Wasserstoff für die Energiewende
Das Erdöl von morgen
Wasserstoff wird eine wichtige Rolle spielen, um Deutschland in 30 Jahren treibhausgasneutral zu machen. Bild: Shutterstock / petrmalinak
Wasserstofftechnologien sind für den Erfolg der Energiewende in Deutschland unverzichtbar. Helmholtz-Forscher arbeiten schon lange daran, den vielseitigen Energieträger ganzheitlich nutzbar zu machen. Die Bundesregierung will mit dem Konjunkturpaket und einer Nationalen Wasserstoffstrategie einen großen Schritt in Richtung Zukunft machen.
Deutschland hat sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 klimaneutral zu werden. Das geht nur mit einem breiten Mix aus Technologien zur Energieerzeugung, -nutzung und -speicherung. Wasserstoff wird dabei im Mittelpunkt stehen, das ist jetzt schon klar. Der Energieträger verbrennt schadstofffrei, ist vielseitig einsetzbar sowie gut speicher- und transportierbar. Das Problem: Bisher wird Wasserstoff noch überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Erdgas hergestellt. „Für die Energiewende brauchen wir mittel- bis langfristig CO2-freien Wasserstoff in der ganzen Bandbreite seiner Möglichkeiten,“ verkündete die Bundesregierung Ende 2019 mit Blick auf eine Nationale Wasserstoffstrategie. Diese soll Deutschland laut Konjunkturpaket „bei modernster Wasserstofftechnik zum Ausrüster der Welt“ machen und die Versorgung mit CO2-freiem Wasserstoff sichern. Nun hat das Bundeskabinett die Nationale Wasserstoffstrategie mit mehrmonatiger Verspätung verabschiedet.
Rolle von Wasserstoff in der Energiewende
Wasserstofftechnologien können die Energiewende in vier Bereichen voranbringen. Erstens können sie die Lücke zwischen der schwankenden Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und der stetig wachsenden Nachfrage nach grünem Strom überbrücken. Mit der Energie aus Solar- oder Windkraftanlagen wird Wasserstoff aus Wasser chemisch erzeugt. Flüssiger Wasserstoff lässt sich gut speichern und transportieren und bei Bedarf wieder in Energie umwandeln. Diese Verfahren ermöglichen es zweitens, die Energiesektoren Strom, Wärme, Industrie und Verkehr zu koppeln. Beispielsweise kann die Industrie bei einem Überangebot an erneuerbarem Strom zusätzlich Wasserstoff herstellen, der etwa zum Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet wird. Drittens kann Wasserstoff in industriellen Produktionsprozessen kohlenstoffhaltige Energieträger ersetzen, etwa bei der Herstellung von Stahl oder chemischen Grundstoffen. Und Wasserstoff könnte viertens sogar genutzt werden, um CO2-Emissionen überall dort, wo sie unvermeidbar sind, in synthetische Kraftstoffe und Chemikalien umzuwandeln. Synthetische Kraftstoffe sind gut speicherbar und können zum Beispiel im Schiff- und Flugverkehr verwendet werden, wo elektrische Antriebe nicht infrage kommen. Jedoch ist ihre Herstellung bisher sehr teuer und aufwändig und erfordert große Mengen an erneuerbaren Energien. Deshalb entwickeln das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Forschungszentrum Jülich chemische Reaktortechnologien, mit denen Wasserstoff und CO₂ dezentral in synthetische Energieträger und chemische Wertstoffe umgewandelt werden können.
Nationale Wasserstoffstrategie
Diese vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsfelder will die Bundesregierung mit der Nationalen Wasserstoffstrategie flankieren – mit dem Ziel, Deutschland zu einem globalen Vorreiter bei Wasserstofftechnologien zu machen. Verschiedene Ministerien haben einen systemischen Ansatz entwickelt, der Erzeugung, Transport, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff kombiniert und dabei auch internationale Dimensionen bedenkt. „Wenn die Weichen nun richtig gestellt werden, kann Deutschland zu einem führenden Anbieter von Technologien werden, um diesen Rohstoff zu nutzen“, sagt Detlef Stolten, Direktor des Instituts Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3) am Forschungszentrum Jülich. „Durch die Entwicklung unterschiedlicher Anwendungen, die sich bald in großem Maßstab einsetzen lassen, kann Wasserstoff sowohl fossile Brennstoffe ersetzen als auch die enormen Potenziale erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Sonne in neuen Dimensionen nutzbar machen.“
Die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung
Die Energiewende soll neben erneuerbaren Energien und der Steigerung der Energieeffizienz mit Wasserstoff eine weitere Säule erhalten. Dafür hat die Bundesregierung eine Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Insgesamt neun Milliarden Euro sollen den Energieträger marktfähig machen. Ziel ist, Deutschland zum weltweit führenden Ausrüster für moderne Wasserstofftechnologien zu machen. Bis zum Jahr 2030 sollen industrielle Produktionsanlagen von bis zu 5 Gigawatt Leistung in Deutschland entstehen; weitere 5 Gigawatt sollen bis 2035 folgen.
