Wasserstoff für die Dekarbonisierung: Eine realistische Einschätzung

Einführung

Wasserstoff wird zunehmend als eine Option für die Dekarbonisierung bestimmter Emissionsquellen und Sektoren gesehen, in denen eine direkte Elektrifizierung oder andere kohlenstoffarme Optionen technisch oder wirtschaftlich nicht machbar sind. Das Interesse an Wasserstoff ist nicht neu und lässt sich bis in die 1970er Jahre zurückverfolgen, aber frühere Versuche, diesen potenziellen Energieträger zu entwickeln - zuletzt in den frühen 2000er Jahren - haben es nie geschafft, Wasserstoff als bedeutende Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen zu etablieren. Manche argumentieren, dass es diesmal anders sei, und in einigen wichtigen Punkten stimmt das auch. Der heutige Enthusiasmus für Wasserstoff wird in erster Linie durch Klimabedenken und nicht durch Überlegungen zur Energiesicherheit angetrieben. Darüber hinaus haben der beispiellose Ausbau der erneuerbaren Energien und der rasche Rückgang der Kosten für Wind- und Solarenergie dem Konzept der Wasserstofferzeugung aus erneuerbarem Strom neues Leben eingehaucht.

Was sich jedoch nicht geändert hat, sind die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff selbst, insbesondere seine geringe volumetrische Energiedichte, die die Lagerung und den Transport von Wasserstoff erschwert. Diese und andere Eigenschaften haben in der Vergangenheit den Eintritt von Wasserstoff in neue Anwendungen jenseits der industriellen Prozesse, für die er traditionell verwendet wurde, behindert.

Nichtsdestotrotz treibt der Optimismus über das Potenzial von Wasserstoff als Instrument zur Dekarbonisierung weiterhin technisch-wirtschaftliche Bewertungen an, denen es an Fakten und Erfahrungen mangelt. Dies hat erhebliche Auswirkungen, angefangen bei der Tendenz, unrealistische Schätzungen der wahrscheinlichen Kosten und des künftigen Angebots an sauberem Wasserstoff zu erstellen.

Darüber hinaus wird in vielen aktuellen Bewertungen die Herausforderung des Einsatzes von Wasserstoff in verschiedenen Endanwendungen heruntergespielt und es werden keine Kompromisse bei der Unterstützung anderer Technologien erkannt, die für die Dekarbonisierung der gesamten Wirtschaft erforderlich sind.

In diesem kurzen Beitrag wird ein pragmatischer Rahmen vorgestellt, in dem Wasserstoff eine wirksame Rolle bei der Lösung des Klimaproblems spielen kann, wobei die Herausforderung der Dekarbonisierung, die die heutige Wasserstoffproduktion darstellt, berücksichtigt wird. Durch diese Brille betrachtet, können Ingenieure, Planer und politische Entscheidungsträger heute vielversprechende und kosteneffektive Anwendungen für sauberen Wasserstoff besser identifizieren.

Grundlagen des Wasserstoffs

Wasserstoffproduktion heute

Nahezu die gesamte Wasserstoffproduktion erfolgt heute aus fossilen Rohstoffen. Weltweit werden jährlich etwa 59 Millionen Tonnen (MT) Wasserstoff aus Erdgas durch Methandampfreformierung hergestellt. Weitere 20 Millionen Tonnen pro Jahr werden aus Kohle durch Vergasung hergestellt, während der Rest der weltweiten Produktion aus Öl und Elektrizität stammt (der größte Teil der kohlebasierten Produktion befindet sich in China). Diese Methoden sind kohlenstoffintensiv. Etwa 16 % der Wasserstoffproduktion im Jahr 2022 bestand aus Nebenprodukt-Wasserstoff, der zumeist vor Ort verbraucht wird.

Abbildung 1: Wasserstoffproduktion nach Technologie, 2020 - 2022

Quelle: Internationale Energieagentur 2023 (angepasst von CATF)

Methoden zur Dekarbonisierung der Wasserstofferzeugung

Die direkten Kohlendioxid (_CO2)-Emissionen der derzeitigen Wasserstoffproduktion machen schätzungsweise etwa 2 % der weltweiten_{CO2-Emissionen} aus - einschließlich etwa 240-380 MT/Jahr aus der Raffination und etwa 680 MT/Jahr aus der Industrie(IEA 2023). Somit bietet der bestehende Wasserstoffverbrauch eine attraktive Möglichkeit zur Dekarbonisierung. Für eine wirksame Dekarbonisierung der Wasserstoffproduktion in großem Maßstab sind zwei Hauptpfade - Wasserelektrolyse und Methanreformierung mit CO2-abscheidung und Speicherung (CCS) - von Interesse.

