Wasserstoff und Power-to-X

Wasserstoff (H₂ ) kann über längere Zeit gespeichert werden, als Ausgangsprodukt für die chemische Industrie dienen, bei der Stahlindustrie zum Einsatz kommen oder als Treibstoff Anwendung finden. Bei diesen Verfahren wird  häufig von sogenannten Power-to-X-Technologien (P2X) gesprochen, da diese durch Strom (Power) betrieben werden und dessen Energie in zahlreiche gasförmige, flüssige oder feste Endprodukte (das X) umwandeln.

Wasserstoff – eine Farbenlehre

Grüner Wasserstoff: Wasserstoff kann mithilfe von Erneuerbaren Energien durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Dieses Verfahren ist das einzige, das für den BUND akzeptabel ist.
Grauer Wasserstoff: Eine andere Methode, Wasserstoff zu gewinnen, ist die Dampfreformation aus Erdgas. Hierbei wird Kohlendioxid (CO2) freigesetzt, das als Treibhausgas zur Erderwärmung beiträgt. Zu Blauem Wasserstoff wird dieser graue Wasserstoff, wenn das Kohlendioxid anschließend dauerhaft gespeichert wird. Wie dauerhaft die unterirdische Speicherung – z.B. in alten Erdgaslagerstätten – ist und welche Gefahren davon ausgehen, ist umstritten. Der BUND lehnt dieses auch Carbon Capture and Storage (CCS) genannte Verfahren ab.
Türkisener Wasserstoff: Mittels Pyrolyse kann aus Erdgas direkt Wasserstoff und fester Kohlenstoff gewonnen werden. Wenn der feste Kohlenstoff anschließend dauerhaft gespeichert wird, kann er als CO2-neutral angesehen werden. Wird aber der in der chemischen Industrie begehrte, hochreine Kohlenstoff weiterverarbeitet, ist davon auszugehen, dass er irgendwann verbrannt wird, in Form von CO2 in der Atmosphäre landet und so zur Erderhitzung beiträgt. Aus diesem Grund lehnt der BUND dieses Verfahren ab.
Gelber Wasserstoff, der mithilfe von Atomstrom durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen wird, hilft dabei, das Ende der Hochrisikotechnologie Atomkraft noch etwas hinauszuzögern. Da neue Kernreaktoren auch schon für die Stromproduktion viel zu teuer sind, ist es wahrscheinlich, dass gelber Wasserstoff hauptsächlich sehr alten und damit sehr unsicheren Meilern eine wirtschaftliche Perspektive bieten würde.

Wasserstoff als Energiespeicher

Eine wichtige Herausforderung bei der Umstellung von atomar-fossilen Energiequellen zu Erneuerbaren Energien ist es, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen, also unter anderem die bei Überproduktion erzeugte Energie für energiearme Zeiten zu speichern. Dabei spielt Wasserstoff eine große Rolle.
Elektrische Energie wird zunehmend in Form von Wasserstoff oder Methan gespeichert werden. Dabei wird mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Da die Speicherung von Wasserstoff komplex ist und auch bisher keine größeren Speichermöglichkeiten existieren, wird der Wasserstoff häufig zusammen mit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid in Methan umgewandelt (Power-to-Gas). Für Methan existiert durch das bestehende Erdgasnetz und große unterirdische Gaskavernen eine umfangreiche Infrastruktur zur Verteilung und Speicherung. Methan ist aber ein sehr starkes Treibhausgas, sodass undichte Stellen bei der Lagerung ein großes Problem darstellen können.

Sowohl die Erzeugung von Wasserstoff als auch dessen Weiterverarbeitung zu Methan sind energetisch sehr effizient: Der Wirkungsgrad der Elektrolyse beträgt bis zu 85, der inklusive Methanisierung bis zu 80 Prozent.
Brennstoffzellen zur Verstromung von Wasserstoff oder Methan haben einen Wirkungsgrad von bis zu 70 Prozent. Über den gesamten Prozess gehen bei heutiger Technik 45 bis 70 Prozent des eingesetzten Stroms verloren – Speicherverluste noch nicht eingerechnet.

