Power-to-X

Energiefeld Wasserstoff


Zu den Megatrends, die zur Kapitalanlage mit Zukunft zählen (vgl. ES 31/19), gehört ohne Frage auch die Wasserstoff-Technologie. Mit der Zauberformel Power-to-X will die Bundesregierung ihren Klimazielen auf die Sprünge helfen und die deutsche Industrie zukünftig CO2-frei produzieren. Doch hält die Technologie auch das, was sich viele von ihr versprechen?
Die Wasserstoff-Technologie gilt als einer der wichtigsten Bausteine für den Klimaschutz und die Energiewende. Wasserstoff (H2) selbst ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, mit dessen Hilfe Energie gespeichert und transportiert werden kann. Von einer umweltfreundlichen Energieerzeugung mittels Wasserstoff kann man aber erst sprechen, wenn der Wasserstoff mit regenerativen Energiequellen erzeugt wird. Das geschieht in einem Elektrolyseur, der Wasser (H2O) unter Strom setzt, sodass sich Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) voneinander trennen. In einem zweiten Schritt lässt sich der Wasserstoff zu synthetischem Treibstoff direkt ins Erdgasnetz einleiten oder wieder – je nach Bedarf – in elektrische Energie zurückverwandeln, „Power-to-X“ heißt dieses Konzept. Damit bietet Wasserstoff die Möglichkeit, in Zeiten eines Überhangangebotes an variabler erneuerbarer Energie (Solar, Wind usw.) diese zu speichern. In einer Brennstoffzelle kann das umgekehrte Prinzip genutzt werden, um die zuvor chemisch im Wasserstoff gespeicherte Energie wieder in elektrische zurückzugewinnen. H2 wird von Wissenschaftlern und Unternehmen als potenzieller sauberer Ersatz der fossilen Energiequellen eingestuft, weil das Gas bei der Verbrennung kein CO2 freisetzt. Wasserstoff, hergestellt aus Ökostrom, ist für die Indus­trie nahezu die einzige Möglichkeit, klimaneutral zu wirtschaften. Zwar ist der Einsatz des aus erneuerbaren Energien hergestellten „grünen Wasserstoffs“ noch teuer, könnte aber der Schlüssel für den Erfolg der Energiewende sein. McKinsey schätzt die Investitionsmöglichkeiten für „grünen“ Wasserstoff bis 2030 auf bis zu 475 Mrd. $.
Anwendungsbereiche sind ausreichend vorhanden, wie z.B. für energieintensive Unternehmen der Stahl- oder Chemieindustrie. Auch im Schwerlasttransport, dem öffentlichen Personennahverkehr oder der Binnenschifffahrt bieten sich Möglichkeiten. Zu den größten CO2-Emittenten in der Industrie zählen Stahlkonzerne wie ArcelorMittal, Thyssen­krupp und Voestalpine. Geplant ist langfristig, die Kohle in der Stahlproduktion durch Wasserstoff zu ersetzen.
Der Umstieg auf eine Wasserstoffwirtschaft ist auch ein Megatrend mit vielen Unbekannten und politischen sowie ökonomischen Herausforderungen. Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier (CDU) hatte Mitte Juli angekündigt, dass künftig in Deutschland Zukunftstechnologien wie CO2-armer Wasserstoff und Energiespeicher in „Reallaboren“ im industriellen Maßstab erprobt werden sollen. Bundesweit sind demnach rund 20 dieser Einrichtungen geplant, auch in bisherigen Braunkohlerevieren wie der Lausitz. Dafür werden rund 100 Mio. € pro Jahr zur Verfügung gestellt.
