Grüner Wasserstoff – Der nachhaltige Energieträger – Eine Sekundärquelle
Grüner Wasserstoff ist eine zukünftige Schlüsseltechnologie, um unsere Industrie langfristig klimaneutral umzurüsten und zu dekarbonisieren. Denn er kann fossile Brennstoffe wie Öl, Gas oder Kohle in wichtigen Industriezweigen, wie der Stahlproduktion, ersetzen.
Generell kann Wasserstoff in verschiedenen Aggregatzuständen auftreten, in der Regel sprechen wir jedoch vom gasförmigen Wasserstoff H2. Allerdings gibt es Wasserstoff auch in flüssiger Form (LH2) oder in Feststoffform (dabei wird Wasserstoff in einem Feststoffmaterial gespeichert). Gasförmiger Wasserstoff ist geruch- und farblos, allerdings auch sehr leicht entflammbar. Weshalb spezielle Material- und Sicherheitseinrichtungen für die Betrieb notwendig sind.
Wichtig: Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger. Wir können Wasserstoff also nutzen, um Energie zu speichern und diese auch leicht zu transportieren. Somit ist Wasserstoff eine Sekundärquelle, die erst durch andere Energie erzeugt werden muss.
Grüner Wasserstoff – Unterschied zu Blauem und Grauem Wasserstoff
Wasserstoff wird als Nebenprodukt bei der Verarbeitung von fossilen Brennstoffen oder gezielt durch den Prozess der Elektrolyse erzeugt. Nur wenn bei der Elektrolyse Strom aus Erneuerbaren Energien eingesetzt wird, ist der erzeugte Wasserstoff klimaneutral – nur in diesem Fall sprechen wir von Grünem Wasserstoff.
Neben Grünem Wasserstoff gibt es noch andere Arten des Wasserstoffs, wie „Grauen“ und „Blauen“. Sie unterscheiden sich in ihrer Herstellung und haben unterschiedliche Kohlenstoff-Fußabdrücke. Diese geben Auskunft über ihren (negativen) Einfluss auf das Klima. Grauer Wasserstoff wird aus fossilem Erdgas hergestellt, wobei CO2 bei der Produktion anfällt. Diesem klimaschädlichen Effekt wird bei Blauem Wasserstoff entgegengesteuert, indem das anfallende CO2 aufgefangen und gespeichert wird.
Tatsächlich ist aktuell 95% des weltweit genutzten Wasserstoffs grauer Wasserstoff und somit nicht klimafreundlich! Die Dekarbonisierung der Industrie kann jedoch nur durch den Einsatz von Grünem Wasserstoff erfolgen.
Grüner Wasserstoff – So erzeugen wir ihn
Grüner Wasserstoff können wir nur durch Elektrolyse erzeugen. Bei der Elektrolyse wird Wasser (H2O) mit einer Flüssigkeit versetzt, die den Ionentransport ermöglicht. Durch Strom wird das Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt. Dabei wird die elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und im Wasserstoff gespeichert. Anschließend kann in einer Brennstoffzelle genau das umgekehrte Prinzip genutzt werden. Um die chemische Energie des Wasserstoffs wieder in elektrische Energie umzuwandeln, wird H2 mit Sauerstoff aus der Luft (O2) in Wasser umgewandelt. Dabei wird Energie frei.
Nur wenn der dabei genutzte Strom aus Erneuerbaren Energien stammt, also Solar-, Wind oder Wasserenergie, ist der ganze Prozess klimafreundlich. Auch deshalb brauchen wir für die Erzeugung von Grünem Wasserstoff und der Dekarbonisierung der Industrie große Mengen an Erneuerbaren Energien.
