Grüner Wasserstoff in der Energiewende: Fokussierter Einsatz unverzichtbar

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Wasserstoff soll der Heilsbringer in der Energiewende werden. Was nicht direkt oder ausreichend bequem elektrifiziert werden kann, soll mit Wasserstoff angetrieben werden. Dementsprechend misst die deutsche Bundesregierung Wasserstoff eine bedeutende Rolle in der Dekarbonisierung der deutschen Wirtschaft zu. Unsere Artikelserie will die Pläne der Bundesregierung genauer unter die Lupe nehmen und konkrete Anwendungsbereiche – insbesondere im Kfz-Bereich – beleuchten. Was technisch möglich ist, soll auch auf Effizienz und Skalierbarkeit abgeklopft werden.

Die Bundesregierung strebt an, Deutschland bis zum Jahr 2045 treibhausgasneutral zu machen. Bis zum Jahr 2030 sollen die CO₂-Emissionen bereits um mindestens 65 Prozent gegenüber dem Basisjahr 1990 sinken, bis 2040 um mindestens 88 Prozent. Diese Ziele sind im jüngst geänderten Klimaschutzgesetz festgehalten und erfordern eine Beschleunigung der Energiewende. Wesentliche Bausteine hierzu sind der beschleunigte Ausbau der erneuerbaren Energien und eine Steigerung der Energieeffizienz. Außerdem spielt die sogenannte Sektorenkopplung eine zunehmend wichtige Rolle, also die direkte oder indirekte Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien für bisher nicht elektrifizierte Anwendungsbereiche im Verkehr, Wärmesektor und in der Industrie.

Vor diesem Hintergrund wird die Rolle von Wasserstoff in der Energiewende derzeit in Politik, Wirtschaft und Forschung stark diskutiert. Auch in den Wahlprogrammen der Parteien zur Bundestagswahl spielt Wasserstoff eine Rolle. So fällt der Begriff etwa im aktuellen Programm von CDU/CSU ganze 25-mal, bei den Grünen 21-mal, bei der FDP 13-mal und bei SPD sowie der Linken je 12-mal.

In den Programmen zur letzten Bundestagswahl 2017 war Wasserstoff noch kein Thema. Vor vier Jahren wurde der Begriff von CDU/CSU und den Grünen jeweils nur einmal genannt, bei den anderen Parteien gar nicht.

Dr. Wolf-Peter Schill

Dr. Wolf-Peter Schill ist stellvertretender Leiter der Abteilung Energie, Verkehr, Umwelt am DIW Berlin und leitet den Forschungsbereich "Transformation der Energiewirtschaft". Seine Forschungsschwerpunkte sind die quelloffene Stromsektormodellierung und die Integration erneuerbarer Energien durch Energiespeicher und die Sektorenkopplung. Er publiziert regelmäßig in einschlägigen internationalen Fachjournals. Zuletzt war er Mitglied der Nationalen Plattform Zukunft der Mobilität, der ESYS-Arbeitsgruppe Wasserstoffwirtschaft 2030 und des Leibniz-Forschungsverbunds Energiewende.

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Martin Kittel

Martin Kittel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Energie, Verkehr, Umwelt am DIW Berlin und Doktorand im DIW Berlin Graduate Center sowie an der TU Berlin. Seine Forschungsschwerpunkte konzentrieren sich auf die modellbasierte Analyse der Dekarbonisierung der europäischen Strommärkte und Flexibilitätsoptionen zur Integration fluktuierender erneuerbarer Energien.

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Aktivitäten auf Bundesebene

Im Fokus steht insbesondere der sogenannte grüne Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wird. Dabei wird Wasser unter Einsatz von elektrischem Strom aus erneuerbaren Energien in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Klimaschädliche Emissionen fallen bei der Elektrolyse nicht an. Grundsätzlich könnte grüner Wasserstoff für verschiedenste Anwendungen in praktisch allen Sektoren genutzt werden und dort die Nutzung fossiler Kraft- und Brennstoffe ersetzen.

Vor gut einem Jahr hat die Bundesregierung ihre Nationale Wasserstoffstrategie vorgelegt. Sie enthält übergeordnete Ziele für den Markthochlauf von Wasserstoff in Deutschland, beschreibt verschiedene Entwicklungsbereiche und Handlungsfelder und nennt einige – mehr oder weniger konkrete – Maßnahmen. Für das Jahr 2030 wird ein Wasserstoffbedarf von 90 bis 110 TWh projiziert, von dem bis zu 14 TWh in Deutschland hergestellt werden sollen. Bis 2050 steigt dieser Bedarf auf bis zu 380 TWh. Dabei wird davon ausgegangen, dass nicht nur kurz-, sondern auch langfristig der überwiegende Teil des Wasserstoffbedarfs importiert werden muss. Grundsätzlich ist die Nationale Wasserstoffstrategie stark von technologie- und industriepolitischen Überlegungen geprägt. Die Frage nach der optimalen Rolle von Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem steht indes weniger im Fokus.

