Wofür wir Wasserstoff brauchen und woher er kommt

Bis 2050 soll nicht nur die Mobilität CO2-neutral funktionieren, sondern unsere gesamte Industriegesellschaft. Aus regenerativen Quellen erzeugter Strom erlaubt beispielsweise den CO2-neutralen Betrieb batterieelektrischer Autos. Selbst wenn alle Autos in Deutschland beispielsweise 2040 elektrisch fahren würden, wäre dafür nur etwa 25 Prozent mehr Strom nötig als heute.

Mit Wasserstoff und Brennstoffzellenantrieb funktionierte der CO2-neutrale Betrieb prinzipiell auch, wenn der Wasserstoff seinerseits per Elektrolyse aus regenerativem Strom erzeugt würde. Aber genau hier liegt das Problem: "Bedingt durch die schlechte Wirkungsgradkette, ausgehend vom Off-Shore-Windpark bis zum Elektromotor im Auto einschließlich flüssiger Verteilung und Hochdruckbetankung, ist der Bedarf an Primärenergie für die Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen in Pkws rund fünf- bis sechsfach höher als bei Batteriefahrzeugen", schreibt beispielsweise unser Podcast-Gast Prof. Martin Doppelbauer in seinem Strategiepapier. Damit wäre der Strombedarf für den Wasserstoffbetrieb aller 47 Millionen Pkw in Deutschland rund 1,5-fach größer ist als die gesamte heutige Stromproduktion. Das kann nicht funktionieren, zumal der Strom künftig nicht nur zu etwa 50, sondern zu 100 Prozent aus regenerativen Quellen kommen muss.

Wofür wir Wasserstoff brauchen

Aber nicht überall funktioniert die Energieübertragung oder Speicherung rein elektrisch. Flugzeuge etwa können nicht so viel Batterien tragen, wie sie brauchen. Treibstoffe aus Wasserstoff könnten die Alternative sein. Wasserstoff bietet eine vielfach höhere Energiedichte. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält fast so viel Energie wie drei Kilogramm Benzin, ein Liter Super trägt fast neun kWh Energie. Die 700 Kilogramm schwere Batterie eines Audi E-Tron entspricht also ungefähr einem Tank mit zehn Liter Sprit. Immerhin ist der Wirkungsgrad des E-Autos dreimal so hoch wie beim Verbrenner, so gesehen hat der E-Tron immerhin etwa 30 Liter Benzin im Tank.

Die Rechnung zeigt jedoch auch: Wer viel Energie mitnehmen muss, braucht einen anderen Träger als Batterien und Wasserstoff lässt sich grundsätzlich mit (grünem) Strom herstellen, dessen Energie dann darin gespeichert ist. Wasserstoff mitzunehmen, ist allerdings nicht trivial. Bei normalen Temperaturen und atmosphärischem Druck nimmt ein Kilogramm Wasserstoff mehr als elf Kubikmeter Volumen ein – daher seine Verwendung in E-Fuels.

Aber selbst für stationäre Prozesse ist Wasserstoff eine Dekarbonisierungsmöglichkeit. Zum Beispiel für die Stahlproduktion, wo enorm hohe Temperaturen und damit große Energiemengen notwendig sind. Aktuell nutzt die Stahlproduktion vor allem Koks (Kohle). In Deutschland emittiert sie pro Jahr rund 70 Millionen Tonnen CO2(-Äquivalent). Eine Alternative zur gängigen Eisenerzreduktion im Hochofen unter Einsatz von Kohlenstoff ist die Direktreduktion von Eisenerz unter Einsatz von Wasserstoff. Durch eine vollständige Substitution des Kohle-­ bzw. Koksbedarfs entstünde in Deutschland ein zusätzlicher Wasserstoffbedarf von 2,4 Millionen Tonnen pro Jahr. Die deutsche Energieagentur glaubt, dass "der heutige und der für die Direktreduktion zukünftig benötigte Wasserstoffbedarf sukzessiv durch grünen Wasserstoff gedeckt werden" kann.

