Die saubere Wasserstoffwirtschaft des Mittleren Westens: Potenzial für eine gemeinschafts- und klimagerechte Dekarbonisierung der Industrie

Der Mittlere Westen ist ein dynamischer und vielfältiger Landstrich mit einer Wirtschaft, die mehr als nur die Landwirtschaft umfasst. Die größte inländische Erdölraffinerie des Landes, der Großteil der heimischen Eisen- und Stahlproduktion, zahlreiche Düngemittel- und Chemiehersteller sowie ein ausgedehntes Netz von Fern- und Schwerlasttransporten sind im Mittleren Westen zu Hause. Alle diese Branchen gelten als schwer abbaubare Sektoren, da sie entweder kohlenstoffhaltige Kraftstoffe (z. B. Diesel) verwenden oder Kohlenstoff als Teil ihres Produktionsprozesses produzieren (z. B. Stahl oder Raffinerien) und nicht vollständig durch Elektrifizierung dekarbonisiert werden können. Kohlenstoffarmer Wasserstoff ist ein entscheidender Bestandteil des Lösungspakets für den Klimaschutz, insbesondere als Ausgangsstoff für andere Produkte für diese schwer abbaubaren Industrien und als kohlenstofffreier Ersatz für die derzeitigen flüssigen Kraftstoffe. In Anbetracht dessen wird er wahrscheinlich eine wichtige Rolle spielen, wenn es darum geht, die vollständige Dekarbonisierung der Wirtschaft bis 2050 zu erreichen. 

Im Jahr 2023 hat das US-Energieministerium (DOE) eine nationale Wasserstoffstrategie ins Leben gerufen, um die Produktion und Nutzung von kohlenstoffarmem Wasserstoff im ganzen Land zu steigern. Angesichts der Konzentration schwer abbaubarer Industrien im Mittleren Westen kann die Region vom Regional Clean Hydrogen Hubs Program (Hubs Program) des DOE profitieren, das vom Kongress verabschiedet wurde. Das Hubs-Programm des DOE kann und sollte sicherstellen, dass kohlenstoffarmer Wasserstoff vorrangig in Endverbrauchssektoren eingesetzt wird, die derzeit Wasserstoff verwenden, um die bestehenden Kohlendioxid (_CO2)-Emissionsreduzierungen zu maximieren. Mit der Ausweitung des Hubs-Programms und der Steigerung der Produktionsmengen sollten dann weitere Endverbrauchssektoren, die vielversprechende Vorteile für das Klima und die Gemeinschaft bieten, vorrangig behandelt werden, darunter Schlüsselindustrien des Mittleren Westens wie die Schwerindustrie und der Schwerlastverkehr. 

Die Wasserstoff-Hubs im Mittleren Westen 

Derzeit wird Wasserstoff als Rohstoff und Brennstoff für eine Vielzahl von Produkten verwendet, die überall in der modernen Welt zum Einsatz kommen. Der heutige Wasserstoff wird fast ausschließlich aus fossilen Rohstoffen hergestellt, wobei der größte Teil des weltweiten Wasserstoffs durch ein Verfahren namens Methan-Dampfreformierung (SMR) erzeugt wird, bei dem Erdgas mit Dampf umgesetzt wird, um beide Moleküle zu spalten, wodurch reiner Wasserstoff und_CO2 entstehen. Diese derzeitige, sehr kohlenstoffintensive Wasserstoffproduktion ist weltweit für mehr als 900 Millionen Tonnen_{CO2-Emissionen} pro Jahr verantwortlich (etwa 2,5 % unserer globalen Emissionen). Das Hubs-Programm zielt darauf ab, diese Emissionen zu verringern und neue Verwendungszwecke für Wasserstoff in schwer abbaubaren Sektoren zu fördern, indem es Demonstrationsmittel für die Umstellung bestehender Produktionsverfahren auf kohlenstoffarme Produktionsmethoden bereitstellt. Fünf Hubs im Mittleren Westen haben im Rahmen des wettbewerbsorientierten Hubs-Programms endgültige Anträge beim DOE eingereicht, darunter:  

• Great Lakes Clean Hydrogen Hub (GLCH) 
• Heartland Hub(HH2H) 
• Wasserstoff, Landwirtschaft, erneuerbare Energien, Fahrzeuge, Energiespeicherung und Verkehrsknotenpunkt (HARVEST) 
• Mid-Continent Clean Hydrogen Hub(MCH2) 
• Midwest Alliance for Clean Hydrogen(MachH2) 

Von den fünf Bewerbern wurden HH2H und MachH2 vom DOE für die nächste Phase des Hubs-Programms ausgewählt.  