Nationale Wasserstofftstrategie (Download)
Wichtiger Baustein für die Transformation des Energiesystems
Um Wasserstofftechnologien marktfähig zu machen, ist jedoch noch viel zu tun. „Die Infrastruktur des deutschen Energiesystems muss grundlegend umgestaltet werden, wenn wir die Klimaziele der Bundesregierung bis 2050 erreichen wollen“, sagt Stolten. Das IEK-3 hat Ende 2019 eine Studie erstellt, die hierfür erfolgversprechende Wege skizziert. In der Zwischenzeit hat die Bundesregierung das Klimaschutzgesetz verabschiedet, das das Ziel der Treibhausgasneutralität festschreibt. Zuvor waren die Klimaschutzziele darauf ausgelegt, die Treibhausgasemissionen in Deutschland bis zum Jahr 2050 um 80 bis 95 Prozent im Vergleich zu 1990 zu senken. „Es macht einen erheblichen Unterschied, dass Deutschland nun in 30 Jahren klimaneutral werden will“, betont Stolten. Dazu seien einige der bisher erwogenen Maßnahmen unter Umständen sogar kontraproduktiv. „Um die finanziellen Mittel effizient einzusetzen, sollten Wirtschaft und Politik mittelfristige Minderungsstrategien und die damit verbundenen Investitionsmaßnahmen ab sofort konsequent auf dieses Ziel ausrichten.“
Rückgrat der zukünftigen Stromversorgung sind laut Studie Windkraft und Photovoltaik: Gegenüber heute wäre bis 2050 die installierte Windkraftkapazität um den Faktor 4 und die Photovoltaikleistung um den Faktor 3,7 zu steigern. Eine wichtige Rolle spielt ebenso der Einsatz von Wasserstoff. Die Nachfrage im Jahr 2050 beliefe sich auf etwa 12 Millionen Tonnen, die zu mehr als 50 Prozent aus heimischer Produktion und zusätzlich durch Importe gedeckt werden würde.
Das Forschungszentrum Jülich hat in einer Studie untersucht, wie der Umbau des deutschen Energiesystems effizient und wirtschaftlich vorteilhaft gestaltet werden kann. Grafik: Forschungszentrum Jülich
Wasserstoff: Eine Farbenlehre
In der Industrie wird Wasserstoff als Energiequelle zwar bereits genutzt, vor allem in Branchen mit hohem Verbrauch wie der chemischen Industrie. Doch die Ressource wird heute überwiegend aus fossilen Energieträgern gewonnen, allen voran durch ein Verfahren namens Dampfreformierung aus Erdgas – dabei entsteht Kohlendioxid, das in den meisten Fällen an die Atmosphäre abgegeben wird. Von diesem „grauen“ wird „blauer“ Wasserstoff unterschieden, den man zwar auch aus fossilen Quellen erstellt, das CO2 jedoch abtrennt und unterirdisch speichert (Carbon Capture and Storage, kurz CCS). „Türkisfarbener“ Wasserstoff wiederum entsteht durch die thermische Spaltung von Methan, die sogenannte Methanpyrolyse. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. „Nur grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser oder Wasserdampf mit erneuerbarem Strom erzeugt wird, ist langfristig sinnvoll, da alle anderen Ansätze nicht nachhaltig sind“, betont Roland Dittmeyer, Leiter des Instituts für Mikroverfahrenstechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Blauer Wasserstoff sollte so kurz wie nur möglich als Übergangstechnologie genutzt werden.“ Diesen Ansatz verfolgt auch die Bundesregierung mit ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie.
„Blauer Wasserstoff sollte so kurz wie nur möglich als Übergangstechnologie genutzt werden.“
Neuer Kraftstoff für die alte Infrastruktur
Neue Technologien für die verschiedenen Baustellen der Energiewende entwickeln Helmholtz-Forscher in vielen Demonstrations- und Pilotvorhaben. Die Forschung umfasst dabei das ganze Spektrum von den Grundlagen bis zur Anwendung sowie die gesamte Wertschöpfungskette. Mit Blick auf Gütertransport und Langstreckenmobilität kooperieren etwa das Forschungszentrum Jülich, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und das KIT mit weiteren Partnern im Kopernikus-Projekt Power-to-X: „Wasserstoff kann mit CO2 in Kraftstoffe umgewandelt werden, die im Gegensatz zu Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge keine spezielle neue Infrastruktur benötigen“, erläutert Dittmeyer. „Stammt das CO2 dafür aus der Atmosphäre oder aus unvermeidbaren Quellen, die nicht der Strom- und Wärmeerzeugung dienen, lässt sich ein Nutzungskreislauf aufbauen, der keine zusätzlichen CO2-Emissionen verursacht.“ Eine integrierte Versuchsanlage im Containermaßstab stellt bereits Kraftstoffe aus CO2, der Luft und Ökostrom her.