Bei der Wasserelektrolyse wird ein elektrischer Strom verwendet, um Wasser in seine Bestandteile aufzuspalten. Solange der Strom auf kohlenstoffarme Weise erzeugt wird, kann der entstehende Wasserstoff als kohlenstoffarm gelten (um aus regulatorischen oder politischen Gründen als "sauber" oder "kohlenstoffarm" zu gelten, muss die Stromquelle unter Umständen bestimmte Anforderungen oder einen bestimmten Schwellenwert der Kohlenstoffintensität erfüllen). Die Wasserelektrolyse ist wesentlich teurer als herkömmliche, kohlenstoffintensive Methoden der Wasserstofferzeugung und macht derzeit nur einen winzigen Bruchteil der weltweiten Wasserstoffversorgung aus.

Bei der Methanreformierung mit CO2-abscheidung und Speicherung wird Erdgas als Ausgangsstoff verwendet. Um kohlenstoffarm zu sein, muss diese Produktionsmethode CCS beinhalten. Die Lebenszyklus-Kohlenstoffemissionen dieses Wasserstoffherstellungspfads umfassen die vorgelagerten Methanemissionen aus der Erdgasförderung und -übertragung, die indirekten_{CO2-Emissionen} aus dem Stromverbrauch und die direkten_{CO2-Emissionen} aus der Reformierungsanlage selbst. Um als kohlenstoffarm zu gelten, müssen diese Emissionen so weit wie möglich minimiert werden, und zwar durch hohe Raten von CO2-abscheidung, geringe Methanleckagen und die Verwendung von kohlenstoffarmem Strom. Um beispielsweise nach den europäischen Vorschriften als kohlenstoffarm zu gelten, müssen diese direkten Emissionen mit der Technologie von CO2-abscheidung um 90 % oder mehr reduziert werden^.1

Versorgung mit sauberem Wasserstoff

Trotz einer Fülle von Projektankündigungen in jüngster Zeit ist kohlenstoffarmer Wasserstoff derzeit Mangelware. Im Jahr 2022 machte die Wasserelektrolyse nur 0,1 % der weltweiten Wasserstoffproduktion aus, was vor allem auf die schwierigen wirtschaftlichen Bedingungen dieses Produktionswegs, aber auch auf eine unterentwickelte Lieferkette zurückzuführen ist. Obwohl sich dieses Bild durch finanzielle Anreize und politische Maßnahmen in naher Zukunft ändern dürfte, bestehen weiterhin erhebliche Hürden. Großtechnische Wasserstoffproduktionsanlagen sind kapitalintensiv und erfordern eine reichliche Versorgung mit sauberem Strom (im Falle der Wasserelektrolyse) oder hocheffiziente CO2-abscheidung Systeme mit anderen unterstützenden Infrastrukturen wie_{CO2-Pipelines} und geologische Speicher (im Falle der Methandampfreformierung mit CCS).

Beide Arten von Wasserstoffproduktionsanlagen werden wahrscheinlich zusätzliche Jahre für Entwurf, Planung, Genehmigung und Lieferung benötigen. Darüber hinaus konkurrieren große Wasserelektrolyseanlagen um sauberen Strom zu einer Zeit, in der die Nachfrage nach erneuerbaren Energien zur Dekarbonisierung des Energiesektors insgesamt hoch ist und weiter steigt. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass die direkte Dekarbonisierung des Netzes aufgrund ihres erheblichen kurzfristigen Potenzials zur Kohlenstoffreduzierung Vorrang haben wird. Um diese Spannungen ins rechte Licht zu rücken, würde die Versorgung der gesamten derzeitigen US-Wasserstoffproduktion (10 MT/Jahr) durch Wasserelektrolyse mehr als die Hälfte (60 %) der gesamten derzeitigen US-Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien verbrauchen .²

Globaler Wasserstoffhandel

Praktisch der gesamte heute produzierte Wasserstoff wird am Produktionsstandort verbraucht oder per Pipeline zu einer relativ nahe gelegenen Anlage transportiert; nur geringe Mengen werden an einem weit entfernten Ort verbraucht oder von Industriegasunternehmen im Handelsgeschäft transportiert.