Diese Antragsteller planen die Entwicklung ähnlicher Produktionsprozesse und primärer Endanwendungen, wie aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht ( CATF ), den Ankündigungen der Antragsteller und der Ankündigung des DOE Office of Clean Energy Demonstrations (OCED). 

	Beteiligte Staaten	Federführende(r) Antragsteller	Produktionspfad	Endverbraucher
HH2H	MT, MN, ND, SD, WI*	U. North Dakota Energie- und Umweltforschungszentrum	Biomassevergasung Kernenergie Erneuerbare Energien Erdgas mit CO2-abscheidung und Sequestrierung	Düngemittel Stromerzeugung Heizung für Privathaushalte Transport
MachH2	IL, IN, MI	Konstellation	Kernenergie Erneuerbare Energien Erdgas mit CO2-abscheidung und Sequestrierung	Industrielle Raffination Transport Stromerzeugung

Während diese beiden ausgewählten Drehkreuze vorankommen werden, bleibt abzuwarten, ob die drei verbleibenden Bewerber unabhängig voneinander vorankommen werden. 

Eine kohlenstoffarme Produktion ist unerlässlich 

Sowohl HH2H als auch MachH2 haben erklärt, dass sie eine Kombination aus Atom-, Wind- und Solarenergie nutzen werden, um die Elektrolyseure anzutreiben, die durch die Spaltung von Wasser kohlenstoffarmen Wasserstoff herstellen werden. Beide Zentren erwähnen auch eine gewisse Produktion aus Erdgas mit CO2-abscheidung und Sequestrierung. Unabhängig von der Produktionsmethode müssen die Hubs alle möglichen Anstrengungen unternehmen, um ihre Treibhausgasemissionen zu minimieren. Für die auf Elektrolyseuren basierende Produktion bedeutet dies die Verwendung von kohlenstofffreiem Strom für den Betrieb der Elektrolyseure. Bei der erdgasbasierten Produktion bedeutet dies, dass hohe Raten von CO2-abscheidung erreicht werden müssen, dass die Methanleckagen aus der Erdgaslieferkette minimiert werden müssen und dass kohlenstofffreie Elektrizität für den gesamten Prozessstrom verwendet werden muss.   

Hochwertige Endnutzungen sollten priorisiert werden 

Wie bei allen neuen Investitionen in Technologien gibt es sowohl Versprechungen als auch Hype. Es wurde viel darüber gesprochen, dass Wasserstoff für eine Vielzahl von Endanwendungen genutzt werden kann, aber es ist wichtig zu wissen, dass seine Herstellung energieintensiv und ein teurer Energieträger ist. Aus diesen Gründen sollten Drehkreuze Wasserstoff vorrangig in Sektoren einsetzen, die derzeit Wasserstoff als Input verwenden, gefolgt von Sektoren, für die es keine praktikablen Alternativen zur Dekarbonisierung gibt oder deren Elektrifizierung unerschwinglich ist. Im Mittleren Westen stellt Wasserstoff eine Möglichkeit dar, die bestehenden Emissionen in mehreren wichtigen Sektoren auszugleichen:  

1. Erdölraffination
   
   Weltweit werden etwa 43 % des derzeit produzierten Wasserstoffs in Erdölraffinerien erzeugt und verbraucht. Die Substitution der derzeitigen emissionsintensiven Wasserstoffproduktion durch kohlenstoffarmen Wasserstoff ist ein einfacher Gewinn, der die_{CO2-Emissionen} kurzfristig senken kann, wenn die Raffinerien in den kommenden Jahrzehnten auf eine kohlenstoffarme Wirtschaft umstellen.  

2. Ammoniakproduktion
   
   Weltweit werden bei der Ammoniakproduktion, die hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln verwendet wird, etwa 500 Millionen Tonnen_CO2 freigesetzt. Der Ersatz der derzeitigen Wasserstoffproduktionsmethoden durch kohlenstoffarmen Wasserstoff kann die Kohlenstoffintensität dieses Prozesses erheblich verringern.  

3. Eisen- und Stahlherstellung
   
   Der Mittlere Westen ist eine Hochburg der Stahlindustrie der Vereinigten Staaten. In einigen dieser Werke kann Wasserstoff als Ersatz für Kokskohle im Eisenraffinierungsprozess verwendet oder in einer reinen Sauerstoffumgebung (der so genannten "Oxy-Combustion") als Ersatz für Erdgas in Hochwärmeanwendungen wie der Stahl- und Glasherstellung verbrannt werden. 

