Grüner Wasserstoff – wo liegt sein größtes Potenzial für die Dekarbonisierung?

Mit der Fortschreibung der nationalen Wasserstoffstrategie im letzten Jahr wird hierzulande mit Hochdruck an einem beschleunigten Markthochlauf gearbeitet und das Ambitionsniveau entlang der Wertschöpfungskette massiv gesteigert. Bis 2030 soll Deutschland Leitanbieter für Wasserstofftechnologien werden, mit einer Importstrategie soll ausreichende Verfügbarkeit von Wasserstoff und seiner Derivate sichergestellt werden.

In diesem Artikel wollen wir die möglichen Anwendungsgebiete von grünem Wasserstoff einordnen. Wir konzentrieren uns hierbei auf diejenigen Anwendungen, für die Wasserstoff am praktikabelsten und einfachsten einsetzbar ist. Wir schauen uns grünen oder kohlenstoffarmen Wasserstoff und Wasserstoffderivate, sogenannte E-Fuels, an. Zunächst einmal empfehlen wir, den Fokus auf Anwendungen zu setzen, für die bereits eine Nachfrage besteht, und auf solche, bei denen es wenige Alternativen zu Wasserstoff und wasserstoffbasierten E-Fuels gibt, wie den Schwerlastverkehr, die Düngemittelproduktion oder schwer zu elektrifizierende und zu dekarbonisierende Industriezweige wie die Zement-, Stahl und Chemieindustrie.

Die großflächige Einführung von grünem Wasserstoff erfordert den Ausbau der erneuerbaren Energien, um bezahlbare grüne Energie für die Wasserstoff- und E-Kraftstoffproduktion bereitstellen zu können, ohne die Elektrifizierung zu verlangsamen.

Auch wenn sich die Ausgangslage durch die zunehmende Verfügbarkeit von Ökostrom oder die Notwendigkeit von Drosselungen verändern kann, sollten Wasserstoffanwendungen derzeit weiterhin basierend auf Machbarkeit und strategischer Bedeutung für die Dekarbonisierung ausgewählt werden. Es kommt darauf an, die richtige Lösung für spezifische Anwendungsfälle auszuwählen. Dabei gibt es neben der Verwendung von grünem Wasserstoff und E-Fuels eine Vielzahl anderer Lösungen, angefangen bei der Effizienzsteigerung des Energieeinsatzes und Verringerung von Energieverlusten, über die direkte Nutzung von Strom, bis hin zu einer Kombination mit Biokraftstoffen.

Welchen Platz kann Wasserstoff in der Hierarchie der Dekarbonisierung einnehmen?

Unter Branchenexpert:innen hält die Debatte darüber an, inwieweit Wasserstoff eine Rolle in unseren Energiesystemen spielen wird und welche Einsatzmöglichkeiten technologisch machbar und wirtschaftlich sinnvoll sind, an. Sicher ist, dass Wasserstoff eine entscheidende Komponente bei der Gestaltung einer emissionsarmen Zukunft ist. Seine vielseitigen Einsatzmöglichkeiten, ob zur Energiespeicherung oder als Kraftstoff, ist bekannt und weitestgehend erforscht. Allerdings sind nicht alle denkbaren Einsatzmöglichkeiten gleichermaßen attraktiv und sinnvoll. Nur einige dieser Anwendungen haben das Potenzial, sich zeitnah auf breiter Ebene durchzusetzen.

Angesichts der begrenzten Ressourcen (von erneuerbaren Energien, biogenem CO2 usw.), der sich noch im Ausbau befindlichen Infrastruktur, den Herausforderungen für Versorgung und Speicherung muss unbedingt ein realistischer Ansatz gewählt werden, um diejenigen Wasserstoffanwendungen zu identifizieren, die wirklich zur Erreichung der Dekarbonisierungsziele beitragen können und gleichzeitig ein wirtschaftlich rentables Geschäftsmodell bieten.

Ramboll wendet einen hierarchischen Ansatz an, um Energiesysteme hinsichtlich ihres Dekarbonisierungspotenzials zu bewerten: ein methodisches Ranking der Lösungen, die am effektivsten und praktikabelsten für eine erfolgreiche Dekarbonisierung sind. An erster Stelle steht hier nicht der Ersatz fossiler Energieträger durch Wasserstoff, sondern die Reduktion des Energieverbrauchs durch Effizienz und für innovative, optimierte Produktionsprozesse.

Die Reihenfolge der Priorisierung ist wie folgt:

Optimierung und Elektrifizierung sind geeignete Strategien für einige Sektoren und Branchen, wie Heizen, urbane Mobilität und Stromnetzausgleich. Die Debatte wird jedoch vielschichtiger, wenn es darum geht, wo Elektrifizierung eingesetzt werden soll und kann und, wo grüne Kraftstoffe die bessere Wahl darstellen. Darüber hinaus stellt sich die Frage, welche Arten von grünem Kraftstoff - Biokraftstoffe als auch E-Kraftstoffe - in Erwägung gezogen werden sollten. In diesem Zusammenhang müssen wir die optimalen Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff bestimmen.

Vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für Wasserstoff

Um den Einsatz der verfügbaren Ressourcen zu optimieren und von den technologischen Fortschritten zu profitieren, ist es unserer Ansicht nach entscheidend, die derzeitigen Power-to-X-Initiativen auf diejenigen Anwendungsbereiche auszurichten, bei denen aktuell akuter Wasserstoffbedarf besteht. Insbesondere sind das solche, bei denen die vollständige Dekarbonisierung durch Elektrifizierung allein nur schwer oder gar nicht möglich ist. Diese Anwendungsbereiche sind solche, in denen:

Mit Hinblick auf diese Kategorien sind in der folgenden Skizze die Sektoren und Anwendungsfälle skizziert, von denen man erwartet, dass sie in nächster Zeit an Bedeutung gewinnen werden.

In Deutschland müssen wir aufgrund des parallelen Ausstiegs aus Atom- und Kohlekraft schneller als andere Länder einen Ersatz-Stromerzeuger finden, der das Netz stabilisiert. Dazu werden, laut der aktuellen Aurorastudie, auch H2-Gaskraftwerke und Erdgaskraftwerke, die „H2-ready“ sind, benötigt werden.

In Bezug auf die Grafik ist also im deutschen Kontext grüner Wasserstoff als alternativer Energieträger zur Stabilisierung des Energiesystems bereits mittelfristig von hoher Bedeutung, würde also in dieser Darstellung im blauen Feld eingeordnet werden.

Wie oben dargestellt, nehmen die Düngemittel-, Chemie-, Schifffahrts- und Stahlindustrie eine Vorreiterrolle bei der Nutzung von kohlenstoffarmem Wasserstoff und E-Fuels ein.

Diese Sektoren sind derzeit entweder auf Wasserstoff als Rohstoff angewiesen oder benötigen, wie es in der Schifffahrt und Luftfahrt der Fall ist, einen flüssigen Energieträger mit hoher Energiedichte wie Methanol, Ammoniak oder Kerosin. Im Jahr 2022 entfielen 99 % der weltweiten Nachfrage nach Wasserstoff, der sich damals auf etwa 95 Millionen Tonnen belief, auf den Raffinerie- und den Industriesektor.¹ Eben diese Sektoren verursachten ebenfalls einen erheblichen Anteil der Treibhausgasemissionen (ca. 2,5 % der globalen Emissionen), da überwiegend umweltschädliche Produktionsmethoden eingesetzt wurden.

Biokraftstoffe - auch in Form von Methanol und Kerosin – könnten Alternativen zu grünem Wasserstoff und E-Kraftstoffen für diese Anwendungsgebiete sein. Biokraftstoffe werden aus Biomasse und Abfällen erzeugt und basieren auf anderen Rohstoffen und chemischen Prozessen als E-Fuels, welche allein durch Wasserelektrolyse hergestellt werden.

Weniger attraktive Anwendungsbereiche

Zu den weniger attraktiven Anwendungsgebieten für grünen Wasserstoff gehören die Wärmeversorgung von Wohngebäuden sowie die urbane Mobilität. Für diese Bereiche ist die direkte Elektrifizierung wesentlich besser geeignet. Bei der Wärmeversorgung von Gebäuden verbrauchen Wärmepumpen im Vergleich zu wasserstoffbetriebenen Heizkesseln etwa fünf- bis sechsmal weniger Strom aus erneuerbaren Energien.² Deshalb gehen wir davon aus, dass im Bereich der Wärmeversorgung die Elektrifizierung die am weitesten verbreitete, wenn auch nicht die einzige Alternative der Zukunft sein wird. Beispielsweise kann die Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme aus industriellen Prozessen oder aus Rechenzentren optimal in Fernwärmesystemen eingesetzt werden.

Im Automobilbereich haben Elektrofahrzeuge (EVs) sich bereits durchgesetzt, da sie im Vergleich zu Wasserstoffautos oder Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEVs) kostengünstiger und technologisch weniger komplex sind. EVs sind in der Regel sowohl in der Herstellung als auch in der Nutzung günstiger, da Batterien immer erschwinglicher werden und ihre Verfügbarkeit ständig zunimmt. Auch technisch sind EVs weniger komplex, da sie weniger Spezialteile benötigen als FCEVs. Außerdem liegt es im Interesse der Automobilindustrie, die Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeugen weiter auszubauen und Ladepunkte leichter zugänglich zu machen, was die Elektrifizierung zusätzlich begünstigen wird. Die Energieumwandlung ist bei EVs ebenfalls effizienter als bei dem mehrstufigen Prozess, mit dem bei FCEVs Wasserstoff in Elektrizität umgewandelt wird. All diese Faktoren haben dazu beigetragen, dass E-Fahrzeuge zur ersten Wahl in der Personenbeförderung geworden sind. Wasserstoff verliert in diesem Sektor zunehmend an Bedeutung. Dieser Bewertungsansatz lässt sich auch auf andere Technologien anwenden, um zu beurteilen, ob für diese eher der Einsatz von Wasserstoff oder aber die direkte Elektrifizierung geeignet sind. Die wichtigsten Entscheidungskriterien sind hierbei Effizienz, technische Komplexität und die bestehende Infrastruktur.