Abbildung 2: Transport und Speicherung von Wasserstoff

Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Quelle: Internationale Energieagentur 2019

Eigentum	Wasserstoff	Vergleich
Dichte (gasförmig)	0,089 kg/m3 (0˚C, 1 bar)	1/10 des Erdgases
Dichte (flüssig)	70,79 kg/m3 (-253˚C, 1 bar)	1/6 des Erdgases
Siedepunkt	-252,76˚C, 1 bar	90˚C unter LNG
Energie pro Masseneinheit (LHV)	120,1 MJ/kg	3x so hoch wie bei Benzin
Energiedichte (Umgebungsbedingungen, LHV)	0,01 MJ/L	1/3 des Erdgases
Spezifische Energie (verflüssigt, LHV)	8,5 MJ/L	1/3 von LNG
Geschwindigkeit der Flamme	346 cm/s	8x Methan
Reichweite der Zündung	4-77% in Luft nach Volumen	6x breiter als Methan
Selbstentzündungstemperatur	585˚C	220˚C für Benzin
Zündenergie	0,02 MJ	1/10 des Methans

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff (Tabelle 1) machen deutlich, warum es ein schwierig zu lagerndes und zu transportierendes Molekül ist: Es hat eine sehr geringe Volumendichte (wie Helium existiert Wasserstoff bei Umgebungstemperatur und -druck als Gas, ist aber doppelt so leicht) und einen Siedepunkt, der einige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt, der niedrigsten theoretisch möglichen Temperatur.

Die Herausforderungen, die der Transport und die Speicherung von Wasserstoff mit sich bringen, haben zahlreiche ressourcenreiche Länder nicht davon abgehalten, kühne Pläne für die Produktion und den Export von Wasserstoff in großem Maßstab zu verkünden. Einige dieser Länder haben sogar Wasserstoffexportvereinbarungen mit traditionellen Energieimporteuren unterzeichnet. Ebenso sagen einige Branchenanalysten voraus, dass der Welthandel mit Wasserstoff schließlich den derzeitigen Handel mit Erdöl und Erdgas widerspiegeln wird - sowohl hinsichtlich des Umfangs als auch der Reichweite.

Als Grundlage für diese hohen Erwartungen verweisen die Befürworter auf eine Kombination aus erhöhter politischer Nachfrage nach kohlenstoffarmem Wasserstoff, um die Klimaverpflichtungen zu erfüllen, und dem Kostenvorteil, den bestimmte ressourcenreiche Länder als Produzenten von kohlenstoffarmem Wasserstoff im Vergleich zu energiehungrigen, aber ressourcenarmen Importländern zu haben glauben. Es ist jedoch nicht klar, dass die derzeitigen Prognosen die technisch-wirtschaftlichen Realitäten des Wasserstofftransports angemessen widerspiegeln. Diese Realitäten werden in einer von der Clear Air Task Force (CATF) in Auftrag gegebenen Analyse aus dem Jahr 2022 untersucht, in der verschiedene Wege für den Import von Wasserstoff nach Europa analysiert und die Grenzen des Seetransports hervorgehoben werden, der die einzige Alternative zum Pipelinetransport für die Beförderung großer Mengen Wasserstoff über große Entfernungen wäre. Optionen für Flüssigwasserstoffträger, die sich für den Transport per Schiff eignen könnten, werden im Kasten beschrieben^.3

Abbildung 3: Lieferkette für Wasserstoffproduktion und -transport

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff dazu führen, dass der Seetransport von Wasserstoff kostspielig und/oder ineffizient ist. Leider lassen sich diese Eigenschaften nicht durch Innovation oder Technologie ändern. Derzeit produzieren und exportieren alle Entwickler von kohlenstoffarmem Wasserstoff Produkte wie Ammoniak, Methanol, nachhaltige Flugkraftstoffe und Stahl, die Wasserstoff als Ausgangsstoff benötigen. Theoretisch können erhebliche Mengen an Wasserstoff über Pipelines transportiert werden, aber die Geopolitik wird wahrscheinlich ein entscheidender Faktor dafür sein, ob der Pipelinetransport eine größere Rolle spielen wird, insbesondere im Zusammenhang mit dem nordafrikanischen und europäischen Handel.

