Wir brauchen "blauen" Wasserstoff. Und wir müssen es richtig machen.
Wasserstoff ist für die Dekarbonisierung von Schlüsselbereichen der Wirtschaft unerlässlich. Während "grüner" Wasserstoff langfristig dominieren könnte, kann "blauer" Wasserstoff die Emissionen in naher Zukunft schnell reduzieren - wenn die politischen Entscheidungsträger entsprechende Leistungen belohnen.
Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) hat uns erneut gewarnt, dass wir die Treibhausgasemissionen bis Mitte des Jahrhunderts auf Null reduzieren müssen, um die schädlichsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden. Dies bedeutet, dass eine rasche und tief greifende Emissionsreduzierung sowohl für Kohlendioxid als auch für kurzlebige Klimaschadstoffe, insbesondere Methan, von entscheidender Bedeutung ist. Gleichzeitig geht die Internationale Energieagentur davon aus, dass die CO2-Emissionen im Jahr 2021 um etwa 5 % gegenüber dem Stand von 2020 ansteigen und bis Ende des Jahres fast das Niveau von vor der Pandemie erreichen werden. Der Grund dafür ist einfach: Der Einsatz von Energiequellen mit höheren Emissionen übersteigt weiterhin den Einsatz von Energiequellen mit niedrigeren Emissionen.
Trotz des Emissionsanstiegs gibt es weiterhin Grund zum Optimismus. Daten der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien zeigen, dass die weltweite Kapazität an erneuerbarer Elektrizität bis 2020 um etwa 10 % zunehmen wird (vor allem durch Wind- und Solarenergie). Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Versorgung der wachsenden Welt mit sauberem Strom. Aber sie reichen nicht aus, und sauberer Strom ist nicht das einzige Problem, das wir lösen müssen. Der Energieverbrauch und die Emissionen nehmen im Schwerlastverkehr, in der internationalen Schifffahrt, in der Eisen- und Stahlindustrie und bei der industriellen Prozesswärme (z. B. in der chemischen Industrie) weiter zu, wo der Ersatz durch sauberen Strom besonders schwierig sein kann.
Wasserstoff ist eine Lösung für die Dekarbonisierung dieser schwer zu elektrifizierenden Sektoren. Wasserstoff ist ein leistungsfähiger Energieträger, der keinen Kohlenstoff enthält und daher an seinem Einsatzort kein CO2 freisetzt. Weltweit werden heute etwa 70 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr verwendet, vor allem als Ausgangsstoff bei der Ölraffination und der Düngemittelherstellung. Analysten schätzen, dass bis Mitte des Jahrhunderts zwischen einer halben und einer Milliarde Tonnen Wasserstoff pro Jahr (oder mehr) benötigt werden könnten, was in einigen Dekarbonisierungsszenarien einem Viertel des weltweiten Endenergiebedarfs entspricht. Politische Entscheidungsträger in den USA, Europa und Asien haben begonnen, sich darauf zu konzentrieren, dass diese Wasserstoffvorräte zur Unterstützung der Dekarbonisierungsbemühungen verfügbar sind. Wenn Wasserstoff, der ohne nennenswerte Treibhausgasemissionen hergestellt wird, nicht in großem Umfang zur Verfügung steht, ist es unwahrscheinlich, dass diese Sektoren vollständig dekarbonisiert werden können.
Leider ist nur sehr wenig Wasserstoff in der Natur frei verfügbar. Er muss unter Verwendung anderer Primärenergien und Materialien hergestellt werden, und dieser Herstellungsprozess kann zu erheblichen Treibhausgasemissionen führen. Strom kann verwendet werden, um Wasserstoff von Wasser abzuspalten (ein Prozess, der Elektrolyse genannt wird), und Wärme kann verwendet werden, um Wasserstoff von Kohlenwasserstoffen abzuspalten (ein Prozess, der Reformierung genannt wird und bei dem ebenfalls etwas Wasser benötigt wird). Obwohl die technischen Details komplex und variabel sind, werden die grundlegenden Wege im Folgenden dargestellt. Der überwiegende Teil des heutigen Wasserstoffs wird durch das Reforming-Verfahren (und durch die "Vergasung" fester Brennstoffe, die chemisch ähnlich ist) hergestellt.
Treibhausgasemissionen können in jeder der dargestellten Phasen entstehen, einschließlich der vorgelagerten Gas- und Stromerzeugung, der Wasserstoffproduktion selbst und in einigen Fällen sogar der nachgelagerten Nutzung. Natürlich hängen diese Emissionen von der Technologie und den Verfahren ab, die in den einzelnen Phasen eingesetzt werden. Bei der Elektrolyse entstehen die größten Emissionen im Allgemeinen bei der Stromerzeugung in den vorgelagerten Stufen. Unkontrolliert können diese Emissionen erheblich sein. Die Verbrennung von Brennstoffen, die bei der Stromerzeugung in der vorgelagerten Stufe eines Elektrolyseurs verwendet werden, der heute an das texanische Stromnetz angeschlossen ist, würde für jedes Kilogramm erzeugten Wasserstoffs etwa 23 Kilogramm CO2 verursachen. Bei der Reformierung könnten die größten Emissionen aus den vorgelagerten Stufen (vor allem Methanemissionen aus der Erdgasproduktion) oder aus der Produktionsstätte selbst stammen. Ein neuer Reformerstandort würde für jedes Kilogramm erzeugten Wasserstoffs etwa 9 Kilogramm CO2 emittieren. Emissionsminderungen in den Prozessstufen sind durch Technologie (z. B. CO2-abscheidung bei Reformern) und betriebliche Praktiken (z. B. Vermeidung von Leckagen im Erdgasproduktionssystem und Bezug von emissionsarmem Strom) möglich.
