Die Wasserelektrolyse wird allgemein als umweltfreundliche Zukunftstechnologie wahrgenommen. Nichtsdestotrotz gibt es immer wieder Vorbehalte von Anwohnern bei der Umsetzung von entsprechenden Projekten, die im Wesentlichen auf Befürchtungen bezüglich der Technologiesicherheit sowie möglichen Lärmbelastungen durch eine potenzielle Lastkraftwagen-Logistik begründet sind. Alternative Technologien, die auf fossilen Brennstoffen beruhen und gegebenenfalls CCS- oder CCU-Technologien müssen mit Vorbehalten rechnen.
Grundsätzlich ist die Forschung zur Elektrolyse noch nicht so weit fortgeschritten wie die Forschung zur Brennstoffzelle. Allerdings ist es den Instituten in Baden-Württemberg durchaus gelungen, auch im weltweiten Vergleich eine solide Wissensbasis aufzubauen.
Aus heutiger Einschätzung liegt der Forschungsbedarf jeweils auf der Weiterentwicklung der genannten Technologien: Die alkalische Technologie hat Potenzial für eine vereinfachte Verfahrenstechnik, wenn es gelingt alkalische Membrane einzusetzen anstatt von Lauge, die PEM-Elektrolyse zielt auf die Reduktion des Edelmetallgehalts, günstigere Materialien für die Porous Transport Layer und Bipolarplatten und die HT-Elektrolyse benötigt weitere Materialentwicklung zur Erhöhung von Lebensdauer und Kostensenkung.
Zum großskaligen Transport von Wasserstoff gibt es auch global gesehen noch wenig Forschung. Hier hat der Wissenschaftsstandort Baden-Württemberg sehr gute Möglichkeiten, die Felder zu besetzen und eine wissenschaftliche Führungsposition einzunehmen.
Die Wasserstofferzeugung ist die Voraussetzung für eine Wasserstoffwirtschaft. Daher wird die Technologie zukünftig sehr dynamisch an Bedeutung zunehmen. Leider kommen die heute marktdominierenden Systemanbieter nicht aus Baden-Württemberg (zum Beispiel AREVA: Frankreich, GP Joule: Schleswig-Holstein, Hydrogenics: Kanada, ITM: England, Siemens: Bayern). Trotzdem könnten sich Komponentenlieferanten aus Baden-Württemberg im globalen Wettbewerb durchsetzen (zum Beispiel FUMATECH) bzw. der Maschinen- und Anlagenbau qualifizieren.
Da die großskalige Wasserstoff-Erzeugung vermutlich global an Standorten mit hohen Volllaststunden aus Wind- und Sonnenenergie (Nordafrika, Australien, Chile) erfolgen wird, wird der zukünftige Markt für die Technologie aus Sicht Baden-Württembergs vorwiegend exportgetrieben sein. Umgekehrt gewinnt der Import von Wasserstoff nach Baden-Württemberg sehr an Bedeutung. Dementsprechend muss eine Wasserstoff-Logistik innerhalb von Baden-Württemberg aufgebaut werden, so dass importierter Wasserstoff für den lokalen Bedarf zur Verfügung gestellt wird.
Für die Wasserelektrolyse werden drei Technologien diskutiert: Die alkalische Elektrolyse ist heute marktführend, die PEM-Elektrolyse wird vor allem wegen ihrer dynamischen Betriebsweisen für den Einsatz in Kombination mit fluktuierenden, regenerativen Stromerzeugern vorgeschlagen und die Hochtemperatur-Elektrolyse befindet sich noch nicht im industriellen Einsatz, könnte jedoch Effizienzvorteile aufweisen, wenn Heißdampf zum Beispiel aus Industrieprozessen vorliegt.
Die Verteilung von Wasserstoff erfolgt heute noch in Form von Druckgas per LKW. Für zukünftig große Mengen an Wasserstoff, der gegebenenfalls über große Strecken transportiert werden muss (zum Beispiel vom Hafen Rotterdam nach Baden-Württemberg), werden sich langfristig Pipelines durchsetzen. Ergänzend wird jedoch auch ähnlich wie für Erdgas oder LPG der Transport über Binnenschiffe und Güterzüge notwendig und sinnvoll sein. Technologisch wird heute zusätzlich der Einsatz von Thermoölen (LOHC) diskutiert – das Potenzial hierfür ist jedoch noch umstritten.
