Was sagt der jüngste IPCC-Bericht über CO2-freie kraftstoffe 

Heute ist "Dekarbonisierungstag" auf der COP27, und es ist das erste Mal, dass die Konferenz einen ganzen Tag der Erörterung des komplexen Portfolios von Strategien und Technologien widmet, die für die Dekarbonisierung schwer abbaubarer Sektoren erforderlich sind. CATF erwartet, dass Wasserstoff, insbesondere Wasserstoff, der auf emissionsarmen Wegen hergestellt wird, eine wichtige Rolle in den heutigen Diskussionen spielen wird, da viele Länder und regionale Blöcke ihn in ihre Dekarbonisierungsstrategie aufnehmen. Zum Beispiel: 

• Die USA haben ein Gesetz mit Wasserstoffbestimmungen verabschiedet, das 8 Milliarden Dollar für die Einrichtung regionaler Wasserstoffzentren (Bipartisan Infrastructure Law) und bis zu 3,00 Dollar pro Kilogramm (kg) erzeugten Wasserstoffs vorsieht, je nach Kohlenstoffintensität des Wasserstoffs (Inflation Reduction Act).  

• Die Europäische Kommission, die plant, bis 2030 10 Millionen Tonnen erneuerbaren Wasserstoff in der Europäischen Union zu produzieren und zu importieren, hat kürzlich Mittel in Höhe von bis zu 5,2 Milliarden Euro für die Forschung, Entwicklung und Einführung von Wasserstoffinfrastrukturen und -technologien genehmigt. Die Europäische Kommission kündigte außerdem die Einrichtung einer neuen Europäischen Wasserstoffbank an, die 3,0 Mrd. EUR in den Aufbau des künftigen Wasserstoffmarktes investieren wird.  
• Ägypten, das Gastgeberland der diesjährigen COP, lädt ebenfalls zu Investitionen in Wasserstoff ein, indem es in der Wirtschaftszone des Suezkanals eine 8 Milliarden Dollar teure Produktionsanlage für grünen Wasserstoff errichtet. 

Gesetzesentwürfe und Verpflichtungen wie diese sind laut Emily Kent, Clean Air Task Force, U.S. direktor für CO2-freie kraftstoffe, "ein großer Schritt nach vorne für CO2-freie kraftstoffe". CO2-freie kraftstoffe wie Wasserstoff und Ammoniak enthalten - wie der Name schon sagt - keinen Kohlenstoff und produzieren bei der Verbrennung kein_CO2. Während die Elektrifizierung und der Ausbau der emissionsfreien Elektrizität einen Großteil der Dekarbonisierungsarbeit leisten werden, haben CO2-freie kraftstoffe wie "emissionsarmer Wasserstoff [ein] erhebliches Potenzial als entscheidendes Klimainstrument für schwer zu dekarbonisierende Wirtschaftssektoren wie den Schwerverkehr und die Schwerindustrie". Diese Sektoren werden derzeit mit stark emittierenden Kraftstoffen betrieben und sind möglicherweise unerschwinglich teuer oder kommerziell unmöglich zu elektrifizieren.  

Für eine zusätzliche Perspektive und eine Zusammenfassung des aktuellen wissenschaftlichen Konsenses taucht dieser Blog tief in den jüngsten Bericht der Arbeitsgruppe III (WGIII ) des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC) ein, um die Ansicht des IPCC zur Rolle von CO2-freie kraftstoffe als Lösung für den Klimawandel zu untersuchen. 

Wasserstoff kann zum kurz- und langfristigen Lastausgleich in einem 100% kohlenstofffreien Stromnetz beitragen  

Der Elektrizitätssektor ist die größte Quelle für anthropogene Treibhausgasemissionen (THG). Auf ihn entfielen im Jahr 2019 etwa zwei Drittel der globalen Emissionen (AR6 WGIII Bericht 6.3). Um ein zu 100 % kohlenstoffneutrales Stromnetz zu erreichen, ist der rasche Einsatz einer Reihe fester Energieressourcen wie Kernenergie, geothermische Energie aus superheißem Gestein und Erdgas mit CO2-abscheidung und Speicherung erforderlich. Variable Ressourcen wie Sonnen- und Windenergie werden ebenfalls eine wichtige Rolle spielen. 