Der Wasserstoff, den Deutschland für die Energiewende benötigt, kann jedoch nicht vollständig im Land erzeugt werden. „Aktuell importieren wir nahezu alle fossilen Energieträger, aus denen wir den heute benötigten Wasserstoff erzeugen“, sagt Christian Sattler, Leiter der Abteilung Solare Verfahrenstechnik am DLR-Institut für Solarforschung. „In Zukunft werden wir einen großen Teil der synthetischen Kraftstoffe und Wasserstoff importieren, müssen dabei aber darauf achten, dass diese nachhaltig produziert werden.“ Die Bundesregierung sucht hierfür „verlässliche internationale Partner – mit Schwerpunkt EU“ und möchte entsprechende Kooperationen und Importstrukturen aufbauen.
Wasserstoffforschung im Kopernikus-Projekt PtX. Grafik: Projektträger Jülich im Auftrag des BMBF
Visualisierung des neuen Solarturms der DLR-Solarforschung in Jülich. Bild: DLR
Um die Technologien zu entwickeln und zu testen, bauen Forscher des Instituts in Jülich derzeit einen zweiten Solarturm. Damit werden die Testkapazitäten für solarthermische Technologien deutlich erhöht. Bereits seit 2011 ist der erste Turm in Betrieb – doch dessen Leistung kann die große Nachfrage kaum noch decken. Die rund 2.000 Spiegel vor den beiden Türmen bündeln das auftreffende Sonnenlicht ähnlich wie eine Lupe und reflektieren es zu einem Wärmeempfänger in einem der Türme, zum Beispiel zu einem Reaktor zur Wasserstofferzeugung. Mit Temperaturen von bis zu über 1.000 Grad kann dort aus Wasserdampf der enthaltene Wasserstoff abgetrennt werden. Solche Anlagen könnten künftig in den großen Wüsten nahe der Wendekreise Wasserstoff produzieren, der per Schiff nach Deutschland transportiert würde. Werden alle Potenziale für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen in Deutschland und Europa genutzt, ließe sich der Anteil importierter Energieträger an der Gesamtbilanz in Zukunft senken. Der Handel mit – dann nachhaltig produzierten – Energieträgern bleibt dennoch ein wichtiger Bereich der Weltwirtschaft. So wird Wasserstoff zum Erdöl von morgen.
Jetzt sollte es schnell losgehen
„Weil Industrie und Politik an einem Strang ziehen“, sieht Sattler Deutschland mit der Wasserstoffstrategie auf einem guten Weg. In den vergangenen Jahren seien beträchtliche Fortschritte erzielt worden, das Bewusstsein und Verständnis für die große Aufgabe gewachsen. Für die nächsten Schritte könne man auch anderswo lernen: „Kalifornien ist ein gutes Vorbild bei der Mobilität, Korea bei der Stromversorgung über Brennstoffzellen, Japan beim Ausbau der Infrastruktur fürs Tanken.“
Die drei Helmholtz-Forscher sind sich einig: Mit der Wasserstoffstrategie fällt in Deutschland endlich der Startschuss – nun wird es höchste Zeit, schnellstmöglich loszulegen.
Wasserstoff: Forschungsaktivitäten der Helmholtz-Gemeinschaft
Die Energiewende gehört zu den großen gesellschaftlichen Herausforderungen, für die die Helmholtz-Gemeinschaft Lösungen erarbeitet – und zwar mit einem langfristigen und ganzheitlichen Ansatz. Rund 600 Mitarbeiter in zehn Helmholtz-Zentren forschen an Wasserstofftechnologien. Das Spektrum reicht von den Grundlagen bis zur Anwendung und umfasst die gesamte Wertschöpfungskette. Die Wissenschaftler betreiben aber nicht nur technologische Forschung, sondern führen auch systemanalytische und sozioökonomische Studien durch, um das Energiesystem im Hinblick auf die technologische Ausrichtung und einschließlich aller gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Aspekte zu optimieren.
Der Kompetenzatlas Wasserstoff fasst die wasserstoffbezogenen Forschungsaktivitäten der Helmholtz-Zentren übersichtlich zusammen.
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