4. Methanol
   
   Methanol ist ein chemischer Grundstoff für eine Vielzahl von Haushaltsprodukten und Chemikalien. Für seine Herstellung wird Erdgas als Ausgangsstoff verwendet. Würde man dieses durch kohlenstoffarmen Wasserstoff ersetzen, würde die Kohlenstoffintensität dieses Grundstoffs insgesamt sinken. Aufgrund seiner chemischen Struktur (_CH3OH) kann es jedoch nicht vollständig dekarbonisiert werden. 

Weitere vielversprechende Verwendungsmöglichkeiten, die dem Klima im Mittleren Westen zugute kommen könnten, sind: 

1. Schwere Langstreckentransporte
   
   Diesel-LKW-Flotten durchqueren die Region und das ganze Land und verursachen entlang der Interstate-Korridore eine erhebliche lokale Luftverschmutzung. Während derzeit batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) für Schwerlastflotten verfügbar sind, nutzen Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) Wasserstoff als Energieträger und bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber ihren BEV-Pendants. 

2. Kraftstoffe für die Seeschifffahrt
   
   Die Seeschifffahrt in der Region der Großen Seen, auf den Flussschifffahrtsflotten im Mittleren Westen und weltweit ist stark auf Dieselkraftstoff angewiesen. Kohlenstoffarmer Wasserstoff, Ammoniak und Methanol sind allesamt Optionen, um die derzeitigen Dieselflotten zu ersetzen, und die Beschaffung des Wasserstoffs für jeden dieser Endkraftstoffe aus kohlenstoffarmen Quellen wird dazu beitragen, dass diese Umstellungen so klimaschonend wie möglich sind. 

3. Raffination von Biokraftstoffen
   
   Ähnlich wie bei der Erdölraffination wird bei der Herstellung von Biokraftstoffen aus Biomasse Wasserstoff zur Entfernung von Sauerstoff und zur Hydrobehandlung des Endprodukts benötigt. Die Substitution der derzeitigen Wasserstoffproduktion durch kohlenstoffarmen Wasserstoff ist eine weitere Möglichkeit, die mit der Biokraftstoffproduktion verbundenen Emissionen zu senken. 

4. Nachhaltige Flugkraftstoffe
   
   Der Luftfahrtsektor ist für etwa 2 % der weltweiten_{CO2-Emissionen} verantwortlich, und die Elektrifizierung von Flugzeugen ist eine Herausforderung. Nachhaltige Flugkraftstoffe (Sustainable Aviation Fuels, SAF) sind ein sehr neues Forschungsgebiet und werden sich in den kommenden Jahrzehnten weiterentwickeln. Wasserstoff kann eine Option zur Dekarbonisierung sein - durch wasserstoffbetriebene Flugzeuge, die Verwendung von Wasserstoff als Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe oder die notwendige Hydrobehandlung von SAF auf Biobasis. Die potenziellen Emissionsreduzierungen dieser derzeit vorgeschlagenen Ersatzkraftstoffe erfordern kohlenstoffarmen Wasserstoff als Ausgangsstoff. 

Wasserstoff wird auch für andere Sektoren und Endanwendungen in Betracht gezogen, aber diese Fälle sind möglicherweise nicht die klima- und gemeinschaftsfreundlichsten Wege zur Dekarbonisierung. Die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft hat das Potenzial, die lokalen Emissionen von Stickoxiden (NOx) zu erhöhen, die mit Gesundheitsrisiken für die Atemwege in Verbindung gebracht werden. Daher muss die Verwendung von Wasserstoff für die Beimischung von Erdgas, die Stromerzeugung, die Beheizung von Wohngebäuden und die Nutzung von leichten Nutzfahrzeugen oder Personenkraftwagen (so genannte Wasserstoffverbrennungsmotoren oder H2ICE) genau geprüft werden, um sicherzustellen, dass sie die lokale Luftverschmutzung in historisch überlasteten Gemeinden nicht verschlimmern. Jeder prognostizierte Anstieg muss gegen den Rückgang anderer lokaler Emissionen (z. B. Feinstaub) abgewogen werden, damit die Gemeinden die Kompromisse bewerten und Alternativen festlegen können. Auch die Nutzung von Wasserstoff als saisonale Energiespeichermöglichkeit kann einige Nischenanwendungen haben, aber ihr Einsatz wird wahrscheinlich regional begrenzt sein. 

Was kommt als Nächstes? 