Die WGIII des IPCC kommt zu dem Schluss, dass der Einsatz einer variableren Erzeugung eine größere Netzflexibilität durch eine "Vielzahl von Systemlösungen" erfordert, einschließlich "Elektrolytwasserstoff und Derivate" (SPM C.4.3). Für den kurzfristigen Ausgleich kann Wasserstoff als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet oder in Gasturbinen verbrannt werden, um abschaltbare Energie zu erzeugen und so "saubere, feste" Stromerzeugungskapazitäten bereitzustellen, um ein Netz mit erheblichen intermittierenden kohlenstofffreien Energiequellen auszugleichen. Eine potenzielle technische Herausforderung besteht darin, die Turbinen so anzupassen, dass sie mit reinem Wasserstoff betrieben werden können, und die damit verbundenen Stickoxidemissionen (NOX), die durch höhere Flammentemperaturen entstehen, in den Griff zu bekommen. Es gibt bereits kommerzielle Turbinen, die mit einem Anteil von 20 bis 50 % Wasserstoff im Erdgas betrieben werden können, und viele Unternehmen haben sich bereits verpflichtet, bis 2030 Turbinen zu bauen, die zu 100 % mit Wasserstoff betrieben werden können.  

Für den langfristigen Ausgleich kann Wasserstoff "Stromspeicher zur Unterstützung einer hohen Durchdringung mit intermittierenden erneuerbaren Energien" bieten und "den Handel und die Speicherung zwischen verschiedenen Regionen ermöglichen" (AR6 WGIII-Bericht 6.6.2.4). In diesem Zusammenhang kann Ammoniak ein "kosteneffizienter Wasserstoffträger" für die netzweite Nutzung von Wasserstoff sein, da es eine höhere Energiedichte aufweist und bei Umgebungsdruck vergleichsweise leicht bei Temperaturen unter -33°C verflüssigt werden kann (AR6 WGIII-Bericht 6.4.5.1). Bei Bedarf kann Ammoniak dann wieder in Wasserstoff "gecrackt" werden. Ungecracktes Ammoniak kann wie Wasserstoff auch in Brennstoffzellen verwendet oder in Gasturbinen zur Stromerzeugung verbrannt werden. Obwohl beide Technologien im Entstehen begriffen sind, bedeutet ihr Potenzial, dass Ammoniak "eine wichtige Rolle bei der Bildung [einer vernetzten] Wasserstoff- und/oder Ammoniakwirtschaft spielen könnte, um die Dekarbonisierung zu unterstützen" (AR6 WGIII Bericht 6.4.5.1). 

Die Dekarbonisierung des Industriesektors erfordert emissionsarmen Wasserstoff als Ausgangsstoff und Brennstoff 

Der Industriesektor ist der zweitgrößte emittierende Sektor und war 2019 für 24 % der globalen Emissionen verantwortlich. Wenn man die indirekten Emissionen aus der Strom- und Wärmeerzeugung mit einbezieht, überholt er den Energiesektor als größten emittierenden Sektor mit 34 % der globalen Emissionen im Jahr 2019 (AR6 WGIII-Bericht 11.2.2). Die WGIII hat zwei große Kategorien dafür aufgestellt, wie emissionsarmer Wasserstoff den Industriesektor dekarbonisieren kann: Rohstoffwechsel und Brennstoffwechsel. Bei der Umstellung von Rohstoffen können bestehende chemische Prozesse, die Wasserstoff verwenden, wie z. B. die Ammoniakproduktion, eine emissionsärmere Version verwenden, die durch Elektrolyse mit sauberem Strom oder Gasreformierung in Verbindung mit CO2-abscheidung und anderen Maßnahmen zur Emissionsminderung hergestellt wird. Bei gasbasierten Verfahren zur Herstellung von direkt reduziertem Eisen (DRI) für die Stahlproduktion wird ebenfalls bereits Wasserstoff verwendet, allerdings in einem Gemisch mit Kohlenmonoxid, dem so genannten Syngas. Syngas wird in diesen Verfahren zur Reduktion von Eisenerzen verwendet, wodurch dem Eisenoxid der Sauerstoff entzogen wird. Der so entstandene Eisenschwamm kann dann in Elektrolichtbogenöfen zur Stahlerzeugung eingesetzt werden. Hier kann emissionsarmer Wasserstoff bis zu 30 % des Methans ersetzen, das zur Herstellung von Synthesegas verwendet wird, ohne dass der Prozess geändert werden muss. Das letztendliche Ziel wäre es, das Synthesegas vollständig durch Wasserstoff zu ersetzen, was in Trinidad bereits kommerziell demonstriert wurde, was jedoch eine Änderung des Verfahrens erfordert.  

