Als „Champagner der Energiewende“ wurde Wasserstoff (H2) bezeichnet und auch im Bereich der Mobilität oder auch der Wärmeversorgung wurden große Hoffnungen mit diesem besonderen Element verbunden.
Mittlerweile gibt es mehr Negativberichte rund um H2, die meisten Projekte sind ins Stocken geraten oder wurden gestoppt … und das ist verständlich. Die Hoffnungen waren komplett überzogen. Warum das so ist, soll nachfolgend beschrieben werden.
Dieses Verständnis, wo ist der Einsatz von H2 sinnvoll und wo nicht, ist deswegen wichtig, weil es dann gelingen kann, die knappen Finanz- bzw. Fördermittel auf die Projekte mit echter Perspektive zu lenken und Verschwendung von Steuergeldern zu stoppen.
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Wasserstoff, das Molekül und besondere Eigenschaften
H2 ist das kleinste Molekül. Das verursacht enorme Probleme, weil dieses winzige Molekül in die allermeisten Metalle eindringen und das Metall zunehmend schädigen kann.
H2 ist sehr explosiv, besondere technische Vorkehrungen sind zu treffen, um das Risiko eines Schadens zu vermeiden.
H2 hat in flüssiger Form einen sehr hohen Brennwert, in einem Liter oder in einem kg ist sehr viel Energie enthalten. Anders im gasförmigen Zustand: weil H2 eine so große Ausdehnung besitzt, ist der Energieinhalt pro m3 sehr gering (was als Heizgas von Bedeutung ist, s.u.).
H2 kann nur bei extrem niedrigen Temperaturen von -253 °C verflüssigt werden (MINUS 253 °C). Um es dann bei Raumtemperatur flüssig zu halten, sind sehr hohe Drücke von z.B. 700 bar erforderlich (wie im Tank eines H2-Autos).
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5x teuer
H2 ist auf Grund seiner soeben beschriebenen speziellen chemisch-physikalischen Eigenschaften deshalb 5-fach teuer: bei der Erzeugung, dem Transport, der Lagerung, der Verteilung sowie bei der Anwendung.
Vor einigen Jahren war man noch davon ausgegangen, dass H2 in den 2030er Jahren für Kosten von 1-2 €/kg verfügbar sein wird. Diese Annahmen ist z.B. auch eine wichtige Annahme der NWS (Neuen Wasserstoffstrategie) der Ampel-Regierung gewesen.
Mittlerweile ist deutlich, dass H2 auch langfristig teuer bleiben wird, deutlich teurer als Erdgas und auch deutlich teurer als andere Energieträger wie z.B. Elektrizität. Optimisten hoffen nun, dass die Kosten irgendwann deutlich unter 10 €/kg liegen werden, weniger als 5 €/kg sind in Deutschland nicht realistisch.
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Beispielhafte Konsequenzen des hohen Preises
Mobilität
Fahrzeuge mit H2-Antrieb benötigen dazu eine Brennstoffzelle, diese „verbrennt“ den Wasserstoff, elektrische Energie wird erzeugt und damit das Fahrzeug angetrieben
Das Problem: Dieser Antrieb bzw. diese technische Anlage ist deutlich komplexer als der elektrische Antrieb und wird deshalb auch immer deutlich teurer bleiben. Alleine der H2-Tank mit 700 bar Druck (um den H2 flüssig zu halten) ist ein sehr teurer anspruchsvoller Apparat. Es werden also beides, die Investitionskosten und die Betriebskosten deutlich teurer sein und bleiben als bei einem E-Fahrzeug.
Beim E-Auto wird der Grünstrom getankt und das Fahrzeug über den E-Motor angetrieben,
Beim H2-Auto muss aus dem Grünstrom via Elektrolyse zuerst H2 hergestellt werden; dieser wird getankt; die Brennstoffzelle im Auto erzeugt aus dem H2 dann Strom und dieser treibt wieder einen E-Motor an. Dieser Vergleich zeigt deutlich das wesentlich komplexere und damit auch in der Anschaffung teurere H2-Fahrzeug.