Siemens und die Fraunhofer-Gesellschaft wollen auf dem Werksgelände in Görlitz gemeinsam einen Innovationscampus für Wasserstoffforschung errichten. CTO und Chief Technology Officer von Siemens, Roland Busch, machte noch einmal deutlich: „Deutschland will bis 2030 seine Treibhausgasemissionen um mindestens 55 % senken und bis 2050 nahezu klimaneutral sein. Der geplante Kohleausstieg bis 2038 ist ein Schritt dahin. Es geht aber um mehr: Das langfristige Klimaziel kann nur mit synthetischen Energieträgern beziehungsweise sogenannten Power-to-X-Technologien erreicht werden. Das sind Technologien zur Speicherung beziehungsweise anderwei­tiger Nutzung von Stromüberschüssen, wenn es ein Überangebot von erneuerbaren Energien gibt. Also genau genommen, ‘Green-Power-to-X‘. Diese Wandlungs- und Speichertechnologien sind deshalb auch Schwerpunkt-Forschungsfelder bei Siemens, von denen wir uns in Zukunft geschäftlich viel versprechen.“
In Leuna wird Siemens zusammen mit Linde und dem Fraunhofer-Institut erstmals die Elektrolyse-Technologie in einem industriellen Maßstab nutzen. Eine industrielle Nutzung im großen Stil ermöglicht die Skalierbarkeit und Kosteneffizienz, damit Wasserstoff als Energieträger konkurrenzfähig wird. Mit einer geplanten Leistung von bis zu 100 Megawatt entsteht dort die weltgrößte Elektrolyse-Anlage zur Erzeugung von „grünem“ Wasserstoff. „Damit können wir die Emissionen um bis zu 90 % reduzieren im Vergleich zur sogenannten Dampfreformierung, einem gängigen Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern wie Erdgas.“
Unter Beteiligung des Energiekonzerns Uniper planen mehrere Konsortialpartner in Sachsen-Anhalt eine Groß-Elektrolyse-Anlage. Insgesamt soll die Anlage in Bad Lauchstädt zur Produktion von grünem Wasserstoff eine Kapazität von 35 Megawatt haben. Sie wäre damit eine der größten ihrer Art überhaupt. Dabei erfolgt die Zwischenspeicherung des Wasserstoffs in einer Salzkaverne. Über eine umgewidmete Gaspipeline wird der grüne Wasserstoff zu den Verbrauchern im benachbarten Chemiepark und der weiteren Region befördert. Die Anlage gehört zu den förderwürdigen Projekten, die als Reallabor der Energiewende infrage kommen. Damit hat das Projekt die finale Runde erreicht, in der nun ein detaillierter Förderantrag eingereicht werden wird. „Die vorgesehene unterirdische Salzkaverne soll eigens für die Speicherung von bis zu 50 Mio. Kubikmeter Wasserstoff ausgestattet werden - einer Menge, die ungefähr 150 Mio. Kilowattstunden Energie, also in etwa dem jährlichen Wärmebedarf der Haushalte einer Stadt mit 20.000 Einwohnern entspricht. Es wäre die erste Wasserstoff-Kaverne in Kontinentaleuropa und weltweit die erste, die grünen Wasserstoff, also mittels erneuerbarem Strom gewonnenen Wasserstoff, einspeichert“, gibt Uniper bekannt.
Wirtschaftlich ist die Wasserstoff-Technologie noch nicht. Doch Uniper geht davon aus, dass die Bevölkerung ähnlich wie seinerzeit bei dem Start der Sonnen- und Windenergie diese Form der Energiespeicherung immer stärker akzeptieren und schätzen wird. Gelingt den Unternehmen, ihre Anlagen zur Marktreife zu bringen, wäre dies ein Signal, dass grüner Wasserstoff im industriellen Maßstab herstellbar und nutzbar ist, ist sich Uniper-Pressesprecher Oppermann sicher. Dies werde sich dann entsprechend auf die künftige Preisentwicklung solcher Anlagen auswirken.
Im Automobilsektor läuft derzeit ein Wettrennen zwischen batterieelektrisch und mit Wasserstoff betriebenen Motoren. Dieses Rennen könnte auch unentschieden enden, weil die verschiedenen Systeme unterschiedliche Stärken und Schwächen haben und manche Automobilkonzerne wie Daimler und Renault gar auf eine kombinierte Antriebstechnik setzen.