Als Brennstoff kann Wasserstoff als vollständiger oder teilweiser Ersatz für kohlenstoffhaltige Brennstoffe in der Prozesswärme verwendet werden. Hochtemperatur-Prozesswärme in Hochöfen und bei der Herstellung von Primärchemikalien sind beides Beispiele, bei denen die Mitverbrennung von Wasserstoff zur Emissionsminderung beitragen kann. In diesem Zusammenhang verwies die AGIII auf die experimentellen Arbeiten der Projekte Course50 und Thyssenkrupp, die das Potenzial einer Emissionsreduzierung um 30 bis 40 % durch die Mitverbrennung von Wasserstoff in Hochöfen und Sauerstofföfen aufzeigten (AR6 WGIII Report 11.4.1). Diese Dekarbonisierungsmethode wird bereits in Regionen wie dem Rotterdamer Hafen angewandt, wo im Rahmen des H-vision-Projekts Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird, um 2,7 Mio. t_{CO2-Emissionen} zu reduzieren.  

Da die Länder versuchen, politische Maßnahmen zu ergreifen, die die Verwendung kohlenstoffarmer Versionen von international gehandelten Grundstoffen fördern, prognostiziert die WGIII, dass "Regionen mit reichlich treibhausgasarmer Energie und Rohstoffen das Potenzial haben, Exporteure von wasserstoffbasierten Chemikalien und Materialien zu werden, die mit kohlenstoffarmer Elektrizität und Wasserstoff verarbeitet werden" (SPM C.5.3). 

Wasserstoff kann zur Dekarbonisierung des Schwerlasttransports beitragen, braucht aber ausgereiftere Brennstoffzellen 

Der Verkehrssektor ist die viertgrößte Quelle von THG-Emissionen und war 2019 für etwa 15 % der gesamten THG-Emissionen verantwortlich (AR6 WGIII Report 10.1.2). Die WGIII ist der Ansicht, dass Wasserstoff "ein erhebliches Potenzial für Emissionssenkungen birgt, wenn er unter Verwendung kohlenstoffarmer Energiequellen hergestellt wird", und zwar für "schwieriger zu elektrifizierende Verkehrssegmente wie schwere Nutzfahrzeuge" (AR6 WGIII-Bericht 10.3.3). Dies deckt sich gut mit der Ansicht vonCATF über die Verwendung von Wasserstoff im Landverkehr: Der hohe Energiebedarf im Schwerlastverkehr stellt batteriebetriebene Systeme vor Herausforderungen und bedeutet, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge ein Schlüssel zur vollständigen Dekarbonisierung des Sektors sein könnten. Auf den Märkten für leichte Nutzfahrzeuge dürfte Wasserstoff eher eine ergänzende Rolle spielen.  

Damit Wasserstoff eine größere Rolle bei der Dekarbonisierung schwerer Nutzfahrzeuge spielen kann, fordert die WGIII weitere Fortschritte bei der Brennstoffzellentechnologie, da diese "für viele kommerzielle Anwendungen noch nicht ausgereift ist" (AR6 WGIII Report 10.3.3). Ein im Bericht genanntes Beispiel ist die Verbesserung der Lebensdauer von Brennstoffzellen, die sich dem Bereich von 30.000 Betriebsstunden nähern muss, um mit Dieselfahrzeugen konkurrenzfähig zu sein. Brennstoffzellen, die in Bussen eingesetzt werden, haben eine Haltbarkeit in der Nähe dieses Bereichs bewiesen, während leichte Brennstoffzellenfahrzeuge in der Nähe des 4.000-Stunden-Bereichs sind (Kurtz et al. 2019). CATF ermutigt sowohl den öffentlichen als auch den privaten Sektor, Forschung und Entwicklung (F&E) zu betreiben, um die Leistung von Brennstoffzellen zu verbessern, damit Wasserstoff eine Klimalösung für den Transportsektor werden kann. 