Auf Bundesebene gibt es darüber hinaus diverse Maßnahmen zur Förderung von Forschung und Entwicklung sowie Demonstration und Markthochlauf von Wasserstofftechnologien. Diverse Förderprogramme werden dabei von der bundeseigenen NOW GmbH koordiniert, insbesondere das Nationale Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP).

Seit Mitte 2020 berät zudem der Nationale Wasserstoffrat die Bundesregierung. Dieses Gremium besteht aus Expert:innen insbesondere aus Forschung, Wirtschaft und Zivilgesellschaft und verfasst Studien, Stellungnahmen und Positionspapiere, zuletzt unter anderem einen Aktionsplan für den Anschub des Markthochlaufs der Wasserstoffwirtschaft in Deutschland innerhalb der nächsten Legislaturperiode.

Wasserstoff: farblos, aber bunt

Auch wenn Wasserstoff ein farbloses Gas ist, hat er in der aktuellen Debatte viele Farben. Der Fokus der Nationalen Wasserstoffstrategie wie auch der meisten Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in Deutschland liegt auf grünem Wasserstoff aus Wasser-Elektrolyse. Andere potenziell treibhausgasneutrale Herstellungsverfahren auf Basis fossiler Brennstoffe, z.B. sogenannter blauer Wasserstoff (auf Basis von Erdgas, mit CO₂-Abscheidung und dauerhafter unterirdischer Lagerung) oder türkiser Wasserstoff (Methanpyrolyse, mit festem Kohlenstoff als Nebenprodukt) bleiben außen vor.

Ob und inwiefern auch sie im Rahmen eines Markthochlaufs zumindest übergangsweise genutzt werden sollten, wird kontrovers diskutiert. Umstritten ist dabei insbesondere, ob ein Teil der entstehenden Kohlenstoffemissionen kurz- oder langfristig doch in die Atmosphäre entlassen wird, und ob der Aufbau entsprechender Produktionsanlagen zu unerwünschten Pfadabhängigkeiten führt, bzw. ob sie zu Stranded Assets würden.

Gegenwärtig wird in diversen Industrieprozessen bereits Wasserstoff eingesetzt, in Deutschland im Umfang von ca. 55 TWh jährlich. Dabei handelt es sich in der Regel um konventionellen, sogenannten grauen Wasserstoff. Er wird auf Basis von Erdgas per Dampfreformierung ohne CO₂-Abscheidung hergestellt und hat aufgrund der hohen Emissionen keine Zukunft. Daneben gibt es noch einige weitere "Farbschattierungen" für andere Herstellungsprozesse von Wasserstoff, basierend auf teils anderen Ausgangsstoffen und mit verschiedenen Nebenprodukten.

Wasserstoffbasierte E-Fuels

Von Wasserstoff zu unterscheiden sind Syntheseprodukte, die auf Basis grünen Wasserstoffs in sogenannten Power-to-X-Prozessen (PtX) erzeugt werden können. Zu diesen Stoffen gehören synthetisches Erdgas sowie verschiedene flüssige Kraftstoffe, deren Herstellung auch als Power-to-Liquid (PtL) bezeichnet wird. Derartige Kohlenwasserstoffe werden aus grünem Wasserstoff und einer klimaneutralen Kohlenstoffquelle katalytisch synthetisiert. Als sogenannte E-Fuels können sie Erdgas sowie erdölbasierte Kraft- und Brennstoffe ersetzen.

In der energiepolitischen Debatte wird oft nicht klar getrennt zwischen reinen Wasserstoff-Anwendungen und solchen für E-Fuels. Auch in der Energiesystemanalyse werden beide Energieträger oft gemeinsam betrachtet. Zu beachten ist, dass es erhebliche Unterschiede sowohl bei der Energieeffizienz als auch beim Infrastrukturbedarf für Wasserstoff- bzw. E-Fuel-Anwendungen gibt. Auch die Treibhausgasemissionen können – je nach Strommix und Kohlenstoffquelle – sehr unterschiedlich ausfallen.