Wasserstofferzeugung

M. N. Fisch - EGSplan Stuttgart:
Grüner Wasserstoff - Erzeugung

Zur Erreichung der Klimaschutzziele in Europa sind zweifelsfrei große Mengen „Grünen“ Wasserstoffs mit Strom aus Solar- und Windenergie erforderlich. Wenn Klimaneutralität erreicht werden soll, muss der elektrische Strom zu fast 100% aus erneuerbaren Energiequellen bereitgestellt werden. Die benötige Kraftwerksleistung der Erneuerbaren mit aktuell ca. 108 GW (56 GW Wind- und 52 GW PV), muss bis 2050 um das 5-fache wachsen. Windenergieanlagen (ca. 250 GW) werden dann etwa zwei Drittel des regenerativen Stroms erzeugen. Der Ausbau der Photovoltaik auf bis zu 200 GW wird mit rd. einem Viertel zur Dekarbonisierung des Stroms beitragen. Notwendig ist ein jährlicher Zubau von durchschnittlich 10 bis 14 GW für Wind und Photovoltaik. Verglichen mit der in 2019 installierten Leistung von lediglich 2,5 GW sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um den Ausbau zu forcieren.

In Deutschland ist der Ausbau der PV- und Wind-Kraftwerksleistung auf 450 bis 500 GW kein Flächenproblem. Für PV-Anlagen sind ausreichend Dach- und Freiflächen vorhanden. 200 GW Photovoltaik würden lediglich 2 % der landwirtschaftlich genutzten Areale bedecken. Parallel mit dem Ausbau der Erneuerbaren und den damit einhergehenden hohen installierten (Spitzen-) Leistungen werden volatile Stromüberschüsse in den nächsten Jahrzehnten erheblich zunehmen. Die Umwandlung des Überangebots mittels Elektrolyse in „grünen“ Wasserstoff nach dem Prinzip Power-to-Gas wird somit zu einer Schlüsseltechnologie der Energiewende. Der Wasserstoff sollte meines Erachtens in der Nähe des Bedarfs produziert werden. Die Verteilung über LKW-Trailer hat ihre Grenzen, letztendlich transportiert ein 40 Tonnen Fahrzeug einige hundert kg Wasserstoff. Inwieweit es ökonomisch sinnvoll ist ein Wasserstoffnetz in Deutschland aufzubauen ist zu untersuchen. Den Wasserstoff in den sonnenreichen ariden Gebieten herzustellen erfordert große Wassermengen, die energieaufwändige Verflüssigung und Transport des Wasserstoffs und die geopolitische Abhängigkeit. Die entstehende Wärme (30 %) kann nicht genutzt werden. Die Ideen den Solarstrom über ein HGÜ-Netz nach Europa zu transportieren und daraus Wasserstoff für die Industrie und Verkehr zu produzieren erscheint sinnvoller. Ein weiterer Vorteil der in Deutschland lokal stattfindenden elektrolytischen Wasserstoff-Produktion ist, dass die beim Prozess entstehende Abwärme – dies sind rd. 30 % des eingesetzten Stroms - zur Wärmeversorgung von Gebäude und Quartieren genutzt werden kann. Die Effizienz des Systems steigt damit von rd. 60 % auf nahezu 90%.



Ein Effizienzgewinn der beim Ausbauziel „Grüner Wasserstoff“ ( > 50 GWel) bis 2050 ein Abwärme-Potenzial hat, die dem heutigen Fernwärmeaufkommen (ca. 100 TWh/a) entspricht. Dieses riesige Abwärme-Potenzial gilt es für den Wärmesektor „Gebäude und Quartiere“ zu nutzen. Ein erstes Projekt mit einem Elektrolyseur von 1 MWel wird im Klimaquartier der Neuen Weststadt Esslingen realisiert und geht Ende 2020 in Betrieb.



Bevor wir Wasserstoff-Anlagen im fernen sonnenreichen Gebieten bauen sollten wir diese in Deutschland (Windgebieten) und Südeuropa (Solargebieten) bauen. Im zweiten oder dritten Schritt dann die Syteme und Technologen exportieren!

Neben der Elektrolyse mit grünem Strom sollten auch einfach zu skalierende, auf der Verwendung von Biomasse ruhende Verfahren weiterentwickelt werden. Zu nennen sind hierbei insbesondere die am KIT entwickelten Vergasungsverfahren im Flugstrom und die hydrothermale Vergasung von feuchter Biomasse in überkritischem Wasser. Das KIT entwickelt seit längerem entsprechende Verfahren (bioliq, VERENA).
Gasförmige Biomasse (im Wesentlichen Biogas) lässt sich beispielsweise auch in Flüssigmetall-Reaktoren effizient durch Pyrolyse in Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegen. Der Kohlenstoff hat dabei vermarktbare Qualität. Das Verfahren muss weiterentwickelt und hochskaliert werden. Auch alternative Verfahrenskonzepte werden ebenfalls am KIT untersucht.
Bei der Elektrolyse sollte die Hochdruckelektrolyse (Wasserstoffdrücke > 200 bar) untersucht werden. Hier gibt es ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung und zur Vereinfachung von Systemen. Vielversprechender Ansatz hier ist die alkalische Elektrolyse, bei der die Diffusionsverluste konstruktionsbedingt geringer gehalten werden können. Die Hochtemperatur-Elektrolyse ist insbesondere in Kombination mit exothermen Syntheseprozessen (z.B. katalytische Methanisierung, FT-Synthese) eine vielversprechende Technologie, um durch Wärmeintegration hohe energetische Wirkungsgrade zu erzielen.

