Peter Qvist-Sørensen, Stv. Leiter des International Management Institute und Leiter des Center for International Industrial Solutions, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Herausfordernde Aufgaben auf dem Weg zu Net Zero
Net Zero erfordert die CO2-freie Elektrifizierung der gesamten Stromerzeugung und des Stromverbrauchs, einschließlich kohlenstofffreiem Wasserstoff. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) wird kohlenstofffreier Wasserstoff im Jahr 2050 voraussichtlich 30 % des Kraftstoffverbrauchs im Verkehrssektor und 10 % des gesamten Endenergieverbrauchs im Net Zero Emission (NZE)-Szenario für Energie ausmachen.
Die Aufgabe ist gewaltig, denn es gilt nicht nur, die derzeitige Weltproduktion von ca. 95 Millionen Tonnen Wasserstoff (auf der Grundlage fossiler Brennstoffe) zu ersetzen, sondern auch kohlenstofffreien Wasserstoff für chemische Grundstoffe (z. B. Ammoniak und Methanol mit CO2-Beimischung und Düngemittel) und für Industriezweige, die bei ihrer Produktion nicht oder nur schwer auf elektrische Energie umsteigen können (z. B. Stahl, Zement und Glas), sowie neue Kraftstoffe für den Verkehr (z. B. Lastkraftwagen, Busse, Schiffe, Flugzeuge) bereitzustellen. Derzeit wird nur 0,1 % des Wasserstoffs kohlenstofffrei hergestellt.
Die IEA geht davon aus, dass die Nachfrage nach Wasserstoff bis 2030 auf 180 Millionen Tonnen ansteigen wird, von denen ca. 50 % davon, also 90 Millionen Tonnen, werden kohlenstofffrei („grün“) und kohlenstoffarm („blau“) produziert. Für 2050 liegen die entsprechenden NZE-Zahlen bei 475 und 450 Millionen Tonnen jährlich.
Vier Hauptherausforderungen
Die EU, die Vereinigten Staaten und andere wichtige OECD-Länder wie Japan haben kohlenstofffreien Wasserstoff eindeutig als wichtige Voraussetzung für das Erreichen der vereinbarten Klimaziele bezeichnet.
Es besteht auch allgemeines Einvernehmen darüber, dass die wichtigste Technologie zur Herstellung von kohlenstofffreiem Wasserstoff die Elektrolyse sein wird, die hauptsächlich durch spezielle Anlagen für erneuerbare Energien und in geringerem Maße durch überschüssige Energie aus bestehenden Anlagen und Kernenergie betrieben wird.
Auf dem Weg dorthin gibt es jedoch mindestens vier große Herausforderungen und Entscheidungen zu treffen,
1. Genügend erneuerbare Energie, um die benötigte Menge an kohlenstofffreiem Wasserstoff zu produzieren.
2. Transmission und Distribution des Wasserstoffs vom Produktionsstandort zu den wichtigsten Verteilungszentren und Kunden.
3. Umweltaspekte.
4. Wettbewerb um finanzielle Anreize und technologische Innovation, um die Energiewende (Wasserstoff) voranzutreiben.
1. Genügend Erneuerbare Energie für die Produktion der Benötigten Menge Kohlenstofffreien Wasserstoffs
Laut IEA wird die Produktion von kohlenstofffreiem Wasserstoff in NZE die gleiche Menge an (erneuerbarer) Energie benötigen wie der Transportsektor, d.h. ca. 2’500 TWh bis 2030 und ca. 11’500 TWh bis 2050, also ca. 18,3% des gesamten Energiebedarfs. Zum Vergleich: Im Jahr 2023 wurden insgesamt etwa 430 TWh aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt.
2. Transmission und Distribution vom Produktionsstandort zu den Hauptverteilerszentren und Kunden
Die Transmission und Distribution von sauberem Wasserstoff stellt eine große Herausforderung dar. Sowohl in Europa als auch in den Vereinigten Staaten wird die Verwendung von speziellen Pipelines oder die Beimischung von Wasserstoff zu den bestehenden Erdgasleitungen diskutiert. Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten für den Transport von Wasserstoff vom Ort der Erzeugung in der Nähe der erneuerbaren Energiequellen zu den wichtigsten Wirtschaftszentren,
1. Als komprimiertes Gas, entweder rein oder als Beimischung zu Erdgas.
2. Als Flüssigkeit, entweder rein, gekühlt auf minus 253° C oder gemischt in LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers).
3. Umwandlung des Wasserstoffs am Produktionsstandort in das Endprodukt, z. B. Ammoniak oder Power-to-X-Kraftstoffe, und anschließende Beförderung dieser Produkte an ihren Bestimmungsort.