Offene Fragen
- Wieviel Wasserstoff soll in Baden-Württemberg erzeugt werden?
- Wie hoch ist der Import-Bedarf von Wasserstoff?
- Wo kommt der zusätzliche Wasserstoff her?
- Wie bringen wir Wasserstoff nach Baden-Württemberg und zu den Verbrauchern?
- Wie kann der Aufbau eines Wasserstoff-Transport- und Verteilsystems aussehen?
- Welche Chancen sehen Sie für den Aufbau einer Elektrolyseindustrie in Baden-Württemberg?
- Wie soll eine solche Industrie zur Elektrolyse-Herstellung in Baden-Württemberg gestaltet werden? Haben wir die Akteure dafür?
- Wie sind die Interessen der verschiedenen Stakeholder?
- Welche Technologie-Ansätze sind interessant?
- Möchten Sie eine weitere offene Frage oder sonstige Hinweise einbringen?
Kommentare
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Wasserstofferzeugung in Baden-Württemberg
Eine großskalige Wasserstoff-Erzeugung sehen wir in Baden-Württemberg weder mittel- noch langfristig. Dies hat unterschiedlichste Gründe:
Voraussetzung für die langfristig anzustrebende Erzeugung und Verwendung grünen Wasserstoffes ist der Einsatz erneuerbarer Energien. Schon heute stellt Baden-Württemberg eine Energie-Senke dar. Ein relativ hoher Energiebedarf steht relativ geringen Erzeugungskapazitäten gegenüber. Der beschlossene Ausstieg aus der Kernenergie sowie der Kohleverstromung wird diesen Trend weiter verstärken; zumal realistisch von einem weiter steigenden Energiebedarf ausgegangen werden muss. Schon daraus erwächst die Notwendigkeit für signifikant steigende Importe bzw. einen massiven Ausbau im Bereich der erneuerbaren Energien in Baden-Württemberg. Eine dazu zusätzliche, aus erneuerbaren Energien gespeiste Erzeugung von Wasserstoff würde entweder den Import- bzw. den Ausbaubedarf in Baden-Württemberg vervielfachen. Sowohl der dafür notwendige Ausbau von Stromtrassen als auch ein alternativer oder begleitender Ausbau erneuerbarer Energien in Baden-Württemberg würde Dimensionen erfordern, die aus unserer Sicht weder realistisch umsetzbar noch volkswirtschaftlich wünschenswert wären.
Auch eine signifikante Erzeugung andersfarbiger Wasserstoffe (bspw. blau oder türkis) sehen wir aus technischen sowie gesellschaftlichen Gründen nicht in Baden-Württemberg.
Dennoch ist unsers Erachtens die Erzeugung von Wasserstoff in kleinen Volumina auch in Baden-Württemberg denkbar. Anwendungen könnten sich hier bspw. im Rahmen der aus unserer Sicht dringend notwendigen Sektorkopplung oder in vereinzelten Quartiersanwendungen herausbilden.
Wasserstofferzeugung in Baden-Württemberg
Die installierte Kapazitäten in Baden-Württemberg bieten das Potenzial einer regionalen Erzeugung und Versorgung im Wettbewerb zu importierten Wasserstoff. Dabei sollte jedoch der importierte Wasserstoff aus erneuerbaren Energien und CO2-frei erzeugt werden. Hierzu könnten innerhalb Deutschlands aus der EEG-Förderung fallende Windkraftanlagen genutzt werden.
Die Distributionsinfrastrukturen können in Abhängigkeit vieler Faktoren, wie z. B. der Wirtschaftlichkeit, Standort etc., koexistent aufgebaut werden. Bspw. können im innerstädtischen Bereich entweder bestehende Gasnetze umgenutzt oder Wasserstoffverteilnetze errichtet werden. Wo eine Gasnetzinfrastruktur nicht möglich ist oder im industriellen Bereich, kann eine Verteilung über Trailer erfolgen. Um eine hohe Effizienz bei der Distribution von Wasserstoff über Trailern zu gewährleisten, können große Mengen als Flüssigwasserstoff mit hoher Energiedichte transportiert werden.
Aufgrund der künftigen und durch Studien belegte Wasserstoffnachfrage von etwa 17 TWh in 2030 in Baden-Württemberg sind auch die Chancen einer Elektrolyseindustrie hoch. Zudem haben wir in Baden-Württemberg ein hohes Potenzial an Photovoltaik-Erträgen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. In diesem Rahmen sollten regionale Energieversorger das Thema der Wasserstofferzeugung künftig aufgreifen.