Priorisierung von Endanwendungen für sauberen Wasserstoff

Heute beläuft sich der weltweite Wasserstoffverbrauch auf etwa 95 MT/Jahr - fast ausschließlich für die Verwendung als Rohstoff (nicht als Kraftstoff) in der ^Raffination6 (41 MT/Jahr), der Ammoniakproduktion (33 MT/Jahr), der Methanolproduktion (16 MT/Jahr) und der Stahlherstellung (5 MT/Jahr). Damit sauberer Wasserstoff eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung spielen kann, müsste die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff drastisch zunehmen.

In Anbetracht der in den vorangegangenen Abschnitten erörterten Einschränkungen in Bezug auf die physikalischen Eigenschaften und die potenziellen Kosten wird kohlenstoffarmer Wasserstoff am besten in Anwendungen eingesetzt, für die es einfach keine anderen guten Dekarbonisierungsoptionen gibt. Im Idealfall werden die Marktkräfte, die von einer immer strengeren Dekarbonisierungspolitik beeinflusst werden, kohlenstoffarmen Wasserstoff zu den optimalen Endanwendungen leiten. Die Industriepolitik sollte jedoch wirtschaftlich und ökologisch effiziente Ergebnisse fördern - oder zumindest nicht entmutigen. In den nächsten Abschnitten wird ein Ansatz zur Priorisierung von Anwendungen für sauberen Wasserstoff erörtert, da politische Entscheidungsträger und Investoren schwierige Kompromisse bei der Erreichung der Dekarbonisierungsziele in den kommenden Jahrzehnten abwägen.

Abbildung 4: Wasserstoffnutzung in der Industrie

Quelle: Internationale Energieagentur 2023 (angepasst von CATF)

Abbildung 5: Wasserstoffanwendungen

Kohlenstoffarmer Wasserstoff - Anwendungen ohne Reue

Die Ersetzung des derzeitigen kohlenstoffintensiven Wasserstoffverbrauchs durch kohlenstoffarmen Wasserstoff ist ein unbedenklicher Weg zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen, da Wasserstoff bereits in der Industrie verwendet wird und die entsprechende Infrastruktur vorhanden ist. Dieser Ansatz kann auch die nachhaltige Kontinuität der Produktion sicherstellen, wenn es keine Alternativen zu Wasserstoff gibt.

Erdölraffination - Raffinerien stellen eine breite Palette von Produkten her, die für das Funktionieren der heutigen Wirtschaft von entscheidender Bedeutung sind, und Wasserstoff ist ein wichtiger Ausgangsstoff für ihre Tätigkeit. Viele dieser Produkte lassen sich nur schwer schnell und kostengünstig ersetzen, und sie werden wahrscheinlich auch in unserer künftigen Wirtschaft eine Rolle spielen. Wasserstoff wird zum Beispiel zur Entfernung von Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff, Olefinen und Schwermetallen in Kraftstoffen verwendet. Diese Hydrotreating-Verfahren sind notwendig, um sicherzustellen, dass die fertigen Erdölprodukte den technischen, behördlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen entsprechen. Wasserstoff spielt auch eine Rolle bei der Steigerung der Produktausbeute beim Hydrocracken und bei der Herstellung einer Vielzahl von Nichtbrennstoffprodukten wie Schmiermitteln und Anodenkoks, einem wichtigen Bestandteil der Stahl- und Aluminiumproduktion. Der Einsatz von kohlenstoffarmem Wasserstoff als Ersatz für 26 MT/Jahr der unverminderten Wasserstoffproduktion in Raffinerien könnte zu einer Verringerung der_{CO2-Emissionen} um 240-380 MT/Jahr führen (was den Emissionen des Vereinigten Königreichs entspricht) - eine "niedrig hängende" Dekarbonisierungsmöglichkeit^.7

Abbildung 6: Raffinerieprodukte, die nicht für den Transport von Brennstoffen bestimmt sind