Wasserstoff in der Industrie

Da Erdöl und Erdgas am Ende ihrer stofflichen Nutzung in der Regel verbrannt werden und Treibhausgase freisetzen, haben sie in einer treibhausgasneutralen Welt keinen Platz mehr und müssen ersetzt werden. Dies betrifft auch die chemische Industrie. Dort sind z.B. Ethen und Ethylen wichtige Ausgangsstoffe für die Kunststoffherstellung. Beide Stoffe können auch aus Wasserstoff und CO2 hergestellt werden.
Bei der Eisenherstellung wird bisher Eisenoxid in Hochöfen mittels Kohlenstaub zu Eisen und Kohlendioxid umgewandelt. Die Kohle kann in diesem Prozess auch durch Wasserstoff ersetzt werden, der dann mit dem Sauerstoff aus dem Eisenoxid zu Wasser reagiert. Erste Versuchsanlagen im industriellen Maßstab existieren hierzu schon.

Wasserstoff in der Mobilität

Wasserstoff kann direkt, in Form von Methan oder weiterverarbeitet als Flüssigtreibstoff in der Mobilität zum Einsatz kommen. Im Straßenverkehr verspricht die Industrie seit Jahrzehnten, bald ausgereifte Lösungen zu präsentieren. Diese sind aber bisher nicht absehbar.
Für den BUND macht die Verwendung sogenannter eFuels oder reFuels in der Mobilität nur dort Sinn, wo keine Alternativen zum Verbrennungsmotor funktionieren. Weder im Flug- noch im Schiffsverkehr sind (bis auf Leichtflugzeuge und kleinere Fähren) bisher Lösungen vorhanden, die ohne eFuels auskommen.
Der BUND sieht eine Quote für synthetische Kraftstoffe im Straßenverkehr kritisch, da eine große Nachfrage nach Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen nicht nachhaltig und klimafreundlich zu decken ist. Erst bei einem Anteil der Erneuerbaren am Strommix von über 80 Prozent wird mit eFuels weniger CO2 ausgestoßen als mit fossilen Kraftstoffen.

Hindernisse bei der Wasserstoffwirtschaft

Die zentrale Herausforderung bei einer klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft auf Basis von Grünem Wasserstoff ist die Frage, woher die Ausgangsstoffe stammen.
Für echte Nachhaltigkeit muss der Strom aus neu errichteten Erneuerbare Energien-Anlagen an ökologisch unbedenklichen Standorten produziert werden. Dabei ist es immer sinnvoller, den Strom direkt zu verwenden als die Energie in Wasserstoff zu speichern. Es macht ökologisch keinen Sinn, Energie in Wasserstoff zu speichern, wenn der momentane Bedarf an Energie nicht gedeckt ist und dann zum Beispiel durch die Verbrennung von Kohle befriedigt werden muss. Diese Kriterien schließen Importe aus Staaten wie Marokko aus.

Das für die Elektrolyse verwendete Wasser darf nicht in Konkurrenz mit dem Wasserbedarf der Bevölkerung stehen.
Das bei einer Methanisierung verwendete Kohlendioxid darf nicht aus fossilen Quellen stammen, um die CO2-Konzentration in der Atmosphäre nicht weiter zu erhöhen. Als klimaneutrale CO2-Quellen kommen nur Biomasse und das sogenannte Direct-Air-Capture (DAC) infrage, bei dem CO2 direkt aus der Luft gefiltert werden. Dabei ist aber zu bedenken, dass die Mengenpotenziale nachhaltiger Biomasse stark beschränkt sind und für den Betrieb von DAC-Anlagen zusätzlicher Platz benötigt und weitere Energie verbraucht wird. Diese Kriterien schließen Zementwerke als CO2-Quellen aus.

Der Gesamtwirkungsgrad macht eine Wasserstoffwirtschaft momentan im Vergleich zu Erdgas noch unwirtschaftlich. Um Wasserstoff konkurrenzfähig zu machen, müssen die Kosten der verursachten Umweltschäden durch die Nutzung fossiler Energieträger möglichst schnell auf die entsprechenden Produkte aufgeschlagen werden.
Der Einstieg in eine Wasserstoffwirtschaft wird nur gelingen, wenn wir den Ausbau Erneuerbarer Energien massiv beschleunigen und drastisch Energie und andere Ressourcen einsparen.

Im Juli 2020 hat sich der BUND BW mit einer Stellungnahme zur Wasserstoff-Roadmap am Beteiligungsverfahren der Landesregierung beteiligt (628 KB).