Durch die Kombination von erneuerbarer Elektrizität und Elektrolyse kann Wasserstoff mit einer sehr geringen Treibhausgasbilanz über den gesamten Lebenszyklus erzeugt werden. Vorschläge zur Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen für die Wasserstofferzeugung sind daher kritisch und verdienen erhebliche öffentliche Unterstützung. Es ist jedoch riskant anzunehmen, dass die Elektrolyse mit erneuerbarem Strom alle Wasserstoffmengen liefern kann, die wir bis Mitte des Jahrhunderts für die Dekarbonisierung benötigen. Um den Bedarf zu decken, müssen wir parallel dazu andere Produktionswege entwickeln, einschließlich der auf Reformierung basierenden Wege mit CO2-abscheidung, die oft als "blau" bezeichnet werden, wenn es um die Herstellung von Wasserstoff als Kraftstoff geht. Hier ist der Grund dafür:
- Zusätzlichkeit: "Blauer" Wasserstoff ist kohlenstoffarm, aber nicht auf wertvollen sauberen Strom angewiesen. Trotz des raschen Anstiegs der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien auf der ganzen Welt hat diese insgesamt noch nicht mit der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen Schritt gehalten. Selbst in einigen Regionen, in denen die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien schnell wächst und die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen schrumpft, ist das Netz immer noch relativ kohlenstoffintensiv, und es könnte Jahrzehnte dauern, bis genügend Strom aus erneuerbaren Energien zur Verfügung steht, um die fossilen Brennstoffe vollständig zu ersetzen. Unter diesen Umständen kann die Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien für die Wasserstofferzeugung die Dekarbonisierung des Netzes verzögern. Dies gilt natürlich nicht für alle Fälle. "Überschüssige" oder gedrosselte" Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien kann für die Wasserstoffproduktion genutzt werden, ohne die Kohlenstoffintensität des Netzes zu erhöhen, und sie kann sogar reduziert werden, wenn sie für eine spätere Nutzung gespeichert wird. Generell gilt jedoch, dass die Erzeugung von Wasserstoff mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen die Menge an Strom aus erneuerbaren Energiequellen, die wir erzeugen müssen, erhöhen wird, was wiederum andere Herausforderungen bei der Dekarbonisierung mit sich bringt. Die für CATF durchgeführte Modellierung zeigt, dass wir für die Dekarbonisierung der Vereinigten Staaten etwa 20-mal mehr Wind- und Solarenergie als heute benötigen, um direkte Lasten (z. B. Elektroautos und Hausheizung) zu bedienen, und etwa 40-mal mehr, wenn erneuerbarer Strom auch zur Herstellung des gesamten benötigten Wasserstoffs verwendet wird.
- Entwicklungstempo: "Blauer" Wasserstoff kann den Druck auf knappe Landressourcen verringern. Jüngste Analysen von The Nature Conservancy deuten darauf hin, dass die Windenergie in den Vereinigten Staaten pro erzeugter Energieeinheit 40 Mal mehr Land beansprucht als die herkömmliche Erdgasproduktion. Dieses Maß umfasst sowohl die Windturbinen selbst als auch die Abstände zwischen den Turbinen. Selbst wenn man davon ausgeht, dass CO2-abscheidung den Fußabdruck der Erdgasproduktion verdoppelt (was unwahrscheinlich erscheint), würde die Windenergie immer noch 20 Mal mehr Land benötigen als Erdgas. Und dieser Flächenverbrauch ist zunehmend eine Quelle für Verzögerungen, Kostenüberschreitungen und regelrechte Moratorien bei der Entwicklung erneuerbarer Energien. Die Nutzung von Wind- und Solarenergie zur Herstellung von Wasserstoff, insbesondere wenn sich dadurch die erforderliche Kapazität verdoppelt, könnte dazu führen, dass die Sättigung der Gemeinden mit der Gewinnung erneuerbarer Energien zunimmt und der erfolgreiche Klimaschutz sowohl bei der Strom- als auch bei der Kraftstofferzeugung gefährdet wird. Fortgeschrittene erneuerbare Energien wie die geothermische Energie aus superheißem Gestein könnten dies ändern, aber die Entwicklung und Einführung wird Zeit brauchen. Durch die Erzeugung von Energie außerhalb des Elektrizitätssystems könnte "blauer" Wasserstoff dazu beitragen, knappe Flächen zu schonen und den Übergang zu kohlenstoffarmer Energie zu beschleunigen, ohne dass es zu Verzögerungen aufgrund des Flächenbedarfs kommt.
