13.07.21 Das entscheidende Element Autor*in: Constantin Gillies • Lesedauer: 7 min.

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Zusammenfassung

Wasserstoff ist das Öl von morgen – das wurde schon oft vorhergesagt. Doch wo lässt sich das Element überhaupt einsetzen? Und woher sollen in Zukunft die benötigten Mengen kommen? Eine Bestandsaufnahme.

Wenn das olympische Feuer am 23. Juli im Nationalstadion von Tokio entzündet wird, findet eine kleine Revolution statt. Denn hier verbrennt nicht (wie sonst üblich) handelsübliches Propangas, sondern Wasserstoff. Dabei entsteht bis auf eine geringe Menge Stickoxid nur Wasserdampf – und kein CO2. Insgesamt setzen die Olympia-Ausrichter stark auf das vielseitige Element: Tokio soll als erste Olympiade des Wasserstoffzeitalters in die Geschichte eingehen. Deshalb chauffieren 500 wasserstoffbetriebene Autos vom Typ Toyota Mirai die Sportler zu den Wettkämpfen, und Brennstoffzellen liefern im olympischen Dorf den Strom. Für neue Technologien hatten die Japaner in der Vergangenheit ein gutes Gespür: Zur letzten Olympiade in Tokio im Jahr 1964 führten sie den Schnellzug Shinkansen ein – bis heute ein Vorbild für moderne Bahntechnik. Fällt beim globalen Sportfest nun der Startschuss für die Wasserstoff-Ära?

An großen Plänen rund um das kleine Molekül mangelt es nicht. Erst Ende Mai hat die Bundesregierung angekündigt, 62 neue Wasserstoff-Projekte unterstützen zu wollen. Mit Investitionen von mehr als acht Milliarden Euro soll erkundet werden, wie das Element erzeugt, transportiert und in der Industrie verwendet werden kann. „Wir machen Deutschland zum Wasserstoff-Land“, sagte Verkehrsminister Andreas Scheuer bei der Vorstellung der Pläne.

Andreas Scheuer, Bundesverkehrsminister

Solche Ankündigungen waren schon häufiger zu hören. Zum Beispiel am 12. Januar 1999, als in Hamburg die erste Wasserstoff-Tankstelle Europas eröffnet wurde. In den folgenden zwei Jahrzehnten hat sich aber fast nichts mehr getan. Heute gibt es gerade mal 91 H2-Tankstellen in Deutschland – eher wenig im Vergleich zu 14.000 konventionellen Stationen. Und die Zahl der weltweit produzierten Wasserstoffautos ist vierstellig. Warum sollte die Wasserstoff-Revolution diesmal wirklich beginnen?

Keine Klimaneutralität ohne Wasserstoff

Weil sie muss, sagen Experten. „Bis 2045 klimaneutral zu werden, geht nicht ohne Wasserstoff“, meint Roland Dittmeyer, Professor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Das Argument der Experten: Um den Klimawandel zu stoppen, muss die Welt sich schnell von fossilen Brenn- und Rohstoffen verabschieden, und als Ersatz bietet sich das häufigste Element im Universum an. Denn Wasserstoff kann mit Ökostrom hergestellt werden, liefert über Brennstoffzellen Strom und Wärme, lässt sich in synthetische Treibstoffe verwandeln und kann in der Industrie Öl sowie Kohle ersetzen. „Wasserstoff ist ein echtes Multitalent“, bestätigt Eric Heymann von Deutsche Bank Research, Frankfurt, dem Think-Tank des Geldhauses. Dann allerdings ergänzt er ein kleines Wort – „theoretisch“. In der Praxis nämlich bleiben noch viele Fragezeichen.

