit Power-to-X und E-Fuels auf sich? Und k\u00f6nnte man auch noch das Gasnetz nutzen oder W\u00e4rme mittels Wasserstoff herstellen?<\/p>\n\n\n\n

Einsatzgebiete und Bedarf<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

Der Status Quo<\/strong> – bisheriger Verbrauch<\/h3>\n\n\n\n

Die Internationale Energie Agentur (IEA) sah 2019 als ein Rekordjahr f\u00fcr Wasserstoff an, denn viele Anlagen \u2013 vor allem f\u00fcr Elektrolyse \u2013 wurden in Betrieb genommen, der Markt f\u00fcr Brennstoffzellen-Fahrzeuge hat sich verdoppelt und immer mehr Politiker haben das Thema Wasserstoff entdeckt. Nichtsdestotrotz bem\u00e4ngelt die IEA, dass die CO2-armen oder -freien Produktionstechnologien nicht wirklich vom Fleck kommen und weiter hinter den Erwartungen stagnieren. <\/p>\n\n\n\n

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Es seien wesentlich mehr Anstrengungen n\u00f6tig, um verschiedene Sektoren (Fernverkehr, chemische Industrie, Stahl- und Eisenherstellung) mittels gr\u00fcner und t\u00fcrkiser Wasserstofftechnologie emissions\u00e4rmer zu machen und Wasserstoff in neue Anwendungen zu bringen. <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

Zu diesen Anwendungen z\u00e4hlt beispielsweise die Erzeugung, Speicherung und R\u00fcckverstromung des Wasserstoffes zur Erhaltung der Netzstabilit\u00e4t (1). <\/p>\n\n\n\n

Was bedeutet das in Zahlen ausgedr\u00fcckt? <\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Heute werden etwa 70 Megatonnen Wasserstoff pro Jahr zu 99,3 % aus fossilen Brennstoffen<\/strong> (6 % des weltweiten Gas- und 2 % des weltweiten Kohlebedarfs) hergestellt. Dabei entstehen j\u00e4hrlich 830 Megatonnen CO2. Der produzierte Wasserstoff wird haupts\u00e4chlich in der Raffinierung (\u00d6l, Treibstoffe, etc.) und in der Chemischen Industrie verwendet. Da der Wasserstoffanteil aus Erzeugung mittels erneuerbarer Energie oder dem Einsatz von CCS nur 0,7 %<\/strong> betr\u00e4gt (2). <\/p>\n\n\n\n

Die IEA unterscheidet au\u00dferdem zwischen dem Wasserstoff, der speziell produziert wird (70 Mt\/Jahr) und dem Wasserstoff, der als Beiprodukt in anderen Prozessen entsteht. Hier sprechen wir von weiteren 48 Megatonnen H2 pro Jahr (3). In den Berechnungen und Szenarien der IEA wird immer auf die 70 Megatonnen H2 referenziert. <\/p>\n\n\n\n

Heutige Wasserstoff-Wertstr\u00f6me (basierend auf dem Jahr 2018)<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
\"Produktion
Wie viel Wasserstoff wurde im Jahr 2018 hergestellt und wof\u00fcr wurde er verwendet? Eine \u00dcbersicht der IEA (3).<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Wie man aus dieser Abbildung sieht, werden 69 Megatonnen H2 sofort wieder f\u00fcr die Raffinierung und in der chemischen Industrie zur Ammonium-Produktion <\/strong>verwendet. Ammonium wird haupts\u00e4chlich zur Herstellung von Kunstd\u00fcnger f\u00fcr die industrielle Landwirtschaft verwendet. <\/p>\n\n\n\n

Ebenso f\u00e4llt auf, dass derzeit nur 0,01 Megatonnen H2 f\u00fcr den Verkehrssektor<\/strong> verwendet werden. Da die derzeit produzierten Mengen an Wasserstoff sofort wieder in bestimmten Prozessen eingesetzt werden und nur ein marginaler Anteil f\u00fcr den Transportbereich verwendet wird, sind kein gro\u00dfes Transportnetz oder gar ein Handelssystem f\u00fcr Wasserstoff etabliert. <\/p>\n\n\n\n

CO2-Emissionen<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Wenn man die Berechnung der Standford University aus dem Jahr 2019 mit einem j\u00e4hrlichen Aussto\u00df von 37.000 Megatonnen CO2 weltweit (4) zugrunde legt, werden somit 2,24 % der weltweiten Emissionen nur durch die Produktion von Wasserstoff verursacht<\/strong>. <\/p>\n\n\n\n

