3D Konzept Wasser Moleküle
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29.09.2020 Fachinformation

Wasserstoff: Grünes Öl der Zukunft

Mit ihren Wasserstoffstrategien wollen Deutschland und die Europäische Union den Wasserstoff zum sauberen Energieträger der Zukunft machen. Nach Jahrzehnten der Forschung könnte sich das umweltfreundliche Gas als wichtiges Element der Energiewende etablieren. Deutschland will dabei weltweit die Technologieführerschaft übernehmen. Noch ist viel zu tun, damit sich alle diese Hoffnungen erfüllen. 

von TIM SCHRÖDER

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Solarpark in Wüstenlandschaft
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Jahrzehntelang wurde der Wasserstoff als wegweisende Zukunftstechnologie gepriesen. Und doch ging es kaum voran. Mit ihrer Erfahrung aus der Raumfahrt bauten Ingenieure der damaligen Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) schon im Jahr 1978 einen BMW zum ersten deutschen Wasserstoffauto um. Der Tank nahm den ganzen Kofferraum ein. Betankt wurde der Wagen an einer eigens entwickelten Zapfsäule. Doch am Ende landete das Auto mitsamt der Technik im BMW-Museum in München, noch ehe die Wasserstoffzukunft begonnen hatte. Im Jahr 1987 nahm die ­DFVLR mit dem Projekt Hysolar in Saudi-Arabien sogar ein erstes Mini-Kraftwerk in Betrieb, in dem mit Strom aus Photo­voltaik Wasserstoff erzeugt wurde. Die Anlage hatte nur eine geringe Leistung, doch zeigte sie schon damals, dass die Technik reif war. Das Bundesforschungsministerium und das Land Baden-Württemberg hatten das Projekt mitfinanziert. Dennoch blieb der Wasserstoff ein Stiefkind. Weder die Politik noch die Industrie wollten ihn wirklich haben: Zu kompliziert und zu teuer sei die Technologie; nicht konkurrenzfähig neben der etablierten Motoren- und Kraftwerkstechnik, die ganz auf fossile Energieträger und Kernenergie setzte. Und so blieb es lange Zeit: Die Ingenieure hatten den Ehrgeiz, den Wasserstoff zu einem sauberen Energieträger der Zukunft zu machen – denn bei seiner Verbrennung entstehen weder Kohlendioxid noch andere Abgase, sondern nur Wasser. Doch am Ende ließ die Zukunft mehr als 40 Jahre lang auf sich warten.

Großer Bahnhof für den Start in die Wasserstoffzukunft

Jetzt aber soll alles anders werden. Mit einem Mal ist der Wasserstoff das große Thema auf der Energie-Agenda in Deutschland und in ganz Europa. Die Bundesregierung hat im Juni ihre Wasserstoffstrategie verabschiedet und damit einen Coup gelandet: In Sachen Wasserstoff soll in den kommenden Jahren geklotzt und nicht mehr gekleckert werden. Bis zum Jahr 2040 sollen in Deutschland Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion mit einer Gesamtleistung von 10 Gigawatt aufgebaut werden – jene Anlagen, in denen mit Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Zum Vergleich: 10 Gigawatt entsprechen der Leistung von etwa 3000 mittelgroßen Windrädern. Anfang Juli folgte dann der europäische Aufschlag. Die Europäische Kommission veröffentlichte Details zu ihrer künftigen „Hydrogen Srategy“, ihrer neuen Wasserstoffstrategie: Bis zum Jahr 2030 sollen Elektrolyseure mit einer Kapazität von 40 Gigawatt in Europa aufgebaut werden, heißt es darin. Hinzu sollen noch einmal 40 Gigawatt außerhalb der Europäischen Union kommen – insbesondere in Nordafrika. Für den Start in eine echte Wasserstoffzukunft ist das beachtlich.