Die Interessen der einzelnen Stakeholder stehen derzeit in einem Spannungsfeld der emissionsfreien Stadtentwicklung durch die politische Zielsetzung und der Wirtschaftlichkeit für Unternehmen.
Weiterhin sollte die Verflüssigung von Wasserstoff sowie die Effizienz von Power-to-Gas, Power-to-Liquid-Anlagen als Derivat von Wasserstoff in der Technologieentwicklung verfolgt werden.
Dezentrale Erzeugung von grünem Wasserstoff direkt beim Verbraucher
Kurzfristig umzusetzende Chancen sehen wir in kleineren dezentralen Projekten, die direkt beim Verbraucher des grünen Wasserstoffs (z.B. städtische Busflotte oder Industriebetrieb) lokalisiert sind, so die relativ hohen Transportkosten minimieren und auch die Abwärme der H2-Erzeugung sinnvoll nutzen.
Elektrolyse in großem Maßstab wird in Baden-Württemberg schwierig umzusetzen sein. Zwar wird mit weiterem Ausbau der EE auch mehr erneuerbarer Strom zur Verfügung stehen als derzeit, doch mit steigendem Strombedarf (durch Anwendungen der Sektorkopplung wie die Elektrolyse) werden die Stromimporte zunehmen müssen.
Nur grünen Wasserstoff importieren und erzeugen
Aus unserer Sicht führt kein Weg daran vorbei, voll und ganz auf grünen Wasserstoff zu setzen, auch wenn der Preis noch deutlich über dem für grauen Wasserstoff liegt und sich seine Vermarktung bislang dementsprechend schwierig gestaltet. Sobald die regulatorischen Rahmenbedingungen stimmen (u.a. ein angemessener, also höherer CO2 Preis, der weiter steigt), wird auch grüner Wasserstoff stärker aus dem Verkehr und der Industrie nachgefragt werden. Bis dahin wird staatliche Förderung, wie in der deutschen Wasserstoffstrategie vorgesehen, notwendig sein.
Wo kommt der zusätzliche Wasserstoff her? Wie hoch ist der Import-Bedarf von Wasserstoff?
Mit der Fragestellung der Herkunft des Wasserstoffs hat sich der Hydrogen Council (weltweit agierend) bereits eingehend beschäftigt. Der Wasserstoff wird vermehrt aus Ländern kommen, in denen das Dargebot an Wind, Sonne, und Biomasse hoch ist.
Ein Großteil des Bedarfs an Wasserstoff muss daher Importiert werden. Bei dem Szenario 95% CO2-Reduktion liegt der Anteil über 50% des Wasserstoffbedarfs (Quelle: Forschungszentrum Jülich GmbH). Im Rahmen eines Forschungsprojektes hat das Forschungszentrum Jülich die Importkosten des H2 aus verschiedenen Ländern simuliert.
Wie kann der Aufbau eines Wasserstoff-Transport- und Verteilsystems aussehen?
Der Entwicklungsplan der Fernnetzbetreiber geht hin zu zwei Transportnetztypen:
1. Reine Transport-H2 Leitungen: Vor allem für Anbindung von Großkunden. Im zweiten Schritt: Mischung an Netzkopplungspunkt zu Verteilnetzen, so kann H2-Erdgasmischung flexibel auf jeweilige Region angepasst werden
2. Mischgastransportnetz (bis 20 % H2 + Erdgas): direkte Einspeisung in Verteilnetz
Wasserstoffquellen
Für den Import von Wasserstoff werden Anlagen in sonnenreichen Staaten notwendig sein. Am Anfang in Italien und Spanien und danach wie bei DESERTEC in Nordafrika. Wenn BW rechtzeitig dort Verträge schließt und Firmenanteile erwirbt, dann wären einerseits Einnahmen für das Land gesichert und man könnte diese Technologie optimal nutzen. Langfristig wären Pipelines von diesen Staaten durch Europa sinnvoll.
Grünen Wasserstoff zu synthetischen Kraft- und Brennstoffen weiterverarbeiten
Für die großskalige Umsetzung sind die Lagerung, der Transport und die Anwendungstechnologien entscheidend. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff ist dies technisch sehr anspruchsvoll. Klimaneutrale Synthetische Fuels haben einfache Lagerbedingungen und können auf eine globale Logistik und globale Anwendungstechnologien zurückgreifen.