Unsicher ist zum Beispiel das Woher. Soll die Wirtschaft mithilfe von Wasserstoff klimafreundlicher werden, muss das Gas grünen Ursprungs sein (siehe unten). Bei seiner Erzeugung darf nur Strom aus erneuerbaren Quellen eingesetzt werden. Genau der ist jedoch rar. „Die Wasserstoff-Erzeuger konkurrieren mit E-Autos, Datenzentren und Wärmepumpen um den Strom – und von dauerhaften Überschüssen aus erneuerbaren Quellen sind wir noch weit entfernt“, betont Ökonom Heymann. Er glaubt nicht, dass sich daran in den nächsten Jahrzehnten etwas ändern wird. „Deutschland bleibt Wasserstoff-Importland.“

Eric Heymann, Ökonom bei Deutsche Bank Research

Wie viel davon in Zukunft gebraucht wird, hat das Forschungszentrum Jülich in aufwendigen Simulationen berechnet. Ergebnis: Soll der CO2-Ausstoß um 95 Prozent gesenkt werden, müsste Deutschland Mitte des Jahrhunderts pro Jahr zwölf Millionen Tonnen Wasserstoff zur Verfügung haben. Im kostengünstigsten Szenario würden 45 Prozent des Bedarfs im Inland erzeugt und der Rest eingeführt. Theoretisch ist das möglich: Laut einer Berechnung des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE kann im Jahr 2050 weltweit genug grüner Strom erzeugt werden, um fast zwei Milliarden Tonnen flüssigen Wasserstoff herzustellen.

55 Prozent Wasserstoff-Importe im Jahr 2050

Infografik zeigt das 55% an Wasserstoff importiert wird.

Trotz des Ausbaus der erneuerbaren Energien bleibt Deutschland auch in Zukunft auf Wasserstoff-Importe angewiesen.

Wasserstoff in Erdgasleitungen

Und es bleibt noch die Transportfrage. Professor Detlef Stolten vom Forschungszentrum Jülich rechnet damit, dass Wasserstoff in Zukunft flüssig importiert wird – etwa per Tankschiff. „Für die Verteilung im Land könnte man bestehende Erdgaspipelines verwenden. Das geben die Netze her.“ Der Energieexperte schlägt vor, einige Leitungen des Erdgasnetzes komplett für Wasserstoff umzuwidmen. Die gemischte Verteilung zusammen mit Erdgas hält er nur lokal für sinnvoll.

Wasserstoff ist allerdings ein anspruchsvolles Transportgut. Um das Element zu verflüssigen, muss es auf minus 253 Grad Celsius gekühlt werden. Außerdem greift es viele Metalle an, verursacht Risse und sogar Brüche („Wasserstoffversprödung“). Einige Experten schlagen deshalb vor, H2 für den Transport in einen leichter handhabbaren Stoff zu verwandeln. „Praktische Erwägungen sprechen für Methan, Methanol oder Ammoniak“, meint Dittmeyer. Methan zum Beispiel lässt sich aus Wasser und Kohlendioxid synthetisieren; und da der Stoff die Hauptkomponente von Erdgas ist, kann er folglich über die vorhandenen Netze verteilt werden.

Auch futuristischere Transportkonzepte sind möglich. Eine Idee besteht darin, die Netze für Wasserstoff mit denen für Strom zu verbinden. Innerhalb der Pipelines mit dem flüssiges H2 könnten spezielle Stromleitungen verlegt werden. Bei der Umgebungstemperatur von minus 253 Grad würden sie ihren Widerstand verlieren (Supraleitung), sodass sich der Strom nahezu verlustfrei transportieren ließe.

Allerdings ist unsicher, wie viel Wasserstoff letztlich gebraucht wird, denn die Einsatzszenarien ändern sich ständig. Im Verkehr zum Beispiel wird Wasserstoff wohl eine kleinere Rolle spielen als gedacht. Das vermeintlich zukunftsweisende Brennstoffzellenauto bekommt derzeit nämlich mächtig Konkurrenz durch batteriebetriebene Modelle. „Wasserstoff im Pkw – das wird von Tag zu Tag unwahrscheinlicher“, urteilt Ökonom Heymann. Was die Brennstoffzellenautos ausbremst, ist ihre schlechte Energiebilanz: Erst muss mit großem Aufwand Wasserstoff hergestellt werden, um ihn dann in der Brennstoffzelle wieder in Strom zu verwandeln. Pro Kilometer wird so zwei bis dreimal so viel Strom verbraucht wie beim Fahren mit Batterie.