Etwaiger zus\u00e4tzlicher Wasserstoffbedarf f\u00fcr neue Sektoren, wie etwa den Transportbereich, sind in dieser Rechnung nicht ber\u00fccksichtigt. Zur besseren Einsch\u00e4tzung der Gr\u00f6\u00dfenordnungen: 2018 wurden weltweit 42 % der CO2 Emissionen durch Strom- & W\u00e4rmeerzeugung verursacht, 25 % durch den Verkehrssektor, 19 % durch die Industrie, 6 % durch den Bau und die restlichen 8 % durch andere Bereiche, wie andere erzeugende Industrie, Landwirtschaft und Dienstleistungen (5).<\/p>\n\n\n\n

Ist der derzeitige Einsatz von Wasserstoff nachhaltig?<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Von den knapp 70 Megatonnen Wasserstoff wurden im Jahr 2019 allerdings nur 0,36 Megatonnen H2<\/sub> klimaschonend produziert (0,5 % der Gesamtproduktion)<\/strong>, f\u00fcr das Jahr 2020 wurden 0,46 Megatonnen (0,7 % der Gesamtproduktion) nachhaltiger Wasserstoff anvisiert<\/strong> (6). Genaue Zahlen liegen zum Stand 09.02.2021 noch nicht vor. <\/p>\n\n\n\n

Was mich allerdings \u00fcberrascht hat, war das der gr\u00f6\u00dfere Teil (< 0,4 Mt H2) in den CCS-Bereich („blauer“ Wasserstoff) f\u00e4llt und die Produktion von „gr\u00fcnem“ Wasserstoff auf nur unter 0,1 Mt H2 kommt (7). <\/p>\n\n\n\n

Die IEA geht in ihrem Nachhaltigkeitsszenario von einem „gr\u00fcnen“ und „blauen“ Wasserstoffanteil von 7,92 Megatonnen im Jahr 2030<\/strong> aus. Wenn man sich die folgende Grafik mit der bisherigen Entwicklung im zeitlichen Verlauf seit dem Jahr 2010 ansieht, ist bis zur Zielerreichung im Jahr 2030 noch einiges zu tun. <\/p>\n\n\n\n

Regenerative Wasserstoffherstellung 2010 bis 2030<\/strong><\/h4>\n\n\n\n
\"Regenerative
Wie viel Wasserstoff wurde regenerativ seit 2010 hergestellt und welche Ziele gibt es f\u00fcr 2030? Eine \u00dcbersicht der IEA (8). <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Die Dekarbonisierung der bisherigen Wasserstoffproduktion w\u00e4re somit ein guter Beginn in Bezug auf den Klimaschutz, doch selbst bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Selbst wenn wir das Ziel im Jahr 2030 erreichen, haben wir dann nur 11,3 Prozent des heutigen Bedarfs nachhaltig produziert<\/strong>. Zur Wiederholung, dieser Wasserstoff wird haupts\u00e4chlich in der chemischen Industrie eingesetzt. Weitere Nutzungen, wie f\u00fcr den Mobilit\u00e4tssektor oder gar zur W\u00e4rmebereitstellung, sind hier noch lange nicht regenerativ gesichert. <\/p>\n\n\n\n

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Wasserstoff als \u201eRetter der Erneuerbaren Energien\u201c<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Neben der Dekarbonisierung der bisherigen Wasserstoffproduktion, wird der Stoff in diversen Diskussionsrunden auch als \u201eRetter\u201c f\u00fcr die erneuerbaren Energien gesehen. Was versteht man darunter und m\u00fcssen die Erneuerbaren Energie gerettet werden?<\/p>\n\n\n\n

Da die Stromproduktion jahrzehntelang auf Gro\u00dfanlagen ausgelegt war und die Stromnetze entsprechend gestaltet wurden, ist die Netzlandschaft nicht in gleicher Geschwindigkeit, wie die Erneuerbaren Energien ausgebaut worden. Wozu auch? Die Stromerzeuger und Netzbetreiber haben lange Zeit gutes Geld mit gro\u00dfen Anlagen verdient. Und wenn ein Kraftwerk, das buchhalterisch bereits abgeschrieben war, noch immer in Betrieb ist, warum sollte man daran etwas \u00e4ndern? Besonders, wenn man den Dreck, den der Abbau der Rohstoffe und der Betrieb verursachen, nicht bezahlen muss. Um die gleiche Menge Strom zu erzeugen, sind eine wesentlich gr\u00f6\u00dfere Anzahl an Photovoltaik- oder Windanlagen n\u00f6tig. <\/p>\n\n\n\n

