Die Hierarchie des grünen Wasserstoffs

In diesem Artikel beleuchten wir praxisnahe und umsetzbare Anwendungen von Wasserstoff – mit besonderem Fokus auf grünen bzw. emissionsarmen Wasserstoff sowie wasserstoffbasierte Derivate, die sogenannten E-Fuels. Wir empfehlen, den Einsatz dort zu priorisieren, wo bereits eine konkrete Nachfrage besteht – etwa im Schwerlastverkehr, in der Düngemittelproduktion und in schwer elektrifizierbaren Industriesektoren. In diesen Bereichen fehlen bislang praktikable Alternativen zu Wasserstoff und E-Fuels.

Für eine flächendeckende Nutzung von grünem Wasserstoff ist der Ausbau erneuerbarer Energien unerlässlich. Nur so lässt sich ausreichend bezahlbare grüne Energie bereitstellen – sowohl für die Produktion von Wasserstoff und E-Fuels als auch für die direkte Elektrifizierung, ohne diese auszubremsen. Auch wenn sich die Rahmenbedingungen durch eine breitere Verfügbarkeit von Ökostrom oder durch Kapazitätsengpässe künftig verändern können, sollte die Auswahl geeigneter Wasserstoffanwendungen heute vor allem auf Machbarkeit und strategischem Nutzen für die Dekarbonisierung basieren. Im Zentrum steht die Frage: Welche Lösung passt zu welchem Anwendungsfall? Das kann – je nach Bedarf – eine effizientere Energienutzung, die direkte Stromanwendung, der Einsatz von Biokraftstoffen oder der gezielte Einsatz von grünem Wasserstoff und E-Fuels sein.

Welchen Platz nimmt Wasserstoff in der Hierarchie der Dekarbonisierung ein?

Wasserstoff gilt heute als entscheidender Faktor für eine emissionsarme Zukunft. Sein Potenzial, von der Energiespeicherung bis hin zum Kraftstoff, ist allgemein anerkannt. Allerdings gilt das nicht in gleichem Maße für alle Anwendungen – einige haben durchaus mehr Potenzial für eine großflächige Einführung von Wasserstoff.

Unter Branchenexpert:innen wird derzeit diskutiert, inwieweit Wasserstoff in unseren Energiesystemen eine Rolle spielen wird und welche Anwendungsfälle machbar und wirtschaftlich sinnvoll sind. Auch wenn die Zukunft des Wasserstoffs vielversprechend erscheint, bleibt der Diskurs differenziert, da es einigen Anwendungen an einer ganzheitlichen Begründung mangeln könnte. Da Ressourcen wie erneuerbare Energien, biogenes CO2 usw. begrenzt sind und auch Faktoren wie Infrastruktur, Verteilung und Speicherung berücksichtigt werden müssen, braucht es unbedingt einen realistischen Ansatz, um zu bestimmen, welche Wasserstoffanwendungen wirklich zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele beitragen können und gleichzeitig einen wirtschaftlich tragfähigen Business Case bieten.

Bei der Bewertung von Energiesystemen nutzt Ramboll einen hierarchischen Ansatz, um die effektivsten und praktikabelsten Lösungen für eine erfolgreiche Dekarbonisierung methodisch einzuordnen. Dabei gelten folgende Prioritäten:

1. Senkung des Gesamtenergiebedarfs durch konsequente Beseitigung energieintensiver Aktivitäten, die vermieden oder begrenzt werden können
2. Optimierung (Verbesserung von Energieeffizienz und bestehenden Systemen)
3. Elektrifizierung
4. Grüne Kraftstoffe (einschließlich Wasserstoff, E-Fuels und Biokraftstoffe)
5. Weitere Maßnahmen wie CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) oder andere Technologien zur Entfernung von CO2

Für Sektoren und Branchen wie Wohnraumbeheizung, urbane Mobilität und Ausgleich von Stromnetzen stellen Optimierung und Elektrifizierung praktikable Strategien dar. Wenn es allerdings darum geht, zu bestimmen, wo Elektrifizierung sinnvoll und möglich ist und wo grüne Kraftstoffe eine bessere Wahl darstellen, wird die Diskussion differenzierter. Darüber hinaus stellt sich die Frage, welche Arten von grünen Kraftstoffen (Biokraftstoffe und E-Fuels) in Betracht gezogen werden sollen. Hier ist es zunächst einmal wichtig, die optimalen Anwendungsfälle für Wasserstoff zu benennen.

Optimale Anwendungsfälle

Um die Nutzung verfügbarer Ressourcen zu optimieren und vom technologischen Fortschritt zu profitieren, empfiehlt Ramboll die Anwendung direkter Power-to-X-Initiativen auf Sektoren mit bestehendem Wasserstoffbedarf – insbesondere solche, in denen eine vollständige Dekarbonisierung durch Elektrifizierung allein schwierig oder unmöglich ist. Diese Anwendungen umfassen folgende Themen:

1. Wasserstoff wird aufgrund seiner chemischen Eigenschaften direkt verwendet, zum Beispiel als Reduktionsmittel, als Rohstoff in der Stahlherstellung, als Düngemittel, in Raffinerien und in Chemikalien.
2. Wasserstoff oder seine Derivate werden aufgrund ihrer Energiedichte oder Portabilität verwendet, zum Beispiel in Verkehrsanwendungen und zur Energiespeicherung.

