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Wasserstoff: Element der Superlative

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Endlich ein Energieträger ohne schädliche Emissionen, der schnell transportierbar und quasi endlos verfügbar ist. Kein Wunder, dass um Wasserstoff ein Hype entstanden ist. Doch lässt sich damit unsere Klimabilanz retten? Ein Blick auf die Anwendungen der Zukunft.

Fünf Kilogramm Wasserstoff genügen, um mit einem Auto von Berlin nach München zu fahren. Die für die Produktion nötige Energie liefert ein Windrad in etwa vier Minuten. Aus dem Auspuff des Autos kämen dabei keine giftigen Gase, sondern nur Wasserdampf. Im Zweifel könnten Sie diesen sogar auffangen und an der nächsten Raststätte trinken: Auf die Nachhaltigkeitswirtschaft!

Leider ist das plakativste Beispiel selten das sinnvollste. Denn Wasserstoff hat als Autotreibstoff einen wesentlichen Nachteil: Wasserstoff ist nur dann emissionsfrei, wenn er mit Strom aus erneuerbaren Energien produziert wird. Um das Auto anzutreiben, muss der Wasserstoff allerdings erneut in Strom umgewandelt werden. Insgesamt ist das ineffizienter, als direkt Strom in Akkus zu speichern und zu nutzen.

Doch mithilfe von Wasserstoff ließen sich die Risiken für die Netzstabilität und die Versorgungssicherheit auffangen, die mit dem wachsenden Anteil der erneuerbaren Energien entstehen. Überschüssige erneuerbare Energie kann in Wasserstoff umgewandelt und auf diese Weise zeitlich und funktionell flexibel in verschiedenen Sektoren eingesetzt werden. Dieser CO2-neutral erzeugte Wasserstoff würde so eine effektive Sektorkopplung zwischen den Bereichen Strom, Wärme, Verkehr und Industrie herstellen und signifikant zum Ziel der Treibhausgasneutralität beitragen.

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Allgegenwärtig, doch aufwendig zu gewinnen

Wasserstoff ist ein Element der Superlative: Er war das erste Element, das sich nach dem Urknall bildete. Im Universum ist Wasserstoff das kleinste, leichteste und zudem das häufigste Element. 75 Prozent der sichtbaren Materie enthält Wasserstoff. Die Frage ist, wie viel Wasserstoff wird die weitere Energiewende enthalten?

Um nutzbaren reinen Wasserstoff zu gewinnen, muss dieser zunächst aus Verbindungen wie Wasser, Erdgas, Erdöl oder Kohle „gelöst“ werden. Dies erfolgt vorwiegend anhand zweier Verfahren – der thermischen Konversion und der Elektrolyse. Je nachdem, welche Ausgangsstoffe benötigt werden und aus welcher Quelle die eingesetzte Energie stammt, wurden dem Wasserstoff unterschiedliche Farben zugeordnet. Mit erneuerbaren Energien per Elektrolyse gewonnener Wasserstoff nennt sich „grün“, Wasserstoff aus fossilen Energieträgern „grau“.

Herausfordernd ist die Speicherung des flüchtigen Gases. Wasserstoff kann entweder mittels hohen Drucks, durch starke Kühlung und der daraus resultierenden Verflüssigung oder per Bindung an Stoffe wie Erdgas gespeichert werden.

Wasserstoff für den Transport schwerer Lasten

Aufgrund seiner hohen Energiedichte eignet sich Wasserstoff für große Reichweiten und Lasten. Den derzeit noch hohen Anschaffungskosten und der unterentwickelten Tankinfrastruktur steht die große Flexibilität gegenüber. Insbesondere für wasserstoffbetriebene Kleintransporter, Busse, Lkw und Flurförderfahrzeuge wie Gabelstapler sind substanzielle Marktanteile vorstellbar, wie wir in unserem Whitepaper „Wasserstoff – Energieträger einer klimaneutralen Wirtschaft?“ ermittelt haben.