Ich bin sehr froh, dass sich diese einseitige Sicht nicht komplett durchgesetzt hat und die erneuerbaren Energiequellen sich langsam immer weiter verbreiten. Da aber ein Kohlemeiler im Betrieb nicht so schnell abgestellt werden kann, werden Wind- und PV-Parks abgeschaltet, wenn zu viel Strom im Netz ist. Das wird dann auch \u201eAbregelung\u201c oder \u201eAbwurf\u201c genannt. In diesem Zusammenhang wird Wasserstoff oft als Alternative gesehen, um diesen Strom nutzen zu k\u00f6nnen. <\/p>\n\n\n\n

Dazu ein Rechenbeispiel: <\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Im ersten Quartal 2019 wurden 3,23 Mrd. kWh von deutschen Windparks abgeregelt (9), da die lokalen und die \u00dcbertragungsnetze nicht frei waren. Das bedeutet in der Praxis, dass diese Windparks stillgelegt werden und erst nach Freigabe des Netzbetreibers wieder starten d\u00fcrfen. Der Strom h\u00e4tte zur Wasserstoffproduktion genutzt werden k\u00f6nnen. Wenn wir diese Quartalszahl von 3,23 Mrd. kWh auf ein Jahr grob mit 12 Mrd. kWh hochrechnen und durch 4,6 kWh durchschnittlichen Energieaufwand zur Produktion von einem m3 Wasserstoff teilen, w\u00fcrde man rechnerisch 2,6 Mrd. m3 Wasserstoff erhalten. Ich lasse jetzt etwaige \u00dcbertragungsverluste aus der Berechnung weg, auch wenn nicht bei jedem Windrad ein Elektrolyseur steht. <\/p>\n\n\n\n

Der derzeitige Wasserstoffbedarf in Deutschland betr\u00e4gt etwa 55 TWh (10). Wenn man diese Zahl durch den durchschnittlichen Heizwert von 3,00 kWh pro m3 H2 dividiert, ergibt das 18,33 Mrd. m3 Wasserstoff. Mit dem Strom von abgeregelten Windparks k\u00f6nnten im Jahr somit etwa 14 % des derzeitig ben\u00f6tigen Wasserstoffs regenerativ mit ansonsten abgeregeltem Strom hergestellt werden. <\/strong>Da der Anteil der Windenergie am deutschen Strommix im Jahr 2019 24,5 % betrug und der Strom aus PV-Anlagen auf 9,1 % kam (11), wird sich die m\u00f6gliche Erzeugungsmenge von Wasserstoff aus ansonsten \u201e\u00fcberfl\u00fcssigem\u201c PV-Strom nicht ma\u00dfgeblich erh\u00f6hen. Angesichts dieser Zahlen, w\u00fcrde ich sagen: \u201eBesser als nichts.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Wenn man nun von einem durchschnittlichen Wasserstoffbedarf von 100 TWh (90-110 TWh) im Jahr 2030 in Deutschland ausgeht (12) und diese Zahl durch den durchschnittlichen Heizwert von 3 kWh pro m3 H2 (13) dividiert, ergibt das 33,33 Mrd. m3 Wasserstoff. In diesem Fall reicht der Strom aus diesen abgeregelten Windanlagen f\u00fcr 7,8 % des zuk\u00fcnftigen Wasserstoffbedarfs. <\/p>\n\n\n\n

Anhand dieser Zahlen sieht man, dass die Idee mit dem Wasserstoff zur Unterst\u00fctzung der Erneuerbaren Energien gut gemeint ist, aber von \u201eRettung\u201c kann hier keine Rede sein. <\/strong>Es ist sicherlich sinnvoll, vorhandene Kapazit\u00e4ten zu nutzen anstatt diese aufgrund fehlender oder falscher Netze abzuregeln. Ich gebe allerdings zu bedenken, dass der Anteil der Erneuerbaren Energien am deutschen Strommix \u2013 wir reden hier noch nicht vom Verkehr oder W\u00e4rmesektor \u2013 im Jahr 2019 46 % betrug (14). Das bedeutet, dass selbst im Stromsektor hinsichtlich regenerativer Produktion noch viel zu tun ist \u2013 dabei sind die Kapazit\u00e4ten f\u00fcr gr\u00fcnen Wasserstoff noch gar nicht ber\u00fccksichtigt. Auf dieses Thema gehe ich sp\u00e4ter nochmals ein. <\/p>\n\n\n\n