Kein Markt für Wasserstoff-LKWs?

Eng wird es auch für den Wasserstoff-LKW. Bislang galt die Regel, dass ab 600 Kilometern der Strom aus Brennstoffzellen kommen muss, weil Akkus dann zu schwer werden. Doch die Energiedichte von Batterien steigt ständig, was die Rechnung zugunsten von Akku-Fahrzeugen verschiebt. 2017 lieferte jedes Kilo Batterie 150 Wattstunden, heute sind schon über 200 möglich, künftig sollen es 400 sein. Der niederländische Verkehrswissenschaftler Auke Hoekstra rechnet damit, dass es in fünf Jahren batteriebetriebene 40-Tonner gibt, die 800 Kilometer schaffen. Sie könnten rund 80 Prozent aller Fahrten übernehmen. Für den H2-Truck bliebe da nicht mehr viel übrig.

Sicher abheben dürfte der Wasserstoff dagegen in der Luftfahrt. Das Flugzeug von morgen verbrennt in seinen Triebwerken wahrscheinlich sogenannte E-Fuels, also synthetische Kraftstoffe, die mithilfe von Strom klimaneutral hergestellt werden. Am Karlsruher Institut für Technologie steht schon eine Anlage, die das kann. Sie filtert Kohlendioxid aus der Luft und verbindet ihn mit Wasserstoff aus Wasser. Da bei allen Vorgängen Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird, kommt am Schluss klimaneutraler Treibstoff heraus. Was als Kohlendioxid im Abgassteckt, wurde zuvor der Atmosphäre entzogen – im Prinzip ein Nullsummenspiel. Außerdem müssten die Flugzeugtriebwerke für E-Fuels nicht einmal umgerüstet werden.

Gewaltiger Kraftakt nötig

Doch für all diese grünen Innovationen ist ein gewaltiger Kraftakt nötig. Elektrolyseure müssen gebaut, Pipelines umgewidmet, Industrieanlagen und Prozesse auf den neuen Energieträger umgestellt werden. Das geht nicht über Nacht. Raffinerien, Stahlwerke und Heizungen sind auf eine Nutzungsdauer von 25 Jahren oder mehr ausgelegt, hier lässt sich das technische Ruder nicht einfach herumreißen. Hinzu kommt, dass grüner Wasserstoff noch lange Zeit rar bleiben wird. Um halbwegs im Zeitplan zu bleiben, wird es nötig sein, vorübergehend von der reinen grünen Lehre abzurücken. „Wir könnten direkt einsteigen, dann aber mit türkis oder blau erzeugtem Wasserstoff“, gibt Professor Dittmeyer als Beispiel. Doch selbst dann könnte die Zeit nicht reichen, befürchtet Experte Stolten vom Forschungszentrum Jülich. „In vielen Bereichen müssen wir Schritte machen, die größer als um den Faktor zehn sind. Wir sind noch nicht schnell genug.“

Professor Detlef Stolten, Wasserstoffexperte vom Forschungszentrum Jülich


Die neue Farbenlehre

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei der dafür nötige Strom ausschließlich aus erneuerbaren Quellen kommt.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, in der Regel aus Erdgas. Dabei gelangen pro Tonne Wasserstoff zehn Tonnen CO2 in die Atmosphäre.

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff erzeugt, allerdings fängt man das entstehende CO2 ein und speichert es sicher, zum Beispiel unterirdisch. Gelangt das CO2 also nicht in die Atmosphäre, trägt es auch nicht zum Treibhauseffekt bei, das heißt, das Verfahren ist klimaneutral.