Der INP steht breites Know-How zur Verfügung, um Vor- und Machbarkeitsstudien, Effizienz- und Bedarfsanalysen sowie Betrachtungen hinsichtlich des CO2 Einsparpotentials durchzuführen, um die genannten Fragen zu beantworten und somit den bestmöglichen weg zu analysieren.
Um grünen Wasserstoff zu erzeugen, ist regenerative Energie notwendig. Damit ist die lokale Wasserstoffproduktion in BW an die Energiewende in BW gekoppelt, bzw. an eine CO2 neutrale Standortversorgung. Notwendig ist also ein Assessment über die regionalen Energieerzeugungspunkte auch hinsichtlich der zeitlichen Verfügbarkeit, z.B.
- werden die Stromtrassen nicht vor 2025 den regenerativen Offshore Windstrom in den Süden Deutschlands transportieren können
- sind CO2 neutrale Standortversorgungen für die H2 Erzeugung zu planen.
Ähnlich ist an Energiepartnerschaften heranzugehen. Hier braucht es ein globales Assessment, an welchen Stellen grüner H2 hergestellt wird, welche Infrastruktur für den Transport notwendig ist und welche kooperativen Regelungen dafür zu treffen sind.
Grüner Wasserstoff sollte möglichst nach an der Verwendungsstätte produziert werden, da der Transport von elektrischer Energie durch eine vorhandene Infrastruktur verlustarm möglich ist. Die Analyse möglicher Standorte unter Betrachtung von Wasserstoffabnehmern als auch unter Betrachtung der zur Verfügung stehenden (Elektro-) Netzkapazitäten kann von INP durchgeführt werden.

Die fürchterliche Explosion von im Hafen von Beirut gelagerten explosiven Stoffen in großen Mengen gestern im Libanon hat wieder einmal das hohe Risiko der Lagerung von Explosivstoffen gezeigt.
Ein vorrangiges Ziel der Wasserstoffforschung muss sich deshalb in erster Linie auf die Sicherheit der Erzeugung von flüssigem Wasserstoff in den entsprechenden Groß-Anlagen, des Transportes des Wasserstoffs in Tanklastern von diesen Großanlagen zu den Wasserstofftankstellen, der sicheren Lagerung des flüssigen Wasserstoffs in den Tanks der Wasserstofftankstellen und in den Tanks der über Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeuge richten. Erst, wenn diese ganze Kette als sehr sicher gegen Explosionen gilt, kommt alles andere.

Wasserstoff sollte in Zukunft auch in BW erzeugt werden / Mittelfristig sollte der erzeugte H2 grün d.h. aus erneuerbaren Energien erzeugt werden. Blauer oder türkiser H2 schaden mehr als sie helfen -> fehlende Nachhaltigkeit.
Deutschland ist von Energieimporten abhängig und wird es aufgrund seines Bedarfes auch bleiben, es ist also wichtig, dass wir uns um Partnerschaften mit Ländern & Regionen kümmern in denen ein erhebliches Potential für EE besteht. Ziel sollte es sein, dass von dieser Partnerschaft beide Länder profitieren. Dabei ist es wichtig, dass diese potentiellen Partner über stabile politische Verhältnisse verfügen.

INES befürwortet, dass in den Wasserstoff-Strategien der EU und des Bundes kurz- und mittelfristig nicht nur grüner, sondern auch blauer und türkiser Wasserstoff berücksichtigt wird. Klarheit zu Technologien und genaue Definitionen sind begrüßenswert. Damit eine Vergleichbarkeit hergestellt werden kann, ist für INES eine Zertifizierung der unterschiedlichen Wasserstoffarten und –produkte, wie sie seit Veröffentlichung der EU-Wasserstoffstrategie von der Europäischen Kommission gefordert wird, nachvollziehbar. Diese sollte insbesondere dazu beitragen, um die Perspektiven auch für blauen und türkisen Wasserstoff klar zu definieren.

Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, aber auch ein Energiespeicher, dem Energie zugeführt wird, die später wieder in Endenergie in Form von Strom, Wärme oder Bewegung genutzt werden kann.
Insofern ist bei der Betrachtung von Wasserstoff immer auch der Wirkungsgrad der Umwandlungsprozesse sowie Effektivität der Zielerreichung und Effizienz der Umsetzung in Bezug zu anderen Lösungen zu betrachten.
Analoge Betrachtungen sind für die Umweltauswirkungen verschiedener Herstellungsprozesse von Wasserstoff zu führen.
Auf dieser Basis ist heute eine ganze „Farbenlehre“ z.B. mit „grünem“, „blauem“ und „türkisem“ Wasserstoff festzustellen.
Im Sinne einer primären Offenheit für Lösungswege sollten verschiedene Wege betrachtet und unter genannten Gesichtspunkten (Effektivität und Effizienz sowie Umweltauswirkungen) bewertet werden.

Wasserstoff kann effizient durch Vergasung biogener Rest- und Abfallstoffne, welche für die Biogasproduktion nicht in Frage kommen, gewonnen werden. Neben solcher Biomasse ist auch entsprechende Expertise ist auch in BW verfügbar und sollte genutzt werden um den Anteil unabhängig regelbarer und vor allem heimischer Wasserstofferzeugung zu erhöhen.