Emissionsarmer Wasserstoff wird als Kraftstoff oder Ausgangsstoff für die Dekarbonisierung von Kraftstoffen in der Schifffahrt und der Luftfahrt von entscheidender Bedeutung sein 

Im Gegensatz zum Landverkehr prognostiziert die WGIII, dass "ICE-Technologien [Verbrennungsmotoren] wahrscheinlich die vorherrschenden Optionen für die Schifffahrt und die Luftfahrt bleiben werden. Daher ist die Verringerung der_{CO2-Emissionen} und anderer Emissionen von Verbrennungsmotoren durch den Einsatz kohlenstoffarmer oder CO2-freie kraftstoffe für eine ausgewogene Strategie zur Begrenzung der Schadstoffwerte in der Atmosphäre von wesentlicher Bedeutung." (AR6 WGIII Bericht 10.3.1).  

Für den Luftverkehr stellt die WGIII klar, dass die "Literatur nicht die Vorstellung unterstützt, dass es große Verbesserungen in der Energieeffizienz der Luftfahrt gibt" - wie Fortschritte beim Antriebssystem oder Optimierungen der Flugzeugkonstruktion - "die mit dem prognostizierten Wachstum des Luftverkehrs Schritt halten" (vollständiger Bericht 10.5.3). Während kürzere und kleinere Flugzeuge (d.h. mit weniger als 50 Passagieren) elektrifiziert werden könnten, werden längere und größere Flugzeuge wahrscheinlich flüssigen Wasserstoff, nachhaltig produzierte Biokraftstoffe und/oder synthetischen Düsenkraftstoff benötigen. Wasserstoff ist für die Produktionsprozesse der beiden letztgenannten von entscheidender Bedeutung; synthetische Kraftstoffe verwenden Wasserstoff als Ausgangsstoff und Biokraftstoffe benötigen Wasserstoff für die Entschwefelung. Bislang hat sich die Branche weitgehend auf Biokraftstoffe konzentriert, aber die jüngste Analyse von CATFzeigt, dass wahrscheinlich alle diese Optionen erforderlich sind, um die Branche vollständig zu dekarbonisieren.   

Für die Schifffahrt stellt die WGIII fest, dass "Wasserstoff und Ammoniak, wenn sie aus erneuerbaren Energieträgern oder in Verbindung mit CCS hergestellt werden, im Gegensatz zu hauptsächlich [unkontrollierten] fossilen Brennstoffen mit hohen Lebenszyklusemissionen (Bhandari et al. 2014) zu erheblichen_{CO2-Äquivalent-Reduzierungen} von bis zu 70 bis 80 % im Vergleich zu schwefelarmem Schweröl beitragen können (Bicer und Dincer 2018b; Gilbert et al. 2018)" (AR6 WGIII Report 10.6.4). Verflüssigter Wasserstoff hat zwar eine relativ niedrige volumetrische Energiedichte im Vergleich zu flüssigen fossilen Brennstoffen, aber sie ist immer noch höher als bei komprimiertem Wasserstoffgas und Batterien. Daher kann er ein akzeptabler Kraftstoff für bestimmte Kurzstrecken im Seeverkehr sein.  

Sowohl Wasserstoff als auch Ammoniak können in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Ammoniak kann auch zur Beförderung von Wasserstoff verwendet werden, da es im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff leichter zu transportieren ist. Abgesehen davon, dass die volumetrische Energiedichte von Ammoniak 50 % höher ist als die von flüssigem Wasserstoff, hat Ammoniak den zusätzlichen Vorteil, dass etwa 20 Millionen Tonnen pro Jahr (10 % der Weltproduktion) bereits auf dem Seeweg transportiert werden. Infolgedessen verfügen zahlreiche Hafenanlagen bereits über Verlade-, Lager- und Transportinfrastrukturen für Ammoniak(Gallucci 2021).  

Um eine positive Auswirkung auf das Klima zu haben, muss Wasserstoff, der bei der Umstellung auf andere Brenn- oder Rohstoffe verwendet wird, eine geringe Treibhausgasintensität aufweisen 