Wie entsteht Wasserstoff?

Schon heute produziert die Industrie große Mengen an Wasserstoff für die Düngemittel-Produktion und für Raffinerien. Dort braucht man ihn als Hilfsstoff für die Herstellung von Benzin und Diesel. Im Jahr 2019 waren es laut Statista weltweit insgesamt etwa 117 Millionen Tonnen Wasserstoff. 69 Millionen Tonnen entstanden aus Erdgas, die restlichen 48 Megatonnen als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen.

Bei der Dampfreformierung von Wasserstoff aus Erdgas entstehen allerdings pro Tonne Wasserstoff zehn Tonnen CO2 (laut einer Studie rund 400 Gramm pro kWh H2). Diesen Wasserstoff nennt man daher grau. Für die CO2-Neutralität in Zukunft bringt er nichts. Es sei denn, man scheidet das bei der Dampfreformierung entstehende CO2 ab und lagert es ein, presst es in den Untergrund, zum Beispiel in ehemalige Gaslagerstätten. Man nennt den Wasserstoff dann blau – weil immer ein paar Restemissionen an CO2 bleiben, ist er nicht grün. Außerdem hängen an Erdgas als Ausgangsstoff bereits erhebliche Emissionen durch die Förderung, Aufbereitung und den Transport. "Auf diese Vorkettenemissionen entfallen rund 25% der Gesamtemissionen von Erdgas", so eine Auswertung mehrerer Studien (dort S. 8). Aktuell ist blauer Wasserstoff erheblich (ca. Faktor drei) günstiger als grüner, weshalb er trotz der höheren CO2-Emissionen und der begrenzten Lagerstätten für CO2 vor allem als Übergangslösung gute Chancen hat. Preis-Prognosen schwanken zwischen 20 und 60 Prozent Mehrkosten für grünen Wasserstoff im Jahr 2030.

Wie viel Energie braucht grüner Wasserstoff?

Lassen sich die ökonomischen Nachteile grünen Wasserstoffs bei entsprechender Prioritätensetzung politisch eliminieren, kommt man am erhöhten Strombedarf nicht vorbei. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält 33,33 kWh Energie. Der Wirkungsgrad der Elektrolyse schwankt je nach Technik und Betrieb zwischen 60 und 85 Prozent. Zur Erzeugung eines Kilogramms Wasserstoff per Elektrolyse sind daher zurzeit durchschnittlich etwa 50 kWh elektrischer Energie nötig. Für die 2,4 Millionen Tonnen Wasserstoff zur Stahlproduktion in Deutschland bräuchte man also etwa 120 Terawattstunden (TWh) an elektrischer Energie, etwa ein Fünftel der Jahresstromproduktion, denn Deutschland produzierte in den letzten drei Jahren im Schnitt 608,83 TWh p.a. Die deutsche Energieagentur glaubt dennoch, dass "der heutige und der für die Direktreduktion zukünftig benötigte Wasserstoffbedarf sukzessiv durch grünen Wasserstoff gedeckt werden" kann. Tatsächlich lag allein der Windenergieanteil am deutschen Strommix 2020 bereits bei 23,5 Prozent.

Andererseits gehen Schätzungen für 2030 von einem Wasserstoffbedarf zur Stahlerzeugung von drei Millionen Tonnen aus; das wären entsprechend 150 TWh elektrische Energie. Das entspricht dem Jahresertrag von 3333 Offshore-Windrädern des Typs MHI Vestas V164. Aktuell gibt es erst 1200 Offshore-Windenergieanlagen in der deutschen Nord- und Ostsee. An Land sind es fast 29.000. Der kräftigste Typ davon, die Nordex N149 bringt nur ein Drittel des Ertrags der Offshore-Vesta. Für die 150 TWh bräuchte man dementsprechend 9740 solcher Windräder an Land. Trotzdem könnte es sinnvoll sein, den Strom zur Wasserstofferzeugung an Land zu produzieren. Zumindest wäre es von Vorteil, wenn die Elektrolyse da stattfindet, wo der Stahl entsteht. Dann sparte man sich den Transport des leichten und flüchtigen Gases – womit man beim nächsten Punkt landet.