Ammoniakproduktion - Ammoniak ist ein entscheidender Bestandteil von Stickstoffdüngern, die eine wesentliche Rolle bei der Sicherung der Nahrungsmittelversorgung der Weltbevölkerung spielen. Tatsächlich werden 70 % des weltweiten Ammoniakangebots für die Düngemittelproduktion verwendet.⁸ Ammoniak hat auch andere wichtige Verwendungszwecke, z. B. für Sprengstoffe im Bergbau, Kunstfasern und Spezialanwendungen. Die derzeitige Ammoniakproduktion - weltweit 190 MT/Jahr - verursacht schätzungsweise 450 MT/Jahr an globalen ^{CO2-Emissionen9} (etwa 70 % des Ammoniaks werden mit Erdgas hergestellt; der Rest wird mit Kohle produziert, hauptsächlich in China). Wasserstoff ist ein Zwischenprodukt bei der Ammoniakherstellung, bei der Wasserstoff mit Stickstoff aus der Atmosphäre reagiert. Angesichts der entscheidenden Rolle von Ammoniak als Grundlage des modernen, industriellen Agrarsystems, von dem die gesamte Menschheit abhängt, sollte die Dekarbonisierung des zur Ammoniakherstellung verwendeten Wasserstoffs ganz oben auf der Liste der Anwendungen für kohlenstoffarmen Wasserstoff stehen.

Methanolherstellung - Methanol (_CH3OH⁾¹⁰ ist eine wichtige Industriechemikalie, die bei der Herstellung von Formaldehyd (einem chemischen Zwischenprodukt, das zur Herstellung von Polyurethan und verschiedenen Harzen verwendet wird), Essigsäure (einem chemischen Zwischenprodukt, das zur Herstellung von Klebstoffen, Latexfarben, verschiedenen Harzen und Dichtungsmitteln verwendet wird) und Kunststoffen (bei denen Methanol in Olefine umgewandelt wird) eingesetzt wird. Methanol und seine Derivate werden auch als Kraftstoffzusätze zur Verbesserung der Verbrennungseigenschaften verwendet. Die derzeitige Methanolproduktion - weltweit 98 MT/Jahr - trägt schätzungsweise 130 MT/Jahr zu den globalen_{CO2-Emissionen} bei (60 % des Methanols werden mit Erdgas hergestellt; der Rest wird mit Kohle produziert, hauptsächlich in China, auf das die Hälfte der weltweiten Methanolproduktion entfällt)^.11 Wasserstoff ist ein Zwischenprodukt bei der Methanolproduktion. Angesichts der Bedeutung von Methanol für eine Vielzahl industrieller Anwendungen sollte die Dekarbonisierung des zur Methanolherstellung verwendeten Wasserstoffs ganz oben auf der Liste der Anwendungen für kohlenstoffarmen Wasserstoff stehen.

Stahlherstellung - Wasserstoff spielt derzeit eine Rolle bei der Stahlherstellung durch das DRI-EAF-Verfahren (Direct Reduced Iron-Electric Arc Furnace) (bekannt unter dem Markennamen Midrex®), bei dem Wasserstoff aus einem synthetischen Gas (hauptsächlich H2+CO) verwendet wird, um Sauerstoff aus Eisenerz in DR-Qualität zu entfernen. Die Idee, kohlenstoffarmen Wasserstoff in bestehenden DRI-Anwendungen zu verwenden, wurde als eine Möglichkeit vorgeschlagen, die Klimaauswirkungen der Stahlherstellung zu verringern. Interessanterweise weist die Region Naher Osten und Nordafrika (MENA) in dieser Hinsicht ein großes Dekarbonisierungspotenzial auf: Obwohl diese Region nur 3 % der weltweiten Rohstahlproduktion ausmacht, entfallen auf sie 46 % (55 MT/Jahr) der gesamten DRI-basierten Stahlproduktion der Welt.

Andere mögliche Anwendungen von kohlenstoffarmem Wasserstoff

Die vollständige Dekarbonisierung des Verkehrswesens bringt komplizierte Herausforderungen mit sich, insbesondere für die schwer zu elektrifizierenden Verkehrsträger. Zur Herstellung von Kraftstoffen für diese Segmente des Verkehrssektors wird Wasserstoff benötigt.