Unter Berücksichtigung dieser Kategorien skizzieren wir nachfolgend die Sektoren und Anwendungsfälle, die aus unserer Sicht in naher Zukunft an Dynamik gewinnen werden:

Diese immensen Kosten würden wahrscheinlich noch deutlich steigen, wenn eine vollständige Elektrifizierung angestrebt wird, wann immer dies technisch machbar ist. Daher gilt vorerst weiter: Auch wenn eine vollständige Elektrifizierung theoretisch möglich ist, stellt sie nicht immer die optimale Wahl für jede Anwendung dar. Eine strategische Bewertung der Anwendungen kann Aufschluss darüber geben, ob Wasserstoff im Vergleich zur Entwicklung anderer Technologien die beste verfügbare Lösung ist. Außerdem dürften diese späteren Anwendungen von den Lernraten und Produktionssteigerungen profitieren, die in der Wasserstoff- und Elektrolyseindustrie erwartet werden und die parallel zu den derzeitigen Einsätzen verlaufen werden.⁴Obwohl sie heute vielleicht noch nicht realisierbar sind, könnte das schon 2030 oder 2035 der Fall sein, je nachdem, wie schnell die Wasserstoffindustrie voranschreitet.

Branchenperspektiven

In der Branche werden derzeit Debatten über die praktischen Anwendungen von Wasserstoff und E-Fuels geführt und weitreichende Prognosen über den voraussichtlichen Umfang des künftigen Wasserstoffmarkts angestellt. Während Wasserstoff als vielseitiges Instrument zur Dekarbonisierung gilt, ist das Ausmaß seiner praktischen Anwendung unter Branchenexpert:innen nach wie vor umstritten.

Michael Liebreich, der das Konzept der „saubereren Wasserstoffleiter“ populär gemacht hat und Wasserstoff mit einem vielseitigen Schweizer Taschenmesser für Energielösungen vergleicht, tendiert eher zur Elektrifizierung und stellt einige spekulative Wasserstoffanwendungen stark in Frage. Er betont, dass Vielseitigkeit nicht immer gleichbedeutend ist mit Effizienz und Kosteneffizienz. Dies veranschaulicht er am Beispiel des Schweizer Taschenmessers, das nicht immer die beste Wahl darstellt, vor allem wenn spezialisierte Werkzeuge praktischer, sicherer oder billiger sind. In seinem Wasserstoffleiter-Diagramm bewertet Liebreich die Rentabilität von Wasserstoff in den beabsichtigten Anwendungen, wobei er nicht nur die Konkurrenz durch Elektrifizierung, sondern auch durch Biokraftstoffe hervorhebt.

Umgekehrt kommt es oft vor, dass Unternehmen, die stark in Wasserstofftechnologien investieren, die potenziellen Anwendungen und Vorteile überbewerten, um die Markteinführung zu beschleunigen. Diese unterschiedlichen Sichtweisen können die Meinungsbildung beeinflussen, was eine neutrale, evidenzbasierte Bewertung der Rolle von Wasserstoff komplizierter macht. Darüber hinaus können etablierte Energieunternehmen versuchen, den Diskurs so zu verändern, dass er ihren spezifischen Interessen entspricht, beispielsweise in Bezug auf Infrastrukturanlagen oder Geschäftsmodelle. Damit stellen sie jedoch unter Umständen ihre eigene Agenda über umfassendere gesellschaftliche und klimapolitische Ziele, was den Bewertungsprozess weiter erschwert.

Es muss kein Wettstreit sein

Unter Berücksichtigung beider Sichtweisen unterstreicht Ramboll die Notwendigkeit, die Rolle von Wasserstoff in einem breiteren, dekarbonisierten Energiekontext zu bewerten und den Diskurs nicht als Wettstreit zwischen Wasserstoff und Elektrifizierung zu führen. Stattdessen betrachten wir Wasserstoff und Power-to-X als Ergänzung zur Elektrifizierung – und als logischen nächsten Schritt in einer Hierarchie, in der die Integration von Wasserstoff und Elektrizität eine wichtige Rolle für das Erreichen von Dekarbonisierungszielen spielt. Sowohl Wasserstoff als auch die Elektrifizierung sind angesichts der aktuellen und künftigen Energienachfrage von Bedeutung. Und ein vorsichtig optimistischer Ansatz ist ein guter Weg, um in diesem Bereich voranzukommen.

^{[2] Is heating homes with hydrogen all but a pipe dream? An evidence review (Joule Journal)}

^{[3] The electric grid is about to be transformed (economist.com)}

^{[4] Green Hydrogen Cost Reduction – Scaling up Electrolysers (IRENA.org)}