Dass der Wasserstoff nach so langer Zeit endlich zum bestimmenden Energie-Thema geworden ist, hat seinen Grund. Langsam, aber sicher hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass die Energiewende allein durch die Elektri­fizierung der Gesellschaft nicht zu schaffen ist. „Wir können nicht alles verstromen“, sagt die Expertin für Energiepolitik Kirsten Westphal von der Stiftung Wissenschaft und Politik in Berlin. „Viele energieintensive Industrieprozesse, etwa in der Stahlherstellung oder der Chemie, aber auch der Verkehr und der Transport brauchen Brennstoffe. Sie können nicht ohne Weiteres elektrisch betrieben werden. Der Wasserstoff schließt hier eine Lücke in der Energiewende.“ Kirsten Westphal gehört dem Nationalen Wasserstoffrat an, der die Bundesregierung berät. Sie kennt die Herausforderungen sehr gut. Sicher sei, dass es keinen deutschen Alleingang geben könne. „Einfach, weil wir allein in Deutschland auf lange Sicht nicht ausreichend regenerativ erzeugten Strom bereitstellen können, um grünen Wasserstoff zu produzieren.“ Insofern sei unter anderem eine Kooperation mit sonnenreichen Staaten nötig. „Es geht aber auch darum, international eine große Nachfrage nach Wasserstofftechnologien zu erzeugen – nur international kann eine kritische Masse erreicht werden, die letztlich dazu führt, dass die Kosten für die Technologie sinken. Denn noch ist der Wasserstoff im Vergleich zu Gas, Kohle und Öl zu teuer.“

Die Sonne der großen Flächenländer im Süden ist kostbar für Europa

Wirft man einen Blick in die deutsche Wasserstoffstrategie und die europäische Hydrogen Strategy, wird deutlich, dass die nordafrikanischen Staaten als künftige Wasserstofflieferanten und -erzeuger im Mittelpunkt stehen. Kirsten Westphal hält das für vernünftig, weil in Sachen Energiewirtschaft bereits heute enge Beziehungen zwischen Europa und Nordafrika bestünden – etwa im Strommarkt zwischen Marokko und Spanien sowie Tunesien und Italien. „Im Grunde können bei der Wasserstofferzeugung leicht all jene Staaten zusammenarbeiten, mit denen wir bereits heute über den Strommarkt kooperieren – beispielsweise auch die Türkei und die Ukraine.“ Die Sonne in den großen Flächenländern im Süden und in Südosteuropa zu nutzen, um Europa mit Wasserstoff zu versorgen, wäre absolut sinnvoll. „Letztlich würde das insbesondere den wirtschaftlich schwächeren Nachbarn im Süden eine interessante Perspektive bieten.“

Überhaupt hat der Wasserstoff für Kirsten Westphal wichtige geopolitische Komponenten. Sollte es künftig tatsächlich gelingen, Wasserstoff zum „Öl der Zukunft“ zu machen – wie Bundesforschungsministerin Anja Karliczek unlängst sagte –, dann bedeutet das auch, dass die etablierte Erdgas- und Mineralölindustrie langfristig das Nachsehen hat. „Wenn zum Beispiel Russland oder den arabischen Staaten das Geschäftsmodell wegbrechen sollte, dann kann das durchaus zu Verwerfungen führen – mit diesen Staaten gemeinsam in eine Wasserstoffzukunft einzusteigen, ist daher wichtig“, sagt Kirsten Westphal. Zwar würden für Unternehmen wie beispielsweise die russische Gaz­prom fossile Energieträger mittelfristig das Kerngeschäft bleiben; doch habe man auch in Russland die wachsende Bedeutung des Wasserstoffs erkannt: Die Atomenergie­gesellschaft Rosatom etwa arbeitet an der Produktion von Wasserstoff mithilfe von Atomstrom.

Auch sonst tut sich in Sachen Wasserstofftechnologie weltweit eine ganze Menge. Japan etwa will verstärkt Wasserstoff aus Australien einführen. Zwar wird Wasserstoff in Australien derzeit noch aus Kohle wenig nachhaltig produziert. Doch angesichts der großen Flächen und der intensiven Sonneneinstrahlung gilt das Land unter Experten schon heute als schlafender Riese, was die Erzeugung von Strom aus Photovoltaik und eine daran angeschlossene Wasserstoffproduktion angeht. Japan ist arm an Rohstoffen und deckt einen Teil seines Energiebedarfs bislang mit Flüssigerdgas, das per Schiff geliefert wird. Auch der Wasserstoff soll künftig per Schiff kommen.