Eine Konsequenz dieses komplexen Prozesses ist auch der geringe Wirkungsgrad der H2-Fahrzeuge von unter 20%, da jede Stoffumwandlung Verluste bedeutet. Bei H2-Autos können damit nur knapp 20% der eingesetzten Energie für den eigentlichen Zweck, dem Antrieb der Räder, genutzt werden. Zum Vergleich: dieser Gesamtwirkungsgrad bei vollelektrischen Autos (BEV) beträgt 70 – 80%, also dreimal so viel.
Bis auf wenige Anwendungen haben H2-Antriebe im Bereich der Mobilität also keine Perspektive und werden vom Markt verschwinden.
Dass BMW vom BUND und der Bayer. Landesregierung 270 Mio.€ Förderung zur Entwicklung eines H2-Autos erhält, ist eine schlimme Verschwendung von Steuergeldern. Noch immer kündigt BMW den H2-X5 für 2028 an.
Das wird nicht passieren, es gibt keine Perspektive für solch ein Auto und BMW wird demnächst, so meine überzeugte Einschätzung, den Rückzug kommunizieren, das Projekt einstampfen. Um den Gesichtsverlust auch der politischen Unterstützer zu wahren, werden wenige Autos gebaut, um dann (überrascht) festzustellen, dass es mittlerweile keine H2-Tankstellen mehr gibt und ja ansonsten die anderen (die Politik, die Industrie …) nicht mehr mitgezogen hätten.
Wärmeversorgung
Es gibt immer noch Berichte wie z.B. zur kommunalen Wärrmeplanung (auch im Endbericht unserer Stadt), dass Wasserstoff zum Heizen eingesetzt werden könnte.
Klare Meinung: das wird nicht passieren, weil der Wasserstoff dafür viel zu teuer und in reiner Form wieder zu aggressiv ist. Dem Erdgas etwas beimischen ist kein Problem, bringt aber nichts, wenn weiterhin hauptsächlich Erdgas verbrannt wird. Dass in den von den Kommunen beauftragten Studien zahlreicher Ingenieurbüros zur Wärmeplanung Wasserstoff als Alternative steht (die vorhandenen Erdgasleitungen können dann ja weiter genutzt werden), widerspricht jeglichem Sachverstand.
Industrie
In der Chemie wird H2 als Rohstoff benötigt, um das eigentlich Produkt, z.B. H2O2 (Wasserstoffperoxid) herzustellen. Dafür wird aktuell „Grauer H2“ eingesetzt, der auf der Basis fossiler Rohstoffe gewonnen wurde. Die Produktion mit teurem „Grünen H2“ macht das Produkt zu teuer, wäre international nicht mehr wettbewerbsfähig. Ohne sehr günstigen Grünen H2 droht die Verlagherung dieser Produktion in Länder, die deutlich günstiger Grünen H2 herstelleen können, das sind die sonnentreichen Länder.
Für Stahl gilt dfas gleiche: die Umrüstung der Hochöfen auf H2 kostet sehr viel Geld, es geht um Milliarden. Das wäre vielleicht zu verkraften, wenn die Betriebskosten niedrig wären. Sind diese mit Grünem H2 aber auch sehr hoch, ist der hier produzierte Stahl nicht mehr wettbewerbsfähig.
Infrastruktur
Bestandteil der NWS (Neue Wasserstoffstrategie) der Ampelregierung (welche nochj nicht revidiert wurde) ist u.a. das H2-Kernnetz, also ein H2-Pipelinesystem in Deutschland mit insgesamt mehr als 9000 km Länge. Dabei wurde unterstellet, dass weite Teile Deutschlands mit H2 versorgt wird, also vor allem in allen relevanten Industriezentren.
Bei bleibenden hohen H2-Kosten pro kg lohnen sich zahlreiche Projekte in verschiedenen Regionen nicht, das H2-Kernnetz ist demnach deutlich überdimensioniert. Solange diese Pläne um das Kernnetz Bestand haben, während immer mehr Marktakteure zweifeln, resultiert Unsicherheit und damit wird ein Kreislauf angeheizt, der letztendlich den sinnvollen H2-Hochlauf verhindert.