Grüner Wasserstoff – Wo wir ihn einsetzen sollten, und wo nicht
Der Einsatz und die Produktion von Grünem Wasserstoff muss gefördert und ausgebaut werden. Allerdings sind die Möglichkeiten der Produktion von Wasserstoff noch begrenzt, weil die Erneuerbaren Energien, vor allem bei uns in Bayern, noch nicht ausreichend ausgebaut sind. Somit darf Grüner Wasserstoff nur sehr bedacht in bestimmten Sektoren und Industrien eingesetzt werden. Da in manche Bereiche, wie in der Chemie- und Stahlindustrie sowie im Flugverkehr und der Schifffahrt, noch keine direkte Nutzung des Stroms möglich ist, sollte hauptsächlich hier der Grüne Wasserstoff zum Einsatz kommen. In diesen Bereichen werden einerseits sehr hohe Temperaturen verlangt, die über Wärmepumpen nicht erzeugt nicht erzeugt werden können, oder andererseits steht noch keine ausreichende Batterietechnik zur Verfügung, um Langstrecken bei Fahrzeugen zu überwinden.
In Bereichen, in denen die Prozesse gut elektrifiziert werden können, sollten wir den Strom direkt einsetzen. Der Grund dafür sind auch die sehr hohen Umwandlungsverluste bei der Elektrolyse. Denn bei der Umwandlung von elektrischer zu chemischer Energie und wieder zurück geht ein beträchtlicher Teil der eingesetzten Energie verloren.
Auch wenn Hubert Aiwanger und die Staatsregierung propagieren, dass Grüner Wasserstoff nun die Lösung für alles, auch fürs Heizen sei, ist sie doch realitätsfern. Grüner Wasserstoff ist, heute und noch lange Zeit dafür nicht ausreichend vorhanden und in der Wärmeerzeugung sowie in großen Teilen des Verkehrssektors energetisch nicht effizient und sinnvoll.
Grüner Wasserstoff – Warum er in der Wärmeerzeugung keinen Sinn macht
- Hohe Energieverluste bei der Umwandlung
Um mit Wasserstoff Wärme zu erzeugen, muss zunächst der Wasserstoff Mithilfe von erneuerbarem Strom erzeugt werden und dieser anschließend in Wärme umgewandelt werden. Dabei geht eine große Menge von Energie verloren. Wenn man mit 100% erneuerbaren Strom startet, wird beim Prozess der Elektrolyse nur noch ca. 67 % erhalten. Anschließend kann z.B. in einer Brennstoffzelle ebenso nur 90 % dieses Anteils umgesetzt werden. Somit werden am Ende nur 60 % des aufgewendeten Stroms als Nutzbare Wärme genutzt.
Ein Beispiel für die Berechnung für den Wärmebedarf eines unsanierten Einfamilienhauses: Bei einem Bedarf von ca. 40.000 Kilowattstunden benötigt man für die Herstellung des benötigten Wasserstoffes knapp 67.000 Kilowattstunden (40.000/0,6). Somit gehen 27.000 Kilowattstunden im Prozess der Umwandlung verloren.
Dem gegenüber steht die Wärmepumpe: Wärmepumpen haben bestimmte Jahresarbeitszahlen (JAZ), die angeben, wie effizient die Wärmepumpe arbeitet und liegt zwischen 3-5. Eine JAZ von 3 bedeutet, dass die Wärmepumpe durch die Aufnahme von 1 Einheit elektrischer Energie (1 kWh), 3 Einheiten Wärmeenergie (3 kWh) liefern kann. Umso höher die JAZ, umso höher die Effizienz der Wärmepumpe. Um den gleichen Wärmebedarf zu decken, braucht eine Wärmepumpe mit JAZ 3,4 nur ca. 12.000 Kilowattstunden (40.000/3,4).
Somit kann man sehen, dass die Wasserstoffheizungen jährlich einen 5-mal so hohen Strombedarf wie die Wärmepumpe haben und sich langfristig zu hohen Nebenkosten führen.
- Installierte Leitungen und Heizungen sind nicht H2-ready
Auch wenn von der Staatsregierung behauptet wird, dass wir die bereits installierten Erdgasleitungen und -heizungen problemlos auf Wasserstoff umstellen können, trifft das leider nicht zu.