International große Konkurrenz im Rennen um die Wasserstofftechnologie

Ein Signal hat Japan bereits gesetzt: Im Dezember vergangenen Jahres hat Kawasaki Heavy Industries den ersten größeren Flüssigwasserstoff-Tanker der Welt fertig gestellt, die Suiso Frontier. Überhaupt seien Japan und auch Südkorea in Sachen Wasserstoff ausgesprochen aktiv, sagt ­Werner Diwald, der Vorstandsvorsitzende des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbandes. „Beide Länder gehören derzeit zu den führenden Nationen bei der Entwicklung von Brennstoffzellenautos und -Lkw.“ Das ist bemerkenswert, wenn man an den ersten Wasserstoff-BMW aus dem Jahr 1978 denkt.

Bei der Vorstellung der Nationalen Wasserstoffstrategie Anfang Juni hatte Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier verkündet, dass Deutschland bei den Wasserstofftechnologien die Nummer eins in der Welt werden solle. Doch wie Japan zeigt, sind auch andere Staaten vorne mit dabei. In Saudi-Arabien will der US-Gas-Gigant Air Products & Chemicals bis zum Jahr 2025 einen 4-Gigawatt-Elektrolyseur errichten, der Strom aus Wind und Sonne nutzen wird. Der Wasserstoff soll in Form von Ammoniak gespeichert, in verschiedene Länder verschifft und dort als Dünger und Brennstoff für Turbinen genutzt oder in Wasserstoff zurückverwandelt werden. Und auch China ist ein internationales Schwergewicht beim Wasserstoff. Schon heute ist das Land größter Produzent von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff. Außerdem ist Wasserstoff Teil der Industriestrategie „Made in China 2025“. China ist seit mehreren Jahren in wichtigen Regionen mit hohem Erneuerbaren-Potenzial wie Nordafrika, Westafrika und Zentralasien im Stromsektor präsent – sowohl bei der Stromerzeugung als auch bei der Vernetzung. Der Schritt zu einem Wasserstoff-Marktführer in diesen Regionen ist da nicht weit.

Insofern müsse sich Deutschland anstrengen, wenn es bei den Wasserstofftechnologien zum Weltmarktführer werden wolle, sagt Werner Diwald. „Wir haben einen Marathon vor uns. Noch ist Deutschland im vorderen Feld mit dabei. Aber wir müssen zusehen, dass das so bleibt.“ Vor allem müsse die Politik jetzt die entscheidenden Rahmenbedingungen für einen „schnellen Markthochlauf“ schaffen. Werner Diwald betont, dass Deutschland nach Jahrzehnten der Wasserstoffforschung technologisch weit gekommen sei. „Was die Entwicklung von Brennstoffzellen oder von Tank- und Leitungssystemen angeht, sind wir weltweit führend. Der deutsche Maschinenbau hat enorme Schnittstellen-Kompetenz, die man braucht, um Wasserstofferzeugungssysteme und Brennstoffzellenfahrzeuge zu produzieren.“

Wasserstoff ist ein wichtiger Teil der Energiewende – aber kein Zaubermittel

Die dürfte zunehmend nachgefragt sein, beispielsweise um per Schiff oder Pipeline Wasserstoff nach Deutschland zu transportieren oder das bestehende Erdgasleitungsnetz Wasserstoff-„ready“ zu machen, wie es unter Ingenieuren heißt. „Hier gibt es derzeit sehr viele Aktivitäten in den Niederlanden“, sagt Stefan Lechtenböhmer, am Wuppertal Institut Leiter der Abteilung Zukünftige Energie- und Industriesysteme. „Die Niederländer werden in den nächsten Jahren mehrere Erdgasfelder schließen. Ihr Ziel ist es natürlich, das wertvolle und gut ausgebaute Erdgasnetz weiterhin zu nutzen – eben für Wasserstoff.“ Unter anderem soll Rotterdam zu einem Wasserstoff-Knotenpunkt ausgebaut werden, von dem künftig Wasserstoff in die großen Industriezentren etwa im Ruhrgebiet geleitet werden soll, erzählt Stefan Lechtenböhmer. Dafür müssen die Erdgasleitungen teils umgerüstet werden.