Türkiser Wasserstoff entsteht, wenn das Gas Methan bei großer Hitze aufgespalten wird. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Diesen festen Kohlenstoff kann man sehr einfach unterirdisch speichern oder sogar in Produkten wie Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Klimaneutral ist das Verfahren nur, wenn die nötige Energie für das Aufspalten aus erneuerbaren Quellen stammt.

Roter Wasserstoff wird durch Elektrolyse erzeugt, wobei ein Kernkraftwerk den nötigen Strom liefert.

Ein Wald aus Windrädern – nur für Wasserstoff

Eine moderne Windkraftanlage an Land mit 3,5 Megawatt Leistung erzeugt pro Jahr rund sieben Millionen Kilowattstunden. Das reicht, um rund 2.800 Haushalte zu versorgen. Um ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen, benötigen ein Elektrolyseur und ein Verdichter zusammen rund 57 Kilowattstunden. Das bedeutet: Mithilfe eines einzelnen Windrades lassen sich pro Jahr rund 123 Tonnen Wasserstoff gewinnen. Um den für Deutschland prognostizierten Bedarf von zwölf Millionen Tonnen im Jahr 2050 herzustellen, müssten mehr als 97.000 Windräder ausschließlich Strom für die Elektrolyse erzeugen. Derzeit stehen hierzulande rund 30.000 Windräder.

Theoretisch 97.000 Windräder für H2-Produktion im Jahr 2050

31000 Windräder sind in Deutschland vorhanden. 97000 weitere wären benötigt um genug Wasserstoff zu produzieren wie 2015 benötigt.

Für die Produktion von grünem Wasserstoff müssten in Deutschland viele neue Windräder installiert werden.

Wer wird Wasserstoff-Großmacht? Das globale Rennen ist eröffnet

Europa prescht im Rahmen des „Green Deal“ beim Thema Wasserstoff voran. Bis 2030 sollen in der Union Elektrolyseure mit einer Leistung von 40 Gigawatt stehen, die pro Jahr zehn Millionen Tonnen grünen Wasserstoff produzieren. Deutschland will nach dem Willen der Bundesregierung eine Führungsrolle bei Wasserstofftechnologie einnehmen. Erst im Mai wurden für 62 Projekte über acht Milliarden Euro Bundes- und Landesmittel zur Verfügung gestellt, um die Erzeugung, den Transport und die Anwendung des Elements in der Industrie voranzutreiben.

In den USA treibt der neue Präsident Biden das Thema Wasserstoff voran. Seine Energieministerin hat gerade ein Großprojekt namens „Hydrogen Shot“ angekündigt und will allein im nächsten Jahr 400 Millionen Dollar für Wasserstoff-Projekte ausgeben. Fernziel ist, den Preis für den grün erzeugtem Stoff von derzeit fünf auf einen Dollar pro Kilo zu drücken. Pionier unter den Bundesstaaten ist Kalifornien: Der Sonnenstaat will in den kommenden vier Jahren 115,7 Millionen Dollar in H2-Betankungsinfrastruktur investieren. In Nischen hat sich Wasserstoff in den USA schon als Energieträger etabliert: In dortigen Lagerhäusern sind rund 40.000 H2-Gabelstapler im Einsatz.

China glaubt weiter an den Einsatz von Wasserstoff im Verkehrssektor. Im Jahr 2030 sollen 50.000 Brennstoffzellenfahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein. Derzeit sind es insgesamt rund 7.000. Die vergleichsweise hohe Zahl ist eine Folge großzügiger Subventionen, die bei LKWs bis zu 133.000 Euro pro Fahrzeug erreichen können. Finanzielle Unterstützung kommt dabei oft nicht nur aus Beijing, sondern auch von den einzelnen Städten. Chinesische Medien haben ausgerechnet, dass das Land die Brennstoffzelle in den kommenden vier Jahren mit rund 100 Milliarden Yuan (ca. 13 Milliarden Euro) fördern könnte.

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