Luftfahrt - Für die Dekarbonisierung des Luftfahrtsektors wird kohlenstoffarmer Wasserstoff benötigt, um nachhaltige Flugkraftstoffe auf Biomassebasis (Bio-SAF) zu verbessern, Düsentreibstoff aus Wasserstoff und abgeschiedenem Kohlenstoff zu synthetisieren (synthetische SAF) und möglicherweise Flugzeuge anzutreiben, die direkt mit Wasserstoff betrieben werden. SAF stoßen auf Interesse, weil sie den Vorteil haben, dass sie mit der vorhandenen Infrastruktur und den vorhandenen Triebwerken kompatibel sind (aus diesem Grund werden sie oft als "Drop-in"-Kraftstoffe bezeichnet). Öle und Fette biogenen Ursprungs zur Herstellung von Bio-SAF müssen mit Wasserstoff behandelt werden, um geradkettige paraffinische Kohlenwasserstoffe ohne Aromaten, Sauerstoff oder Schwefel zu erzeugen^.12 Die Verwendung von kohlenstoffarmem Wasserstoff bei der Herstellung von Kraftstoffen auf Biomassebasis könnte dazu beitragen, die damit verbundenen Lebenszyklusemissionen zu verringern. Wie jedoch in einem kürzlich erschienenen Bericht ( CATF ) hervorgehoben wird, bedeuten die Beschränkungen der Landnutzung und der Lieferkette für Biomasse-Rohstoffe, dass andere Kraftstoffoptionen entwickelt werden müssen, einschließlich synthetischer Kraftstoffe (oder "E-Fuels"), die mit einer Kombination aus Wasserstoff, Strom und_CO2 aus nicht-biogenen Rohstoffen hergestellt werden.

Die Herstellung synthetischer Kraftstoffe ist jedoch derzeit eine technische und wirtschaftliche Herausforderung. Würden beispielsweise alle Flüge zwischen den Flughäfen JFK und Heathrow mit E-Kraftstoffen betrieben, wäre eine Anlage von der Größe des NEOM Green Hydrogen Complex erforderlich, allein um die für die Herstellung dieser Kraftstoffe erforderlichen Wasserstoffmengen bereitzustellen^.13

Schwerlastverkehr - Eine aktuelle Analyse vonCATF zeigt, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) neben batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung des LKW-Sektors spielen können. Im Vergleich zu Diesel-LKWs können schwere FCEVs Langstreckenrouten ohne eine beträchtliche Anzahl zusätzlicher Tankstopps zurücklegen, sie können in etwa der gleichen Zeit aufgetankt werden, und ihre Antriebsstränge sind nur geringfügig schwerer - so dass FCEVs fast die gesamte Ladung transportieren können, die Diesel-LKWs bei voller Beladung transportieren. In dem Maße, in dem schwere FCEVs Dieselfahrzeuge auf Langstrecken ersetzen können, würde dies den Anteil der gesamten Lkw-Flotte erhöhen, der dekarbonisiert werden kann, da FCEVs die gleiche betriebliche Flexibilität wie Dieselfahrzeuge bieten und die mit dem Aufladen von BEVs verbundenen Zeitverluste vermeiden würden. Die Rolle von FCEVs wird jedoch auch von anderen Faktoren beeinflusst, wie z.B. den Gesamtbetriebskosten und den Emissionen über den gesamten Lebenszyklus, die die eines vollständig elektrifizierten Pfads (d.h. BEVs) übersteigen können. So kann ein FCEV, das mit kohlenstoffarmem Wasserstoff aus der Elektrolyse unter Verwendung von kohlenstoffarmem Strom betrieben wird, ähnliche Lebenszyklusemissionen wie ein BEV erreichen, benötigt aber etwa 2,5 Mal so viel Strom wie ein BEV, um eine entsprechende Strecke zurückzulegen. Wasserstoff kann außerhalb des Standorts produziert werden, aber die Wirtschaftlichkeit des Wasserstofftransports per Lkw zu den verstreuten Tankstellen stellt eine zusätzliche Herausforderung dar. Alternativ kann die Beschaffung von kohlenstoffarmem Wasserstoff aus der Erdgasreformierung mit CCS und strenger vorgelagerter Methanemissionskontrolle die Belastung des Stromnetzes verringern, aber dieser Weg könnte etwas geringere Emissionsreduzierungen erzielen. Da Erdgas-Reformierungsanlagen zentralisiert sind, könnte dies auch den Transportbedarf für den Wasserstofftransport zu den Tankstellen erhöhen.

Schifffahrt - Kohlenstoffarmes Ammoniak ist ein starker Anwärter für einen alternativen Schiffskraftstoff. Allerdings müssen Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Bunkerung, Lagerung und Verbrennung von Ammoniak in den Maschinenräumen von Schiffen auf Systemebene gründlich untersucht werden, bevor der großtechnische Einsatz von Ammoniak für eine potenzielle Rolle bei der Dekarbonisierung des Seeverkehrs auf hoher See freigegeben werden kann. Ein weiterer alternativer Schiffskraftstoff, der die Kohlenstoffemissionen während des gesamten Lebenszyklus reduzieren kann, ist Methanol - in der Tat werden zahlreiche moderne Frachtschiffe
mit der Fähigkeit zum Einsatz von zwei Kraftstoffen gebaut, um heute Schiffsdiesel und in Zukunft Methanol zu transportieren. Im Gegensatz zu Ammoniak wird bei der Verbrennung von Methanol_CO2 freigesetzt, was bedeutet, dass die Verringerung der Lebenszyklusemissionen die Beschaffung von "nachhaltigen" Kohlenstoffatomen für den Methanolproduktionsprozess erfordert.