Auch Stefan Lechtenböhmer sieht den Wasserstoff als einen Teil der Energiewende, nicht als Allheilmittel. Wasserstoff zum Beheizen von Gebäuden etwa sei nach Analysen des Wuppertal Instituts kaum sinnvoll. „Da ist es oft effizienter, Strom direkt zu nutzen – etwa für Wärmepumpen.“ Und auch beim Verkehr sieht er den Wasserstoffeinsatz differenziert. Für Schiffe oder Lkw, die lange Strecken zurücklegen müssen, sei Wasserstoff wegen der vergleichsweise geringeren Reichweite von Batterien sehr gut ge­eignet. „Bei den Elektro-Pkw aber sehe ich eine Entwicklung hin zu nachhaltig produzierten Batterien mit größerer Reichweite. Hier wäre es sinnvoller, regenerativ erzeugten Strom statt Wasserstoff zu nutzen.“

Dennoch tue Deutschland gut daran, jetzt voll in den Wasserstoffmarkt einzusteigen, um die Technologie nicht an andere zu verlieren, sagt Kirsten Westphal. „Dabei muss uns klar sein, dass wir einen langen Atem brauchen. Energieprojekte dauern viele Jahre. Der Umstieg auf eine Wasserstoffwirtschaft wird sich nicht von heute auf morgen erledigen lassen.

TIM SCHRÖDER arbeitet als Wissenschaftsjournalist in Oldenburg. Seine Themenschwerpunkte sind Energie und Umwelt.


Die Farbenlehre des Wasserstoffs

Wasserstoff wird derzeit als umweltfreundlicher Energieträger der Zukunft gepriesen. Darunter versteht man in der Regel Wasserstoff, der mithilfe von Strom aus Sonne, Wasserkraft oder Wind erzeugt wird. Doch bislang ist nur ein Teil des Wasserstoffangebots wirklich „grün“. Der meiste Wasserstoff wird heute auf chemischem Weg wenig nachhaltig aus Kohle und Erdgas erzeugt – beispielsweise für die chemische Industrie. Experten nennen ihn „grauen“ Wasserstoff. Trennt man bei der Produktion das emittierte Kohlendioxid ab und speichert es im Untergrund – etwa in ausgedienten Erdgasfeldern –, spricht man vom „blauen“ Wasserstoff. Hinzu kommt „türkisfarbener“ Wasserstoff, der ebenfalls aus Erdgas hergestellt wird. Bei diesem sogenannten Pyrolyse-Verfahren wird aber kein Kohlendioxid frei, vielmehr wird der Kohlenstoff aus dem Erdgas als festes Karbon abgeschieden. Darüber hinaus gibt es „pinkfarbenen“ Wasserstoff, der mithilfe von Strom aus Kernenergie gewonnen wird. Im Sinne des Klimaschutzes ist es sinnvoll, künftig so viel Wasserstoff wie möglich klimaneutral und umweltfreundlich herzustellen. Ein vollständiger Umstieg auf grünen Wasserstoff dürfte nach Einschätzung von Experten noch mindestens bis zum Jahr 2050 dauern.

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29.07.2020 TOP

Die Energiewende ist eine Generationenaufgabe: Bis 2050 soll der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung auf mindestens 80 Prozent steigen. Das bringt nie dagewesene Herausforderungen mit sich – aber auch einzigartige Chancen. Die Normen und Standards, die der VDE entwickelt, sind dafür Wegbereiter. Sie spielen bei allen wichtigen Zukunftsthemen eine Rolle: vom Internet of Energy (IoE) bis zur Cyber Security, bei Power2X und E-Mobility, bei Microgrids und in Smart Markets.

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