Gerade die Gas-Verteilnetzleitungen sind nicht für das explosive Wasserstoffgas ausgelegt und können daher nicht ohne Anpassungen eingesetzt werden. Grundsätzlich gilt zwar ja, Erdgasleitungen können Wasserstoffgas transportieren, allerdings müssen einige wichtige Aspekte beachtet werden. Die Materialverträglichkeit, die Dichte, der Druck und die Reinheit der Leitungen müssen zunächst sorgfältig überprüft werden, ob diese kompatibel mit Wasserstoff sind. In vielen Fällen, gerade bei alten Leitungen, müssen diese vermutlich zunächst technisch angepasst werden, was ebenfalls mit hohen Kosten und Aufwand verbunden sein kann. Bei den großen Ferngasleitungen ist der Stahl dicker – diese sind i.d.R. H2-ready. Die dünneren Verteilnetze sind dies in aller Regel nicht und ein Austausch der Leitungen wäre nötig. Wer ohne diese technische Überprüfung Wasserstoffgas mit alten Erdgasleitungen transportieren möchtet, handelt hochgradig fahrlässig.
Das gleiche gilt ebenso für Erdgasheizungen. Alle aktuell installierten Gasheizungen sind in ihrem jetzigen Zustand nicht H2-ready und können somit nicht mit Wasserstoff betrieben werden. Diese müssen ebenso erst umgebaut und angepasst werden und somit müssen die Eigentümer*innen auch hier mit Kosten rechnen. Zusammen mit potenziellen hohen Wasserstoffkosten, kann sich die Wasserstoffheizung somit schnell zur Kostenfalle für Verbraucher*innen entwickeln.
Nicht kalkulierbare Kosten für Wasserstoff
Die Wasserstoffherstellung steckt noch in den Kinderschuhen. Auch wenn die Wasserstoffproduktion in den nächsten Jahren hochgefahren werden soll, kann aktuell niemand die genauen Preise einschätzen. Im schlimmsten Fall haben Haus- und Wohnungsbesitzer*innen ihre Gasheizungen für viel Geld in eine Wasserstoffheizung umbauen lassen um anschließend extrem hohe Abrechnungen zahlen zu müssen.
In der Wärmewende sind Wärmepumpen oder Wärmenetze langfristig die energetisch und finanziell sinnvolleren Technologien. Auch deshalb ist das Gebäudeenergiegesetz von Robert Habeck so wichtig: damit sollen Hauseigentümer*innen vor Fehlinvestitionen geschützt werden.
Grüner Wasserstoff – Warum er im Verkehrssektor nur bedingt Sinn macht
Langfristig wollen wir auch im Verkehrssektor weg von den Verbrennern, die mit fossilem Brennstoff betrieben werden. Mit Grünem Wasserstoff fahren, das ist in der Theorie definitiv möglich, aber auch hier stellt sich die Frage nach energetischer Effizienz und Kosten.
Aus Wasserstoff kann synthetischer Sprit hergestellt werden. Es gibt dabei drei Wege: zum einen kann Wasserstoff getankt werden und dann über eine Brennstoffzelle Strom erzeugt werden. Dieser Strom wird dann in einer Batterie zwischengespeichert und ein Elektromotor sorgt für den Antrieb. Somit sind Wasserstoffautos streng genommen ebenso Elektroautos. Ein PKW kommt mit einem Kilo Wasserstoff circa 100 km weit. Das Problem hierbei ist jedoch, dass der Strom nicht direkt in das Auto geladen wird, sondern zunächst für die Produktion von Wasserstoff eingesetzt wird. Bei diesem Prozess liegt der Wirkungsgrad lediglich bei 28-35%, somit geht eine große Menge, der Prozess-Energie verloren. Im Vergleich dazu kann ein Elektroauto ca. 70-75 % des aufgewendeten Stroms nutzen. Folglich braucht ein Wasserstoff Auto 2-3 mal so viel Strom wie ein E-Auto. Expert*innen bezeichnen die Nutzung von Wasserstoffautos somit “ineffizient und ökologisch wenig sinnvoll.”