Nischenanwendungen für kohlenstoffarmen Wasserstoff

Stromerzeugung - Die Attraktivität des Einsatzes von kohlenstoffarmem Wasserstoff in der Stromerzeugung ist leicht zu verstehen: Er kann Erdgas ersetzen und stößt bei der Verbrennung kein_CO2 aus. Diese Anwendung bringt jedoch zahlreiche technologische, infrastrukturelle und systemtechnische Herausforderungen mit sich, die über den einfachen Betrieb von Turbinen mit Wasserstoff hinausgehen. So würden die für die Stromerzeugung benötigten Kraftstoffmengen wahrscheinlich eine geologische Speicherung des Wasserstoffs und spezielle Transport- und Verteilungsleitungen erfordern. Aufgrund der damit verbundenen Kosten ist es wichtig, sich auf die Kohlenstoffintensität des verwendeten Wasserstoffs zu konzentrieren. Zwei Optionen - Wasserstoff aus Erdgas mit CCS und strenger vorgelagerter Methanemissionskontrolle oder aus Elektrolyse mit sauberem Strom - werden im Folgenden kurz erörtert.

Bei aus Erdgas mit CCS hergestelltem Wasserstoff liegt eine Kohlenstoffintensität von 3 kg_{CO2-Äquivalent} pro kg Wasserstoff am unteren Ende des technisch Machbaren. Die Verbrennung dieses "blauen" Wasserstoffs in einem Kraftwerk mit einfachem Kreislauf reduziert die Lebenszyklusemissionen des Kraftwerks im Vergleich zur Verbrennung von Erdgas um etwa die Hälfte. Dieses Niveau der Emissionsreduzierung in Verbindung mit den Kosten für die Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas mit CCS führt zu_{CO2-Vermeidungskosten}, die deutlich höher sind als die der meisten kohlenstoffarmen Optionen im Energiesektor.

Die Verwendung von elektrolytischem Wasserstoff, der mit kohlenstoffarmer Elektrizität betrieben wird, um das Energiesystem zu dekarbonisieren, dürfte leider nicht attraktiver sein, und zwar aus Gründen, die mit dem Konzept des Round-Trip-Wirkungsgrads (RTE) zu tun haben, der definiert ist als der Prozentsatz der in ein System eingebrachten Energie, der später für produktive Zwecke zurückgewonnen werden kann. Abbildung 7 zeigt, dass der RTE für die Verwendung von elektrolytischem Wasserstoff zur Stromerzeugung nur 24 % beträgt. Mit anderen Worten: 76 % der für die Herstellung des Wasserstoffs verwendeten Elektrizität wird nicht zurückgewonnen und kann praktisch als verloren betrachtet werden. Anders ausgedrückt: In einem Netz, das noch nicht vollständig dekarbonisiert ist
(und insbesondere in einem Netz, in dem die vollständige Dekarbonisierung noch erhebliche Hürden zu überwinden hat), werden vier Einheiten sauberen Stroms von der weiteren Dekarbonisierung des Netzes abgezogen, um eine Einheit sauberen Stroms zu liefern, wodurch effektiv drei Einheiten sauberen Stroms verloren gehen, die für andere direkte Stromendanwendungen genutzt werden könnten.

Abbildung 7: Systemeffizienz (RTE) der elektrolytischen Wasserstoffnutzung in der Stromerzeugung

Langzeit-Energiespeicherung - Die Rolle, die elektrolytischer Wasserstoff in einem dekarbonisierten Stromsystem sinnvollerweise spielen könnte, ist eine Form der Langzeit-Energiespeicherung für den Netzausgleich in Zeiten, in denen die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien andernfalls die Nachfrage übersteigen würde und gedrosselt werden müsste. Diese Rolle dürfte jedoch nur in einem vollständig dekarbonisierten Netz von Bedeutung sein. Selbst dann wäre eine evidenzbasierte Analyse erforderlich, um die Gesamtheit des Stromnetzes zu untersuchen, Alternativen für die Langzeit-Energiespeicherung zu bewerten und die Gesamtsystemkosten und Dekarbonisierungspfade zu optimieren.