Obwohl die beiden Hubs im Mittleren Westen als Finalisten ausgewählt wurden, sind sie noch nicht endgültig. Das Hubs-Programm tritt nun in die Verhandlungsphase ein, in der das DOE und die Hubs-Bewerber ein gemeinsames Verständnis des Projektumfangs, des Budgets und der Anforderungen für die Vergabevereinbarung entwickeln werden - einschließlich der Verpflichtungen in Bezug auf den Nutzen für die Gemeinschaft. Als Teil dieses Prozesses sind Pläne zur Einbindung der Gemeinden und zum Nutzen für die Gemeinschaft von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Gastgemeinden über die Technologie informiert sind und in der Lage sind, ihren Beitrag zur Gestaltung der Vorteile und zur Minderung der Risiken im Zusammenhang mit diesen neuen Infrastrukturprojekten zu leisten. Dies ist ein zentraler Bestandteil des Hubs-Programms, und es wird für die Gastgemeinden, Entwickler und interessierte Dritte, wie CATF, von entscheidender Bedeutung sein, bei der Bewältigung neuer Herausforderungen, die sich ergeben könnten, zusammenzuarbeiten. Einige dieser Herausforderungen könnten sein: 

• Standortentscheidungen für erneuerbare Energien, Elektrolyseure, Kohlenstoffspeicher, Wasserstoffspeicher und Verkehrsinfrastruktur; 
• Sicherstellen, dass die Wasserstoffnachfrage in Sektoren steigt, in denen Wasserstoff bereits als Einsatzstoff verwendet wird, gefolgt von Sektoren, in denen Wasserstoff das größte Potenzial für die Dekarbonisierung schwer abbaubarer Sektoren aufweist; und 
• Maximierung des lokalen Nutzens (z. B. Verbesserung der Luftqualität und Entwicklungschancen für Arbeitskräfte) und Minderung der Risiken (z. B. sichere Wassernutzung, -aufbereitung, -wiederverwendung und -entsorgung). 

Bislang haben sowohl HH2H als auch MachH2 verschiedene Aspekte ihrer Pläne zum Nutzen der Gemeinschaft vorgestellt, und es gibt viele Aspekte, die erwähnenswert sind. HH2H sieht beispielsweise eine potenzielle Partnerschaft mit den Mandan, Hidatsa und Arikara Nation, lokalen Landwirten und landwirtschaftlichen Genossenschaften vor, konzentriert sich auf die Schaffung von Wohlstand für die Partner in der Gemeinde, beinhaltet K-12 MINT- und Ausbildungsprogramme und wird von einem CBP-Beirat geleitet. Ebenso verpflichtete sich MachH2, historisch benachteiligte Gemeinden einzubeziehen, um hochbezahlte Arbeitsplätze im Zusammenhang mit dem Drehkreuz zu schaffen; es verpflichtete sich, mehr als 40 % der Mittel für Unterauftragnehmer an verschiedene Unternehmen zu vergeben; und es wird sowohl von einer Arbeitsgruppe für Gemeinnützigkeit als auch von lokalen Beratungsgremien geleitet. Jetzt, da die Antragsteller in die Verhandlungsphase des Hubs-Programms eingetreten sind, kommt es darauf an, dass diese Verpflichtungen mit Leben erfüllt werden. 

Der Mittlere Westen verfügt über eine Vielzahl von Industriezweigen, deren Kohlenstoffemissionen durch den Ausbau und die Nutzung von kohlenstoffarmem Wasserstoff erheblich gesenkt werden könnten. Mit einer sinnvollen Einbindung der Gemeinden und Partnerschaften, die den Gastgebergemeinden Entscheidungsbefugnisse einräumen und sich nach bestem Wissen und Gewissen um die Belange der Gemeinden bemühen, haben diese Hubs und ihre Projekte das Potenzial, die lokale Luftverschmutzung zu verringern und Arbeitsplätze für saubere Energie in den Gemeinden zu schaffen. Damit diese Vorteile im Mittleren Westen zum Tragen kommen, ist jedoch eine enge Zusammenarbeit zwischen Gemeinden, Hub-Entwicklern und politischen Entscheidungsträgern erforderlich.  

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Weitere Informationen über Wasserstoff-Hubs finden Sie unter CATF( U.S. Hydrogen Hubs Map) sowie in unserem jüngsten Blog nach der Bekanntgabe der Auswahl der Wasserstoff-Hubs. Diese Ressourcen werden aktualisiert, sobald weitere Details zu den Knotenpunkten bekannt werden.