Die Art und Weise und die Kosten der Übertragung stehen in direktem Zusammenhang mit der Entfernung und dem Volumen. Darüber hinaus spielen die Umwandlungsverluste am Ort der Produktion oder am Ort der Verwendung eine wichtige Rolle. Jede Methode der Übertragung und des Transports ist mit einem Energieverlust verbunden, der auf die für die Kompression, Verflüssigung oder Umwandlung benötigte Energie zurückzuführen ist. Aufgrund der sehr geringen Energiedichte von Wasserstoff ist es von entscheidender Bedeutung, Transportmethoden mit möglichst geringen Energieverlusten einzusetzen.
Nach Angaben der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) wären Pipelines für Entfernungen von bis zu siebentausend Kilometern in Europa die kostenoptimale Methode. In Europa schlagen die großen Erdgas-Transportnetzbetreiber (TSO) vor, ihr bestehendes Gasleitungsnetz mit einer Mischung aus speziellen Wasserstoffpipelines und Pipelines, die eine Mischung aus Gas und Wasserstoff transportieren, in einem Wasserstoff-Backbone mit fünf Wasserstoffversorgungskorridoren zu erweitern, die bis 2040 fertiggestellt werden sollen.
Der Ausbau dieser Netze steht vor mehreren Herausforderungen, sowohl technischer als auch politischer und ökologischer Art. Die Tatsache, dass Wasserstoff das leichteste aller Gase ist (14-mal leichter als Luft und mit einem Gewicht von nur 89,9 Gramm pro m3) und gleichzeitig das Gas mit dem höchsten spezifischen Energiegehalt pro Kilo, wenn es verflüssigt ist, schafft besondere Herausforderungen hinsichtlich der Transport- und Verteilungsmethoden.
Obwohl es naheliegend wäre, das ausgedehnte Pipelinenetz für Erdgas zu nutzen, ist dies „leichter gesagt als getan“. Enagas, der spanische Fernleitungsnetzbetreiber, der derzeit Erdgas über Pipelines innerhalb Spaniens und von Portugal nach Frankreich transportiert, gilt als wichtiger Akteur bei den Plänen, Europa mit kohlenstofffreiem Wasserstoff zu versorgen und (bis 2050) einen Nullverbrauch zu erreichen.
Nach Ansicht von Enegas sind die Hauptprobleme bei der Dekarbonisierung des Energiesystems kurz- bis mittelfristig der Aufbau einer Nachfrage und einer kosteneffizienten Produktion sowie das Gleichgewicht der drei Energievektoren Produktion, Transport und Speicherung.
Enagas kann Wasserstoff in die Erdgaspipelines einmischen, wobei folgende Mengenbeschränkungen gelten.
– Auf der Ebene der Endverbraucher max. 20% ohne Änderungen an den Gasanlagen.
– Für die Pipelines und Verdichterstationen max. 10%, sofern die Ausrüstung nicht verändert wird.
– Für die vorübergehende Gasspeicherung max. 5%.
Enagas schätzt daher, dass nur 3-5% der energetischen Menge des Wasserstoffs durch die bestehenden Erdgasleitungen transportiert werden können. Andere Übertragungsmethoden, einschließlich spezieller Pipelines, der Verwendung von LOHC oder Ammoniak oder spezieller HVDC-Stromleitungen, werden in einem separaten Papier erörtert, in dem auch die besonderen schweizerischen Probleme eines Anschlusses an das europäische Backbone behandelt werden.
3. Umweltaspekte
Umweltaspekte wie der Flächenverbrauch für die Solarparks oder der Wasserverbrauch für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse in geografischen Gebieten, die bereits unter Wasserknappheit leiden, stehen weniger im Vordergrund.
Menschen und Land
Nach Angaben des spanischen Ministeriums für Ecological Transition and the Demographic Challenge ist nicht jeder über den Ausbau von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien, vor allem von Photovoltaikanlagen, glücklich. Die Kritik an der Nutzung von Land für diese Anlagen wächst. Außerdem wird die Energiewende
Wasser
Für die Herstellung von einem Kilo Wasserstoff durch Elektrolyse werden etwa neun Liter gereinigtes Wasser benötigt. Je nach Herkunft des Frischwassers kann der gesamte Produktionsprozess deutlich mehr Wasser erfordern. Nach Angaben des Ingenieurbüros GHD, die auf Untersuchungen in Australien beruhen, werden für die Herstellung von grünem Wasserstoff bis zu 59 Liter pro Kilo Wasserstoff benötigt, wenn das Rohwasser zuvor durch Umkehrosmose gefiltert wird. Das bedeutet, dass zur Erreichung des Ziels der Europäischen Union, 10 Millionen Tonnen im Inland zu produzieren, zwischen 90 und 590 Millionen m3 Wasser pro Jahr benötigt werden.