Anträge, die nicht gerechtfertigt sind

Verwendung in Privathaushalten - Zahlreiche unabhängige Studien sind zu dem Schluss gekommen, dass Alternativen wie Wärmepumpen, solarthermische Systeme und Fernwärme wirtschaftlicher, effizienter und weniger ressourcenintensiv sind und im Vergleich zu Wasserstoff geringere Umweltauswirkungen haben, wenn es um Optionen für die Beheizung von Häusern geht. Darüber hinaus wird Wasserstoff zwar routinemäßig in der Industrie verwendet, seine Verwendung in Wohnräumen birgt jedoch potenziell ernsthafte Sicherheitsrisiken, sowohl wegen der hohen Leckageanfälligkeit von Wasserstoff (ohne sichtbare Flamme oder Geruchsstoff) als auch wegen der sechsmal höheren Entflammbarkeit von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas. Aus diesen Gründen ist es sehr unwahrscheinlich, dass Wasserstoff die bevorzugte Dekarbonisierungsoption für den Hausgebrauch sein wird.

Leichte Nutzfahrzeuge - Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen etwa 2,0 bis 2,5 Mal so viel Energie wie Elektrofahrzeuge, und ihre Kosten pro gefahrenem Kilometer sind um ein Vielfaches höher, was wahrscheinlich ein Hauptgrund für ihren begrenzten Absatz und die geringe Zahl von Automobilherstellern ist, die sich aktiv um die Entwicklung eines Wasserstoff-Pkw bemühen. Die Vorteile, die leichte Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge derzeit gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen bieten (größere Reichweite und kürzere Betankungszeit), mögen für einige Nutzer wichtig sein, aber Verbesserungen in der Batterietechnologie werden diese Merkmale wahrscheinlich weniger entscheidend für die Bevorzugung von FCEVs machen.

Abschließende Überlegungen

Kohlenstoffarmer Wasserstoff kann ein wesentliches Instrument zur Verringerung der Treibhausgasemissionen bestimmter Industrien sein, aber seine physikalischen und kostentechnischen Gegebenheiten legen nahe, dass er kein Allzweckwerkzeug (sozusagen das "Schweizer Taschenmesser") für die Dekarbonisierung ist, wie es manchmal dargestellt wird. Darüber hinaus ist Wasserstoff keine primäre Energiequelle und trägt angesichts der Kosten und der großen Energiemengen, die für die Herstellung von Wasserstoff erforderlich sind, nicht zur Energiesicherheit bei - in der Tat ist dieser Energiebedarf (noch mehr als die Verfügbarkeit von Elektrolyseanlagen oder Erdgasreformern) das, was die kohlenstoffarme Wasserstoffversorgung heute einschränkt.

Wasserstoff ist bereits jetzt und wird auch in Zukunft eine wichtige Chemikalie sein, die in industriellem Maßstab für alle möglichen Zwecke hergestellt werden muss, u. a. für die Herstellung einer Vielzahl wichtiger Chemikalien, als Ausgangsstoff für die Düngemittel, die für die Ernährung der Weltbevölkerung benötigt werden, und zur Bereitstellung von Kraftstoffen für wichtige Segmente des Verkehrssektors. Die Hauptdebatte dreht sich jetzt nicht darum, ob es technisch machbar ist, die Produktion und Nutzung von kohlenstoffarmem Wasserstoff stark auszuweiten, sondern vielmehr darum, wo und in welchem Umfang der Umstieg auf kohlenstoffarmen Wasserstoff eine energieeffiziente und kosteneffektive Strategie zur Verringerung der Treibhausgasemissionen sein kann, wobei die Verfügbarkeit alternativer Dekarbonisierungspfade zu berücksichtigen ist.

Kurz gesagt, die politischen Entscheidungsträger müssen mit Bedacht entscheiden, wie sie sauberem Wasserstoff Priorität einräumen und eine intelligente Politik für die kohlenstoffarme Wasserstoffproduktion und -nutzung entwerfen. Dies wird entscheidend sein, um einen intelligenten Weg zur schnellen und effektiven Dekarbonisierung der gesamten Wirtschaft zu finden.