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Die „Wasserstoffleiter“ hilft bei der Priorisierung
Die erfolgreiche Nutzung von H2 kann aus meiner Sicht nur dann gelingen, wenn das Engagement auf die erfolgversprechenden Anwendungen konzentriert wird UND !!! die anderen Engagements gestoppt werden.
Das bekannteste und sehr hilfreiche Konzept dazu stammt von Michael Liebreich: die Wasserstoffleiter, in engl. die „Hydrogen Ladder“.
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Ganz oben in der „Leiter“ stehen die Anwendungen, bei denen H2 ohne Alternative ist, das sind chemische Herstellungsverfahren wie z.B. die Hydrierung (Hydrogenation).
Darunter in grün kommen dann Anwendungen, die nach heutigem Stand der Technik günstiger auf der Basis von Biogas / Biomethan versorgt werden. Beispiel sind Offroad-Fahrzeuge (Off-road vehicles) oder Langstreckenflüge (Long-haul aviation).
In gelb dann Anwendungen, für die elektrische Energie am günstigsten ist. Dazu zählen mittlerweile auch Schwerlast-LKW oder Langstrecken-LKW (Long distance trucks and coaches). Und selbst die Zukunft von Grünem Stahl sehen die Autoren mittlerweile gelb, also zukünftig durch den Einsatz von elektrischer Energie hergestellt.
Ausblick:
Diese Leiter (aktuell Version 5.0) wird regelmäßig angepasst, eben weil sich auf Grund des technischen Fortschritts oder globaler Veränderungen die Kosten verändern. Ein Trend der letzten Jahre ist deutlich: der „gelbe Bereich“ wird immer größer, der für H2-Anwendungen immer kleiner. Durch die rasanten Erfolge in der Photovoltaik und der Speichertechnik ist elektrischer Strom deutlich günstiger und die Potenziale für Elektrifizierung immer größer geworden.
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Wichtige und auch interessante Anwendungen
Es gibt also wichtige Prozesse, bei denen es keine Alternative zu Grünen H2 gibt. Wenn sich die Anstrengungen auf diese Anwendungen konzentrieren würde, wären relevante Fortschritte und damit auch ein Vertrauensgewinn möglich.
Werden hingegen weiterhin Mobilitätsprojekte gefördert, welche auf der H2-Leiter im unteren Bereich liegen (wie das H2-Auto von BMW), dann schadet das letztendlich der Wettbewerbsfähigkeit unseres Landes, indem die Finanzmittel bei den wichtigen Anwendungen fehlen.
P2G (Power-to-Gas) – H2 aus Überschuss an Erneuerbarer Energie gewinnen
Die Idee ist sehr gut: haben wir aus PV / Windenergie einen Überschuss an Strom, der nicht in die Netze eingespeist werden können, erzeugen wir mit diesem Überschussstrom Wasserstoff. Dieser H2 entsteht bei einer Elektrolyse aus Strom und Wasser.
Das Problem: wirtschaftlich ist dieses Verfahren nur dann, wenn die Laufzeit der Elektrolyseure mindestens 4.000 – 5.000 Stunden pro Jahr beträgt.
Ein wichtiges Projekt dazu ist H2MARE: hier wird versucht, die Elektrolyseure im Meer durch den Strom aus Offshore-Windanlagen mit Strom zu versorgen, weil die Wandräder im Meer meistens laufen.
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H2-Derivate und Transport
Schon immer war geplant, den Großteil den in D gebrauchten H2 zu importieren, weil dieser in den sonnenreichen Ländern (günstiger grüner Solarstrom) mit niedrigen Kosten produziert werden kann.
Dabei spielt eine wichtige Rolle, ob diese Länder innerhalt oder ausserhalb der EU liegen, einfach um riskante Abhängigkeiten (sind z.B. die politischen Verhältnisse in einem afrikanischen Land stabil) zu vermeiden.