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Die Brennstoffzelle \u2013 Seit dem 19. Jahrhundert immer wieder im Gespr\u00e4ch<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Ja, Sie haben richtig gelesen. Seit etwa 1838 gibt es immer wieder Versuche die Brennstoffzelle in die gro\u00dffl\u00e4chige Anwendung zu bringen. Die Raumfahrt und deren spezielle Anforderungen bez\u00fcglich Gewicht und Kraftstoff brachten einen Schub f\u00fcr die Technik. Seit den 1990iger Jahren gab es im Fahrzeugbereich diverse Aktivit\u00e4ten (15), die aber eher im Sande verliefen, bevor asiatische Hersteller in den letzten Jahren das Ruder in die Hand nahmen. Aber dazu kommen wir gleich noch.<\/p>\n\n\n\n

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle eigentlich?<\/strong> <\/h4>\n\n\n\n

In einer solchen Zelle wird die im jeweiligen Brennstoff gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt. Was braucht man dazu? Eventuell einen Katalysator, auf jeden Fall zwei Elektroden (Anode und Kathode), die por\u00f6s und elektrisch leitend sind und ein Elektrolyt (fl\u00fcssig bis fest). Je nach verwendeten Elektrolyten werden die Brennstoffzellen weiter unterteilt, au\u00dferdem h\u00e4ngt die Klassifizierung von der jeweiligen Zelltemperatur (zwischen 100 und 600 Grad Celsius) ab (16). <\/p>\n\n\n\n

Je nach Art der Brennstoffzelle k\u00f6nnen verschiedene Brenngase verwendet werden \u2013 von Wasserstoff, \u00fcber Methanol, Kohlenmonoxid bis hin zu Erd- oder Kohlegas. Diese m\u00fcssen allerdings je nach Zellart mehr oder weniger vorher aufbereitet werden (z.B. mittels Reformer, Shift-Konverter, Scrubber, CO- oder CO2-Abscheidung) (17). Das klingt alles sehr aufw\u00e4ndig. Stimmt, ist es auch. Aber bevor Sie die Brennstoffzelle gleich abschreiben, bedenken Sie, die Gewinnung von Erd\u00f6l und die Raffinierung bevor dieses als Diesel oder Benzin an der Tankstelle landet, ist auch nicht ganz trivial. Eines der charmantesten Argumente f\u00fcr die Brennstoffzelle ist, dass aus dem Auspuff solcher Fahrzeuge nur Wasser tropft. Doch warum hat sich diese Technik noch nicht durchgesetzt?<\/p>\n\n\n\n

Eine Zeitreise<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Deutsche Hersteller waren in den Anf\u00e4ngen dabei \u2013 zwischen 1994 und 2002 forschte Mercedes-Benz mit dem NeCar (New Electric Car) an Fahrzeugen mit Brennstoffzellen (18). Von 2003 bis 2007 wurde aufbauend auf den gesammelten Erfahrungen die A-Klasse entwickelt, auf die 2007 eine entsprechende B-Klasse folgte. Ebenfalls zum Start des neuen Jahrtausends kamen andere Spieler auf den Markt. Chrysler, VW, Fiat, GM und Toyota starteten mit Fahrzeugen mit Brennstoffzelle (19). BMW ging mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor einen anderen Weg (20). Etwas sp\u00e4ter zogen noch Ford, Audi und Peugeot nach. 2008 kam mit Honda ein weiterer Anbieter hinzu, Hyundai begann im Jahr 2013. In den letzten Jahren starteten die deutschen Hersteller weitere Versuche (Audi 2014), BWM (2015 und 2019) und Daimler (2018), doch keines der Fahrzeuge wurde irgendwie ernsthaft weiterverfolgt (21). <\/p>\n\n\n\n

Apropos ernsthaft, die einzig in Serie fahrenden Brennstoffzellenfahrzeuge im KFZ-Bereich stammen allesamt von asiatischen Herstellern<\/strong>. Honda legte mit dem FCX Clarity (1. Generation) bereits 2008 los. Seit 2016 ist das Fahrzeug in 2. Generation unterwegs. Hyundai folgte mit dem ix35 FCEV ab 2013. Dieses Modell wurde durch den Hyundai Nexo 2018 abgel\u00f6st. Der Toyota Mirai startete im Jahr 2014 und das \u00fcberarbeitete Modell Mirai II kam 2020 auf den Markt (22). <\/p>\n\n\n\n