Weitere potenzielle Anwendungsgebiete

Bei den dazwischen liegenden Anwendungsfällen ist die Sachlage weniger eindeutig. Diese sind die Bereiche Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse, Langstreckentransporte und Energiespeicherung. In diesen Fällen müssen Produktionskosten, geografische Faktoren, Energiedichte und Infrastruktur genau unter die Lupe genommen werden.

Eine Studie der Energy Transitions Commission, an dem Unternehmen und Finanzinstitute teilgenommen haben, zeigt, dass bis 2050 jährlich 1,1 Billionen Dollar in die Netzinfrastruktur investiert werden müssen, um das globale Ziel der Netto-Null-Emissionen zu erreichen.³

Diese erhebliche finanzielle Belastung würde sich wahrscheinlich noch deutlich erhöhen, sollten wir den Weg einer vollständigen Elektrifizierung einschlagen, wann immer dies technisch machbar ist. Wasserstoff ist zwar theoretisch in vielen Bereichen möglich, aber nicht immer die beste Wahl für jeden Einsatzbereich. Eine strategische Bewertung der Einsatzmöglichkeiten ist daher nötig, um sicherzustellen, dass Wasserstoff verglichen mit anderen Technologien die beste verfügbare Lösung darstellt. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass diese zukünftigen Anwendungsfälle von den Erkenntnissen und der Produktionssteigerung profitieren können, die in der Wasserstoff- und Elektrolyseindustrie erwartet werden, und die zeitgleich mit dem aktuellen Einsatz erfolgen werden.⁴ Einige Anwendungen, die heute noch nicht realisierbar oder zu teuer sind, könnten im Jahr 2030 oder 2035 möglich und wirtschaftlich sein - je nachdem, wie sich die Wasserstoffindustrie entwickelt.

Perspektiven der Industrie

In der Branche läuft eine rege Debatte über die praktische Anwendung von Wasserstoff und E-Kraftstoffen, es gibt zahlreiche Schätzungen dazu, welche Bedeutung und wirtschaftliches Potenzial der Wasserstoffmarkt in Zukunft haben wird. Das Spektrum seiner praktischen Anwendungen unter Branchenexperten nach wie vor umstritten.

Michael Liebreich, ein Mit-Entwickler der ("Clean Hydrogen Ladder"), vergleicht Wasserstoff mit einem vielseitigen "Schweizer Taschenmesser" für die Energieversorgung, tendiert aber zur Elektrifizierung, wo immer diese möglich ist, und sieht einige Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff kritisch. Er betont, dass Vielseitigkeit nicht immer gleichbedeutend mit Effizienz oder Wirtschaftlichkeit ist. Er nennt als Beispiel ein Schweizer Taschenmesser, das für diverse Zwecke verwendet werden kann, obwohl Spezialwerkzeuge oft praktischer, sicherer oder kostengünstiger sind. Liebreichs Wasserstoff-Leiterdiagramm bewertet die Umsetzbarkeit von Wasserstoff in möglichen Anwendungen, wobei er nicht nur die Elektrifizierung, sondern auch Biokraftstoffe als mögliche Alternativen miteinbezieht.

Bevor Unternehmen hohe Investitionen in Wasserstofftechnologien tätigen, um die Markteinführung voranzutreiben, muss sichergestellt werden, dass Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile nicht überbewertet werden. Unterschiedlichen Sichtweisen können eine neutrale, evidenzbasierte Beurteilung der Bedeutung von Wasserstoff beeinträchtigen.

Es muss kein Wettbewerb sein

Unter Berücksichtigung dieser unterschiedlichen Sichtweisen und Interessen betont Ramboll, dass eine Bewertung von Wasserstoff für eine Dekarbonisierung der Energieversorgung in einem immer in einem größeren Kontext erfolgen muss. Wasserstoff und Power2X oder Elektrifizierung – beide Lösungen stehen nicht im Wettbewerb, sondern werden sich langfristig und idealerweise ergänzen. Beide Lösungen sind Teil einer Hierarchie, die entscheidend für das Erreichen der Dekarbonisierungsziele sein wird. Sowohl Wasserstoff als auch die Elektrifizierung haben ihre Daseinsberechtigung in der gegenwärtigen und zukünftigen Energieversorgung. Wir sollten optimistisch, aber umsichtig vorangehen, um den optimalen Weg einzuschlagen und zügig in die Umsetzung zu kommen.

[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)