Reinen H2 in verflüssigter Form über längere Distanzen zu transportieren ist wirtschaftlich nicht möglich. Auf dem Weg zu uns würde zu viel H2 verdampfen, weil die Spezialbehälter über eine längere Strecke nicht dauerhaft bei den extrem niedrigen Temperaturen gehalten werden können.
Daher besteht der bevorzugte Weg darin, „H2-Derivate“ zu importieren. Das sind chemische Moleküle, die relativ viel H2 enthalten und die dann hier bei uns wieder aufgespalten werden, um den reinen H2 zu gewinnen.
Die wichtigsten H2-Derivate sind: Ammoniak (NH3), Methanol (CH3OH) oder die sog, LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier).
Beispiel:
- im H2-Produktionsland, z.B. Nigeria, wird im ersten Schritt H2 hergestellt
- im 2. Schritt dann daraus Ammoniak;
- der Ammoniak kann anschließend relativ leicht zu uns transportiert werden
- in Deutschland muss der Ammoniak dann aufgespalten („gecrackt“) werden: 2 NH3 –> N2 + 3 H2
- der freigewordene H2 kann dann eingesetzt werden, direkt als Gas oder nach einer Verflüssigung als Flüssigkeit
Natürlich und leicht zu erkennen: diese ganze Prozesskette ist aufwändig und teuer (und muss in ghleicher Weise für die anderen Derivate Methanol und LOHC angewendet werden). Gleichwohl ist das die einzige Möglichkeit, ausreichend viel Grünen H2 hier nach Deutschland zu bekommen.
Die Forschung hierzu ist also wichtig, favorisiert wird aktuell Ammoniak als „H2-Vehikel“.
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Alternativen zum Import von H2-Derivaten: Gaspipeline und SMR
Gaspipeline Spanien
Eine attraktive Alternative zum Import von Grünem H2 ist eine Pipeline von Spanien (und / oder Marokko übeer Spanien) zu uns nach Deutschland. In Spanien und Nordafrika gibt es sehr viele Sonnenstunden, damit kostengünsastigen Solarstrom, aus dem sich relativ günstig H2 herstellen lässt.
Der gasförmige H2 kann dann über eine Pipeline analog zu Erdgas zu uns transportiert werden. Wegen der Gefährlichkeit von H2 ist so eine Pipeline deutlich teurer als eine Erdgas-Pipeline, wäre aber immer noch günstiger, als den H2 hier bei uns zu produzieren.
Aktuell liegen die Planungenm dazu auf Eis, selbst innerhalb der EU sind die Hürden sehr hoch, so eine transnationale Pipeline zu errichten. Ein Grund dafür ist z.B., dass Frankreich lieber Atomstrom dazu nutzen möchte.
Atomstrom aus SMR
Wie betreits beschrieben arbeiten die Elektrolyseure dann wirtschaftlich, wenn diese rund um die Uhr laufen. Damit muss dann aber zuverlässig sehr viel Strom dauerhaft zur Verfügung stehen. Diesen Strom könnten Atomkraftwerke liefern, ob als Großreaktoren oder in kleinerer Form als SMR (Small Modular Reactor).
In der Tat ist die Versorgung mit H2 aktuell eines der Hauptargumente der Atomknraftbefürworter. Atomstrom ist in der EU als „grün“ eingestuft, damit auch der resultierende H2. Auf den unterschiedlichsten Ebenen wird also mit diesem Argument dafür geworben, doch wieder in die Atomenergie einzusteigen.
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An dieser Stelle soll zum Thema Atomenergie nicht weiter eingegangen werden, das habe ich mehrfach an anderer Stelle getan. Das Thema aber bleibt: wie kommt Deutschland kostengünstig zu grünem Wasserstoff.
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Noch Fragen?
Welche weiteren Fragen zum Thema gibt es, bitte gerne zusenden unter: christian.blaufelder@gruene-miltenberg.de