Um den vollen Nutzen aus der Umstellung der emissionsintensiven Sektoren auf Wasserstoff zu ziehen, betonte die AGIII, dass der verwendete Wasserstoff eine niedrige Treibhausgasintensität aufweisen muss (d.h. Elektrolyse mit kohlenstoffarmer Elektrizität, Gasreformierung mit sehr hohen Raten CO2-abscheidung und Speicherung, sehr niedrige Raten von Methanemissionen in der Erdgasversorgungskette, minimale Entlüftung/Abfackelung usw.). Die obige Abbildung zeigt ein anschauliches Beispiel: eine Übersicht über die Lebenszyklusemissionen auf der Grundlage verschiedener Transporttechnologien und/oder Kraftstoffarten für schwere Lastkraftwagen. Der WGIII-Bericht enthielt diese Diagramme für jede Art von Frachttechnologie mit Ausnahme der Luftfahrt. Bei schweren Lastkraftwagen sind die Lebenszyklusemissionen bei der Verwendung von Brennstoffzellen, die mit hochemittierendem Wasserstoff betrieben werden (d. h. Reformierung ohne CO2-abscheidung), teilweise mit denen von Dieselkraftstoff vergleichbar. Im Gegensatz dazu bieten Wasserstoff und aus Wasserstoff gewonnene Kraftstoffe (Ammoniak, FT-Diesel), die mit kohlenstoffarmen erneuerbaren Energien hergestellt werden, eine erhebliche Emissionsreduzierung im Vergleich zu den bestehenden fossilen Kraftstoffalternativen.  

Herausforderungen und CATF Empfehlungen 

Emissionsarmer Wasserstoff ist jedoch nicht ohne eigene Herausforderungen. Seine Wirksamkeit als Dekarbonisierungslösung wird, wie die WGIII feststellt, von seinen Kosten im Vergleich zu konventionellem Wasserstoff und den emissionsintensiven Kraftstoffen, die er ersetzt, dem Stand der Technik bei bestimmten Endanwendungen und der Notwendigkeit einer weiter verbreiteten Infrastruktur abhängen (WGIII 6.6.2.4). Eine weitere zentrale Herausforderung wird die internationale Abstimmung über ein Zertifizierungssystem sein, das nicht nur sicherstellt, dass der Wasserstoff auf klimaschonenden Wegen hergestellt wird, sondern auch das Vertrauen des Marktes durch die Akkreditierung des Handels zwischen wichtigen Wasserstoffimporteuren und -exporteuren stärkt.  

CATF hilft bei der Bewältigung dieser Herausforderungen durch rigorose Analysen, die Gestaltung der öffentlichen Politik, die Aufklärung der Öffentlichkeit und die Interessenvertretung, um sicherzustellen, dass der globale Markt, die Politik und die politischen Bedingungen reif sind für einen vollständigen Übergang weg von stark emittierenden Kraftstoffen hin zu kohlenstofffreien Lösungen. Wir empfehlen den Interessengruppen, weiterhin in Forschung, Entwicklung, Demonstration und Einsatz ("RDD&D") für die verantwortungsvolle Entwicklung einer emissionsarmen Wasserstoffproduktion und -nutzung zu investieren. RDD&D-Anstrengungen wie die U.S. Regional Clean Hydrogen Hubs werden zu Erkenntnissen führen, die über die Regionen hinweg ausgetauscht werden können, um weitere öffentliche und private Investitionen und Kooperationen zu katalysieren. Die Regionen sollten sich auch um einen raschen Ausbau der kohlenstofffreien Elektrizität bemühen, insbesondere der sauberen festen Stromerzeugung, die die Kosten für Elektrolyse-Wasserstoff senken wird, da sie eine höhere Einschaltdauer der Elektrolyseure ermöglicht. Unterstützende politische Rahmenbedingungen und Marktanreize für Infrastrukturen zum Kohlenstoffmanagement werden ebenfalls von entscheidender Bedeutung sein, wenn es darum geht, die Kosten für die Produktion von Wasserstoff auf fossiler Basis mit hohen Raten von CO2-abscheidung und Speicherung zu senken.  

Schlussfolgerung 

Die Arbeitsgruppe III des IPCC weist eindeutig darauf hin, dass emissionsarmer Wasserstoff ein Schlüsselinstrument für die Lösung des Klimawandels sein wird. Er weist auch darauf hin, dass emissionsarmer Wasserstoff ein immenses Potenzial für die Dekarbonisierung schwer abbaubarer Sektoren hat. Regionen, die dies verstehen und emissionsarmen Wasserstoff in ihre Dekarbonisierungsstrategien aufnehmen oder weiter etablieren wollen, müssen auch über ihre Grenzen hinausschauen. Die Lösung dieser Herausforderungen in Politik, Markt und Forschung erfordert mehr internationalen Diskurs, Zusammenarbeit und Konsens - und der "Dekarbonisierungstag" der COP27 bietet eine hoffnungsvolle Plattform für die Fortsetzung dieser Diskussionen.