Wenn die Produktion von kohlenstofffreiem Wasserstoff in den Bereichen der derzeitigen „fossilen Brennstoffe“ stattfinden würde, dürfte diese Wassermenge kein Problem darstellen, da der kohlenstofffreie Wasserstoff die Produktion in der petrochemischen Industrie ersetzen würde, die bereits erhebliche Mengen an Wasser für die Produktion verwendet.
Wenn die Elektrolyseure jedoch in Gebieten mit höchster Sonneneinstrahlung in der Nähe großer Photovoltaikparks betrieben werden, sieht die Sache anders aus. Hier konkurriert die Produktion mit der Landwirtschaft in trockenen Gebieten mit hohem Wasserstress um Wasser.
Um es ins rechte Licht zu rücken. Für den Anbau von einem Kilo Tomaten werden 63 Liter Wasser benötigt. Ein m3 Wasser entspricht 1’000 Litern, ausreichend für die Produktion von ca. 16 Kilo Tomaten, oder 16’000 Tonnen pro eine Million m3 Wasser. Die von der EU geplante Menge von 10 Millionen Tonnen Wasserstoff würde also 1’444’000 – 9’440’000 Tonnen Tomaten pro Jahr entsprechen, wenn der gesamte kohlenstofffreie Wasserstoff mit Elektrolyseuren erzeugt würde, was 23,2 % – 152,3 % der 2022 Produktion von 6,2 Millionen Tonnen Tomaten in Europa entspricht. In Spanien entfallen bereits 80 % des gesamten Wasserverbrauchs auf die Landwirtschaft.
4. Wettbewerb um Finanzielle Anreize und Technologische Innovation
Europa und die Vereinigten Staaten haben unterschiedliche Wege eingeschlagen, um den kohlenstofffreien Wasserstoff voranzubringen und die Netto-Null-Ziele bis 2050 zu erreichen. Die Vereinigten Staaten fördern den Aufbau von Produktionsanlagen und die Nachfrage durch die Steuergutschriften im Rahmen des Inflation Reduction Act. Die Europäische Union wählt eine Mischung aus direkten Subventionen und spezifischen Finanzierungsinstrumenten wie der Hydrogen Bank. Beide kontinentalen Ansätze wetteifern also um Investoren und neue Technologien, um den Weg zu ebnen. Nach Angaben der Financial Times holen die Vereinigten Staaten nicht nur gegenüber Europa (EU) auf, sondern haben auch die Nase vorn, wenn es darum geht, Investitionen in kohlenstofffreie Wasserstoffproduktionsanlagen und -technologien anzuziehen.
Letzte Worte
Es steht außer Frage, dass kohlenstofffreier Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der globalen Energiewende hin zu einem „Net Zero“ im Jahr 2050 spielen wird. Die Regierungen unterstützen den Aufbau einer tragfähigen Versorgungskette und Nachfragestruktur durch finanzielle Anreize und direkte gesetzliche Unterstützung. Es gibt jedoch einige grundlegende Herausforderungen, die in diesem Jahrzehnt bewältigt werden müssen, wenn die Versprechen Wirklichkeit werden sollen.
Von den vier beschriebenen Herausforderungen stellen der Aufbau ausreichender erneuerbarer Energieressourcen und Umweltfragen die größten dar. Dabei geht es vor allem um den Umgang mit Bodenproblemen und Wasserknappheit in den geografischen Regionen, die sich am besten für große Fotovoltaikanlagen eignen. Darüber hinaus stehen die erforderlichen neuen Kapazitäten für erneuerbare Energien in direktem Wettbewerb mit dem erheblichen gesellschaftlichen Bedarf an Elektrifizierung, um den Einsatz fossiler Brennstoffe deutlich zu verringern.
Die Übertragungsprobleme und die kontinentale Konkurrenz müssen ebenfalls gelöst werden, aber hier werden die entsprechenden Geschäftsmodelle höchstwahrscheinlich die optimalen Lösungen finden. Um die Nachfrage nach Wasserstoff in den schwer abbaubaren Industrien und für Kraftstoffe zu steigern, könnte schließlich erwogen werden, eine wachsende Produktion von „blauem“ Wasserstoff (mit CCS) zu unterstützen, bis die Marktkräfte die Oberhand gewinnen, und zuzulassen, dass überschüssiger Atomstrom als erneuerbare Energie eingestuft wird, um die erforderlichen Elektrolyseur-Kapazitäten aufzubauen, bis genügend Photovoltaik- und Windkraftanlagen installiert worden sind.