Wo soll der Wasserstoff entstehen?

Wasserstoff entsteht wie erwähnt CO2-neutral bei der Elektrolyse von Wasser – vereinfacht gesagt: Man legt Strom an ein Wasserbecken an und spaltet es dadurch in Wasserstoff und Sauerstoff. So wird elektrische Energie in chemische (im Wasserstoff) umgewandelt, mit den eingangs beschriebenen Wirkungsgradverlusten. Wenn der Wasserstoff wie bei Brennstoffzellenfahrzeugen als Speicher für elektrische Energie dienen soll, kommen die Verluste bei der Rückverstromung hinzu und in Summe liegt der Wirkungsgrad dann eher unter 40 Prozent.

Die Stahlproduktion mit grünem Wasserstoff in Direktreduktionsanlagen ist CO2-neutral. Bis genügend klimaneutral produzierter Wasserstoff zur Verfügung steht, kann die Verwendung von Erdgas in Direktredukionsanlagen die Emissionen gegenüber der kohlebasierten Hochofen-Methode bereits deutlich reduzieren. Thyssenkrupp Steel beispielsweise will die erste großtechnische Direktredukionsanlage im Jahr 2024 in Betrieb nehmen. Je mehr grüner Wasserstoff – Thyssen rechnet für sich mit einem langfristigen Bedarf von 700.000 Tonnen oder 3000 Windrädern – bis dahin bereitsteht, desto grüner der Stahl.

Solarstrom aus der Wüste – Wasserstoff auch?

Kein Wunder also, dass sich auch Szenarien zur Wasserstofferzeugung andernorts entwickeln, wo Platz für Windräder oder Solaranlagen vorhanden ist, Land entsprechend billig und die Kosten für regenerativen Energieerzeugung entsprechend niedriger. In der Sahara zum Beispiel. Eine solche Idee ist schon gut zehn Jahre alt: "Desertec" schlug Solarkraftwerke in der Sahara und Überlandleitungen nach Europa vor. Ein neues Positionspapier greift die Idee wieder auf. Statt auf teure Stromleitungen setzt man jetzt auf Nutzung des Stroms zur Wasserstoffproduktion.

Allerdings braucht Elektrolyse viel Wasser – pro Kilogramm Wasserstoff zehn Liter. Wasser und sonnenreiche Wüste – das schließt sich weitestgehend aus. Deshalb schlägt Desertec vor, Meerwasser-Entsalzungsanlagen zu installieren, natürlich auch betrieben mit Wind- und Solarstrom. Der Kostenanteil dafür soll selbst unter ungünstigsten Bedingungen 2 Prozent an den Gesamtkosten nicht übersteigen, eventuelle Überschussproduktion könnte Bewässerungsprojekten vor Ort helfen.

Pferdefuß Wasserstoff-Transport

Die Produktion von Wasserstoff dort, wo Platz für regenerative Energieerzeugung ist, fordert aber anschließend den Transport des Gases nach Europa zur Stahlproduktion beispielsweise. Die Studie setzt vor allem auf bereits bestehende Infrastruktur Pipelines – für Erdgas. Will man flüchtigen und leichten Wasserstoff durch sie pumpen, sind allerdings einige Umrüstungen nötig.

Zum Transport könnte man Wasserstoff aber auch in Ammoniak umwandeln. Der ließe sich dann per Schiff nach Europa bringen. Die Studie errechnet einen perspektivischen Preis von weniger als 2 Dollar pro Kilogramm, und schätzt grob, dass der Transport weitere zwei Dollar pro Kilogramm kostet. Zu den Transportkosten nach Europa kommen dann noch die vor Ort und die entsprechende Infrastruktur. Außerdem sprechen Studien von einem Energieverlust von 15 bis 25 Prozent bei der Rückumwandlung von Ammoniak. Verluste durch Umwandlung – das Problem erinnert an das eingangs geschilderte.