Einsatzgebiete f\u00fcr Brennstoffzellen-Fahrzeuge<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Der \u00f6sterreichische VC\u00d6 ist der Ansicht, dass sich <\/p>\n\n\n\n

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\u201eder Brennstoffzellen- Antrieb vor allem f\u00fcr Bereiche, in denen hohe Reichweiten, das Fahrzeuggewicht, hohe Zuladung, Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen und Betankungszeiten relevant sind\u201c <\/p>\n<\/blockquote>\n\n\n\n

eignet. Leichtgewichte sind diese Fahrzeuge auch nicht, denn neben den Brennstoffzellen selbst braucht es dennoch eine Batterie, den Motor f\u00fcr die Kraft\u00fcbertragung und der spezielle Drucktank mit verschiedenen Schichten muss bis zu 700 bar aushalten (23). <\/p>\n\n\n\n

Im Umkehrschluss bedeutet die Aussage des VC\u00d6 aber, dass die Entwicklungen im KFZ-Bereich nicht sinnvoll sind. Denn auch wenn die Fahrzeuge ger\u00e4usch- und emissionsarm im Betrieb sind, ist der Aufwand f\u00fcr die Herstellung des Brennstoffes enorm und der Wirkungsgrad eines wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeuges ist nur etwas besser als der des Verbrennungsmotor<\/strong>s, womit nicht wirklich etwas gewonnen ist. Zum Thema Wirkungsgrad kommen wir gleich nochmals im n\u00e4chsten Abschnitt \u201ePower-to-X\u201c.<\/p>\n\n\n\n

Wenn wir auf die VC\u00d6-Aussage zur\u00fcckkommen, sind vor allem Anwendungen im \u00f6ffentlichen Verkehr (Busse) oder beim Transport (LKW) sinnvoll<\/strong>. Die Wiener Linien haben einen solchen Bus des polnischen-spanischen Herstellers Solaris bereits getestet und waren damit zufrieden (24). Mercedes-Benz entwickelt auch Brennstoffzellen-Busse, die mit Wasserstoff fahren sollen (25). Im LKW-Bereich tut sich ebenfalls einiges. Hier liegt Hyundai vorne, das s\u00fcdkoreanische Unternehmen liefert seit 2020 mit dem \u201eXcient Fuel Cell\u201c den ersten in Serie gebauten Schwerlast-Lkw mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-System f\u00fcr etwa 400 Kilometer Reichweite (26).<\/p>\n\n\n\n

Manchmal geht das Thema Wasserstoff auch kuriose Wege im Bereich Schwerlast:<\/strong><\/h4>\n\n\n\n

Hier in der Region Tirol wird gerne ein Leuchtturmprojekt hochgehalten: Die Zillertal-Bahn soll auf Wasserstoff umgestellt werden<\/strong>. Es handelt sich dabei um eine Lokalbahn vom Bahnhof Jenbach hinein bis Mayrhofen ins Zillertal. Derzeit wird die Strecke noch mit Dieselloks befahren und eine Ver\u00e4nderung ist n\u00f6tig (27). Einfacher w\u00e4re es, die Strecke mit Leitungen zu elektrifizieren und elektrische Standardloks zu verwenden, aber das wird kategorisch abgelehnt. Argumente, wie der visuelle Einfluss der Leitungen auf das Landschaftsbild, werden geltend gemacht. Da kommt die Wasserstofflok gerade richtig. Und mit derzeit geplanten Investitionen von 80 Millionen Euro f\u00fcr die Loks, die Anlagen zur Wassertstoffherstellung und Betankungen ist das f\u00fcr eine Bahnstrecke in der L\u00e4nge von 31,7 Kilometer definitiv ein Leuchtturmprojekt.  Zum Vergleich: Eine komplette ICE-Garnitur kosten zwischen 20 und 30 Millionen Euro.<\/p>\n\n\n\n

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Hochtrabende Wasserstoff-Pl\u00e4ne \u2013 Power to X<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Als langj\u00e4hrige Beobachterin der Automobilbranche sehe ich derzeit auch gro\u00dfe Agilit\u00e4t und Aufruhr beim Thema Wasserstoff. In diesem Zusammenhang f\u00e4llt oft der Begriff \u201ePower to X\u201c (PtX). Kurz gesagt, geht es dabei um <\/p>\n\n\n\n