Die Explosion einer Wasserstoff-Tankstelle von Nel in Oslo in diesem Sommer hat allerdings das Misstrauen in diese Technologie wieder zunehmen lassen. Dieses ist auch nicht ganz unbegründet, schließlich kann der Energieträger nicht in offenen Tanks oder Fässern wie z.B. Öl gelagert werden. Wenn das Gas mit Sauerstoff in Berührung kommt, kann (je nach Konzentration) das explosive Gemisch Oxyhydrogen (Knallgas) entstehen. Da Wasserstoff unter Normalbedingungen nur eine geringe Energiedichte hat, wird das Gas zum Aufbewahren und zum Transport unter hohen Druck bis zu 700 bar gesetzt. Die Aufgabe an die Entwickler von Wasserstoffspeichern lautet also: kompakter, leichter und billiger!
Auf der anderen Seite geht das Auftanken fast ebenso schnell wie bei einem Benziner oder Diesel, und die Reichweiten sind deutlich höher als bei einem Batterie-Auto. Es zeichnet sich inzwischen ab, dass der Antrieb mit Wasserstoff weltweit immer stärker an Bedeutung gewinnt. Frédéric Minaud vom französischen Gasehersteller Air Liquide dazu: „Wasserstoff hat die Kraft, Fahrzeuge mit intensivem und langem Einsatz zu betreiben, wie z.B. innerstädtische Flotten und Schwerlastfahrzeuge. Im speziellen Fall von Nutzfahrzeugen ist Wasserstoff eine ideale Lösung, da er das Beste aus beiden Welten vereint: emissionsfrei und geräuschlos wie ein Batterie-Auto, leistungsstark, langstreckentauglich und mit hoher Zuladung wie ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.“
Die Attraktivität des Wasserstoff-Lkw für den Güterfernverkehr ergibt sich aus dem hohen System-Wirkungsgrad der Brennstoffzelle, der deutlich über dem von Verbrennungsmotoren liegt. Auch der Emissionsausstoß bei Stickstoffoxiden, CO2 und Feinstaub spricht für diese Antriebsform. Die Entwicklung von Fahrzeugkonzepten und der Aufbau einer Versorgungs- und Tankstelleninfrastruktur mit Ausrichtung auf Lkw stellen derzeit die nächsten Herausforderungen dar.
Nach einer Studie einer internationalen Wasserstoff-Allianz, zu der auch Air Liquide gehört, können schon 2030 weltweit bis zu 15 Mio. Pkw und 500.000 Lkw mit dem Gas fahren. Gemeinsam mit Daimler, Linde, OMV, Shell und Total haben die Franzosen 2015 die Betreibergesellschaft H2 MOBILITY Deutschland gegründet. Mit ihr will man einen zügigen, effizienten und flächendeckenden Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur für Brennstoffzellen-Autos erreichen. Dafür wollen die Bündnispartner mehr als 1,4 Mrd. € in den nächsten Jahren in die Entwicklung der Wasserstoff-Technologie stecken. Politik und Wirtschaft ziehen inzwischen immer stärker gemeinsam an einem Strang, um in Deutschland sukzessive ein alltagstaugliches Wasserstoff-Tankstellennetz aufzubauen. Bis 2019 sollen rund 100, bis 2023 etwa 400 H2-Stationen geöffnet sein – wenn denn ausreichend PKW auf die Straßen kommen.
Die Automobilindustrie ist dabei für Air Liquide nur ein erster Schritt. „Die Industrie spielt eine wichtige Rolle bei der Bewältigung der Herausforderung des Klimawandels, indem sie neue Technologien und neue Wertschöpfungsketten für den kohlenstoffarmen Übergang entwickelt. Bei Air Liquide nehmen wir unsere Verantwortung wahr und arbeiten seit vielen Jahren daran, Wachstum und Umweltschutz mit Hilfe unserer innovativen Technologien zu verbinden. Unsere Verpflichtung besteht darin, unsere CO2-Intensität bis 2025 um 30 % zu senken (basierend auf den Emissionswerten von 2015), wobei die Wasserstoffenergie einer der drei identifizierten Hebel ist und derzeit umgesetzt wird“, sagt Frédéric Minaud.
Wasserstoff hat eine Schlüsselposition für die Energie- und Mobilitätswende inne. Innerhalb der H2-Technologie kann sich Deutschland nicht nur als Vorreiter positionieren, sondern auch seinen Ruf als führende Exportnation neu aufladen.