Deshalb ist bei der Erzeugung, Speicherung und Verteilung von grünem Wasserstoff die Weiterverarbeitung zu Synthetischen Fuels ein wichtiger Lösungspfad. Die Umsetzung ist schnell und international möglich. Sie bietet Chancen für den Maschinen- und Anlagenbau.
Wasserstofferzeugung aus dezentralem Stromüberschuss anstelle Netzausbau
In ländlichen Stromnetzen kommt es schon derzeit durch zuviel PV-Strom zu Stromüberschüssen an über 1.000 Stunden im Jahr, die einen Netzausbau im regionalen Verteilnetz von der Niederspannung über Umspannstationen über die Mittelspannung bis zur Hochspannung erfordern. Der politisch gewollte weitere Ausbau von PV-Anlagen wird somit vor allem im ländlichen Raum nicht zu einem Ersatz von Graustrom sondern zu Netzausbaukosten und Abregelungen überschüssigen Stroms führen.
Eine dezentrale Wasserstofferzeugung wird dann wirtschaftlicher wenn zur Finanzierung nicht nur Strompreisdifferenzen sondern auch Einsparungen aus dadurch vermiedenen Netzausbaukosten und vermiedenen Netzverlusten aus Neztbelastungen durch hohe Rückspeiselasten bereitstehen. Hierfür sollte das Regulierungsrecht geändert werden, denn derzeit ist es z.B. Netzbetreibern untersagt anstelle von Netzausbauten und Steuertechniken, zur Reduzierung von Einspeisern, Strom dezentral zu speichern, sei es als Batteriespeicher oder als Transformation in Wasserstoff.
Über die regionalen Netzentgelte bezahlen vorwiegend die Bewohner des ländlichen Raumes die zusätzlichen Kosten durch die Integration von dezentralen Einspeisungen. So hat sich z.B. die Übernahme des städtischen Stromnetzes der Stadt Stuttgart zu einem Anstieg der Entzentgelte der NetzeBW geführt! Leider verweigert die Ministerialverwaltung in den Großstädten, wie z.B. in persönlichen Anfragen die Minister Untersteller und Altmaier, den gesetzlichen Arbeitsauftrag, die regionalen Kosten aus der Integration von erneuerbaren Stromeinspeisungen über eine Umlage bundesweit auch auf Großstädte zu verteilen.
Die Kosten aus der Umwandlung von Stromüberschuss aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff anstelle von Netzausbauten dürfen nicht über die regionalen Netzentgelte der Verteilnetzbetreiber finanziert werden.
Die Ministerialverwaltung sollte endlich ihrem Auftrag des Bundesgesetzgebers Folge leisten und über eine Rechtsverordnung die regionalen Netzkosten durch erneuerbare Energien über eine Umlage gleichmäßig auf alle verteilen.
Wie kann der Aufbau eines Wasserstoff-Transport- und Verteilsystems aussehen?
Neben der Elektrolyse sollten weitere grüne Produktionspfade, insbesondere auf Basis von Biomassen, entwickelt werden. Selbst wenn es hier regionale Beschränkungen gibt könnte geeignete Technologie exportiert werden in Regionen, die bessere Voraussetzungen bzgl. Biomassen haben; und im Gegenzug könnte mit der exportierten Technologie grün erzeugter Wasserstoff importiert werden.
Die notwendigen Skalen legen, insbesondere für den Import von grünem Wasserstoff, die Entwicklung von kryogenen Speicher- und Verteillösungen nahe. Dazu sollten innnovative Lösungen zur (Rück-)Verflüssigung, Mehrfachnutzen (Kraft-Wäre-Kälte) und Synergien mit effizientem Stromtransport (z.B. mittels Supraleitung) weiter erforscht, entwickelt und demonstriert werden.
Modellregionen sollten diesen Aspekt der skalierbaren, effizienten Speicherung, Transport und Verteilung (auch mit LH2) besonders betonen und über Meta-Projekte verknüpft werden.
An für Import und Verteilung strategisch relevanten Stellen (mit Nähe zu Binnenhafen und Gastransportleitungen) sollten, öffentlich gefördert, Handelspunkte für grünen Wasserstoff eingerichtet werden.