Möglichkeit 2 ist die Verbrennung des gasförmigen Wasserstoffes in einem Verbrennungsmotor. Dieses Verfahren ist nochmals ineffizienter, da der Verbrennungsmotor einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad wie die Brennstoffzelle + E-Motor hat.
Und die dritte Möglichkeit ist, aus Wasserstoff synthetischer Sprit herzustellen (E-Fuels). Dieser Prozess ist extrem energieaufwendig. Mit der gleichen Menge an Strom, die man benötigt, um synthetischen Sprit für ca. 100 km herzustellen, kann ein Elektromobil circa 700 km weit fahren. Somit haben wir ein Verhältnis 1:7 der eingesetzten Strommenge bei der Mobilität.
Wasserstoff im Verkehrssektor macht dann Sinn, wenn kein direkter Einsatz des Stroms durch E-Fahrzeuge möglich ist, wie bei der Schifffahrt oder im Luftverkehr oder bei Fahrzeugen, die regelmäßig sehr weite Strecken zurücklegen müssen, wie Langstecken-LKWs.
Grüner Wasserstoff – Was jetzt passieren muss
Die Dekarbonisierung der verschiedenen Sektoren kann nur durch den Einsatz von Grünem Wasserstoff gelingen. Für diesen werden wir eine hohe zusätzliche Menge an erneuerbaren Energien benötigen. Das heißt, wir müssen den Ausbau von Sonne und Wind massiv vorantreiben, da der Bedarf weiter steigen wird.
Der Vorteil von Wasserstoff ist, dass er Energie speichern kann und leichter zu transportieren ist. Wasserstoff kann auch aus anderen Ländern importiert werden. Allerdings ist die Produktion weltweit noch nicht besonders gut ausgebaut, die Transportmöglichkeiten beschränkt. Aus diesem Grund ist aktuell unklar, wie viel Wasserstoff in den nächsten Jahren bereitsteht und wie dieser verteilt werden kann. Außerdem haben wir durch den russischen Angriffskrieg auf die Ukraine gelernt, wie gefährlich und fragil die Abhängigkeit von Energieimporten sein kann.
Sich nun nur auf Wasserstoff als die Lösung aller Probleme zu konzentrieren, wie es aktuell Hubert Aiwanger und andere konservative Politiker*innen fordern, ist nicht nur realitätsfremd, sondern gefährdet auch den Wirtschaftsstandort Bayern. Als bayerischer Wirtschaftsminister so realitätsfern zu handeln und sich den Meinungen von Expert*innen zu widersetzen ist fahrlässig und darf so nicht hingenommen werden. Politik hat die Aufgabe zu gestalten und Lösungen anzubieten und sich nicht nur mit den einfachen Themen auseinander zu setzen und unrealistische Lösungen anzubieten.
Grüner Wasserstoff - Resümee
Wasserstoff hat viele Vorteile. Er kann elektrische Energie speichern, kann sogenannten Überschussstrom nutzen, wenn Sonne und Wind ihre Spitzen produzieren. Doch Grüner Wasserstoff ist in der Herstellung sehr energieintensiv. Er ist kostbar und sollte gezielt nur dort eingesetzt werden, wo er am dringendsten benötigt wird. Wo ein Prozess auch gut elektrifiziert werden kann, ist der direkte Einsatz von grünem Strom bei weitem sparsamer.
Wir wissen nicht sicher, wie viel grüner Wasserstoff in den nächsten Jahren in Bayern erzeugt oder importiert werden kann. Wir müssen uns daher technologisch möglichst breit aufstellen. Das bedeutet, wir müssen die heimische Energieerzeugung fördern: Wind- und Solarenergie ausbauen und die Geothermie weiter vorantreiben. Das alles haben wir mit diversen Anträgen im Bayerischen Landtag eingefordert. Die Gesetzesinitiativen von Robert Habeck setzen zudem wirkungsvoll den bundespolitischen Rahmen. Um unser Klima und den Wirtschaftsstandort Bayern auch in Zukunft zu schützen.
Wir brauchen realistische Taten – nicht leere Versprechungen!