- Kosten: Zurzeit ist "blauer" Wasserstoff billiger als "grüner" Wasserstoff. Mainstream-Schätzungen der Produktionskosten für "blauen" Wasserstoff in Regionen mit preiswertem Erdgas liegen bei etwa 1,50 $ pro kg oder weniger. "Grüner" Wasserstoff kostet heute mehr als das Doppelte, und eine Senkung der Kosten erfordert erhebliche Verbesserungen bei der Elektrolyse und sehr kostengünstige Elektrizität. Viele Analysten gehen davon aus, dass diese niedrigen Kosten zumindest in einigen Regionen der Welt erreicht werden können, aber es könnte mehrere Jahrzehnte dauern, bis so niedrige Kosten für die Produktion von "grünem" Wasserstoff alltäglich sind. Während dieses Zeitraums, wie lange auch immer, wird "blauer" Wasserstoff oft kostengünstiger sein als "grüner" und würde es uns ermöglichen, unseren Investitionsdollar für die Dekarbonisierung zu verlängern. Im Allgemeinen werden niedrigere Wasserstoffkosten eine schnellere und tiefgreifendere Dekarbonisierung fördern und gleichzeitig zusätzliche Mittel für Investitionen in die Infrastruktur und andere Dekarbonisierungserfordernisse ermöglichen.
Auch wenn wir mit CO2-abscheidung Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen benötigen, ist damit noch nicht sichergestellt, dass er ausreichend sauber ist. Zusätzlich zu der sehr effektiven CO2-abscheidung aus der Reformierung müssen die vorgelagerten Methanemissionen drastisch gesenkt werden (im Vergleich zur durchschnittlichen Leckagerate in den USA), um diesen Wasserstoff zu einem Kraftstoff zu machen, der mit der Dekarbonisierung vereinbar ist. Die Schätzungen der Treibhausgasauswirkungen von "blauem" Wasserstoff weisen eine große Bandbreite auf, die in erster Linie von den Annahmen über die Methanleckraten in der vorgelagerten Erdgasversorgungskette und die Effizienz von Reformern im Produktionsprozess (insbesondere der CO2-abscheidung Teil dieser Prozesse) abhängen. Obwohl einige der jüngsten Schätzungen dieser Auswirkungen recht hoch ausfielen, ist ein wesentlich geringerer Treibhausgas-Fußabdruck für "blauen" Wasserstoff möglich. Wir wissen dies, weil Messungen zeigen, dass einige Gasfelder in den USA Leckraten von nur 0,3 %-0,4 % aufweisen - weit weniger als die derzeitige Leckrate (wahrscheinlich über 2 %). Und wir wissen, dass strenge Vorschriften auf der Grundlage etablierter staatlicher Präzedenzfälle einen großen Teil der erforderlichen Reduzierungen bewirken können. Die Reduzierung der Emissionen aus der Erdgas-Wertschöpfungskette ist nicht nur machbar, sondern auch politisch populär.
Auf der Seite CO2-abscheidung können heute mit kommerzieller Technologie Reformer gebaut werden, die insgesamt 90 % oder mehr erreichen CO2-abscheidung. Durch die Kombination dieser geringeren Methanleckraten und leistungsfähigeren Reformer mit einem hohen Anteil an CO2-abscheidung kann Wasserstoff hergestellt werden, der im Vergleich zur direkten Verwendung von Erdgas (z. B. in Industrieöfen) zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen um etwa 80 % führt - und sogar zu geringeren Emissionen als mancher Wasserstoff, der als "grün" gelten könnte.
Die Herstellung von "blauem" Wasserstoff mit einer geringen Treibhausgasbilanz ist heute möglich, und mit der Zeit sind sogar noch niedrigere Werte denkbar. Da Wasserstoffkraftstoffe gerade wegen ihrer Treibhausgasvorteile wertvoll sind, müssen die politischen Entscheidungsträger Anreize für die Herstellung von Wasserstoffkraftstoffen an die Lebenszyklus-Treibhausgasbilanz knüpfen, und die Industrie muss sich daran halten. Eine Kombination aus Normen, Vorschriften und Marktmechanismen, die die sauberste Produktion belohnen, ist wahrscheinlich erforderlich. Gestaffelte oder abgestufte Anreize, die an die Lebenszyklustreibhausgasemissionen gebunden sind, könnten dies erreichen. Eine strenge Überwachung und Überprüfung der mit allen Produktionswegen verbundenen Emissionen wird erforderlich sein. Wenn die "blaue" Wasserstoffindustrie eine sinnvolle Rolle bei der Dekarbonisierung spielen soll, muss sie letztendlich eine Infrastruktur aufbauen und betreiben, die ihr volles Emissionsreduktionspotenzial ausschöpft.