Gabelstapler und Baufahrzeuge müssen hohe Lasten bewegen und schnell und anhaltend verfügbar sein, weshalb Batterielösungen hierfür unattraktiv sind. Auch bei Lkw würden die schweren Batterien die transportierbare Last reduzieren. Wasserstoffzüge könnten hingegen Dieselloks ersetzen, die auf den nicht elektrifizierten Strecken im Einsatz sind. In Deutschland trifft das immer noch auf knapp die Hälfte des Streckennetzes zu.

Abbildung 1: Wasserstoff dürfte insbesondere für Flurförderfahrzeuge, Kleintransporter und Busse ein attraktiver Treibstoff werden.

In der Industrie in Deutschland werden bereits heute 1,2 Millionen Tonnen Wasserstoff jährlich eingesetzt. Vor allem in der chemischen Industrie und der Mineralölindustrie ist Wasserstoff ein essenzieller Grund- und Prozessstoff.

Zukünftig dürften sich weitere Potenziale in den Bereichen der Kraftstoffsynthese und bei der Verarbeitung von Metallerzen eröffnen. Wasserstoff bindet bei der Rohölverarbeitung unerwünschte Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen und dient dadurch gewissermaßen als Reinigungsmittel.

Damit Deutschland die Ziele des Pariser Klimaabkommens und die eigenen Vorgaben einhalten kann, ist ein anderer Aspekt von großer Bedeutung: die Wärmeerzeugung. Und hier liegt auch das größte Potenzial für Wasserstoff. Etwa die Hälfte des deutschen Endenergieverbrauchs wird für die Generierung von Wärme genutzt. Im privaten Bereich ist dies hauptsächlich Raumwärme.

Heizen mittels Wasserstoff

In der Industrie hingegen wird Prozesswärme benötigt, die von weniger als 100°C bis weit über 1.000°C reichen kann. Für Temperaturen bis etwa 300°C gibt es bereits praktikable erneuerbare Technologien wie die Solar- und Geothermie. Deutlich höher müssen die Flammentemperaturen in der Metallerzeugung, der Glasherstellung, der Chemiebranche und im Fahrzeugbau sein. Hier ist der Einsatz von Wasserstoff in ersten Pilotprojekten bereits getestet.

Um Wohnungen mittels Wasserstoff zu heizen, könnte dieser in Blockheizkraftwerken verbrannt und anschließend als Nah- und Fernwärme genutzt werden. Allerdings steht hierfür die Verwendung von synthetischem Methan im Fokus, da die Gasturbinen momentan nur äußerst geringe Mengen an Wasserstoff mit umsetzen können. Teilweise bereits verwendet werden Wasserstoff-Gasgemische in Kraft-Wärme-Kopplung-Anlagen.

Um fossile Erdgase zu ersetzen, müssten jährlich klimaneutrale Alternativen mit einem Energiegehalt von 600 TWh produziert werden. Das entspricht 18 Millionen Tonnen Wasserstoff, also gut dem Fünfzehnfachen der aktuellen Wasserstoffnachfrage in Deutschland. Rechnet man die Umwandlungsverluste mit ein, ergibt das einen Bedarf von 1.070 TWh Grünstrom. Dessen aktuelle Produktion müsste um das 4,5-fache steigen.

Abbildung 2: „Grüner“ Wasserstoff ist noch nicht lukrativ. Mit dem technischen Fortschritt und regulatorischen Änderungen wird der Preis sinken.

Energie und Rohstoffe. Ob das gelingt, hängt vor allem an der Wirtschaftlichkeit. Gerade „grüner“ Wasserstoff ist noch unrentabel. Doch das dürfte sich mit veränderten Abgaben und Vorschriften ändern. Vermutlich wird Wasserstoff dann auch zu einem wichtigen Element der nachhaltigen Wirtschaft.


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Quelle: Neudenken

Veröffentlicht: 24.09.2021 14:54 Uhr