Wasser – die Kohle der Zukunft

„Ich bin davon überzeugt, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpflichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Kein Geringerer als Jules Verne hat diese Worte einer seiner Romanfiguren in den Mund gelegt. Das war im Jahr 1874. Der französische Schriftsteller sollte Recht behalten. Wasserstoff ist ein Alleskönner. Er dient als Kühlmittel,  er kann mithilfe von Brennstoffzellen Elektromotoren antreiben oder Strom und Wärme liefern. Ohne Wasserstoff gäbe es keine Flüge in den Weltraum. Und ihm wird, da er im Gegensatz zu Kohle, Erdöl und Erdgas beim Verbrennen keine schädlichen Abgase erzeugt, ein immenses Zukunftspotenzial zugesprochen. Das Hydrogenium, so der lateinische Begriff,  soll eine tragende Rolle beim anvisierten Klimawandel einnehmen. Deutschland will bei der Nutzung dieses Stoffs weltweit in der ersten Liga spielen. Erst im vergangenen Juni hat die Bundesregierung eine Nationale Wasserstoffstrategie beschlossen und  Milliardenzuschüsse bewilligt, um dieses hochgesteckte Ziel zu erreichen.

Nahezu unerschöpflich

Wasserstoff ist ein sehr reaktionsfreudiges Element. Mit Sauerstoff bildet es ein hochexplosives Gemisch – unvergessen sind die Bilder des Luftschiffs Hindenburg, das 1937 bei der Landung im amerikanischen Lakehurst in Flammen aufging. Doch gerade diese Reaktivität macht dieses chemische Element als Energieträger und Rohstoff so interessant. Da er in allen lebenden Organismen vorkommt, ist er nahezu unbegrenzt verfügbar. In einer reinen Form gibt es ihn in der Natur aber nicht. Vielmehr findet sich das farb- und geruchlose Gas, das an der ersten Stelle des Periodensystems steht und 14,5 Mal leichter ist als Luft, gebunden in Wasser, Säuren oder Kohlenwasserstoffen. Deshalb sind große Mengen an Energie erforderlich, um das Wasserstoffmolekül abzuspalten – eine Herausforderung für die Technologie.

Zukunft gehört grünem Wasserstoff

Der größte Teil des benötigten Wasserstoffs wird aktuell durch eine sogenannte Dampfreformierung produziert. Dabei wird Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt.  Man spricht in diesem Fall von grauem Wasserstoff. Bei dieser Methode wird nicht nur viel Energie verbraucht, es entsteht auch jede Menge Kohlendioxid, das für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Die Zahlen sprechen für sich: bei der Herstellung von einer Tonne Wasserstoff wird das Zehnfache des schädlichen Kohlendioxids freigesetzt. Die Zukunft gehört deshalb dem klimaneutralen sogenannten grünen Wasserstoff. Er wird per Elektrolyse aus erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarkraft gewonnen. Sein Anteil ist im Moment noch verschwindend gering. Nur sieben Prozent des deutschen Wasserstoffbedarfs wird durch Elektrolyseverfahren gewonnen. Darüber hinaus gibt es noch einen blauen Wasserstoff. Er wird wie grauer Wasserstoff produziert, das dabei entstehende Kohlendioxid wird aber unter der Erde gespeichert.

Ausweg aus der Klimakrise

Der Meeresspiegel steigt dramatisch, die Gletscher schmelzen, ganze Arten sterben aus, weltweit nehmen Dürren zu – der Klimawandel und die damit verbundenen Veränderungen der Umwelt sind drängende Fragen unserer Zeit. Einen Ausweg aus der Klimakrise, darin sind sich die Experten einig, weist der Wasserstoff. Mit Hilfe dieses leichtesten und am häufigsten vorkommenden chemischen Elements wollen sie in eine saubere und sichere energiewirtschaftliche Zukunft aufbrechen. Sie sehen im Wasserstoff das Potenzial, langfristig eine klimaneutrale Industrie aufzubauen. Aber vor allem auch bei der Mobilität bietet dieses Gas eine Alternative.  Als Treibstoff für emissionsfreie Brennstoffzellen soll es in naher Zukunft nicht nur Autos in Bewegung setzen, sondern auch Lastwagen, große Busse, Lastschiffe und sogar Flugzeuge. Anstelle des schädlichen Kohlendioxids, das herkömmliche Verbrennungsmotoren auspusten, stoßen diese Verkehrsmittel nur Wasser aus.

Ringen um die Technologieführerschaft

Deutschland ist nicht das einzige und auch nicht das erste Land, das eine Wasserstoffstrategie beschlossen hat. Insgesamt beanspruchen 20 Staaten die Technologieführerschaft in der Wasserstoffwirtschaft. Allen voraus ist Japan. Aber auch Frankreich, die Niederlande und Süd-Korea, um nur einige zu nennen, sind früher dran als Deutschland. Auch die USA sind ein starker Konkurrent. Da sich in den Vereinigten Staaten von Amerika die Preise für regenerative Energien laut einer Analyse der US-Bank Morgan Stanley im Sinkflug befinden, könnte der grüne Wasserstoff dort schon in drei Jahren genauso günstig sein wie der graue. Aber auch in Deutschland tut sich etwas. Shell hat es sich auf die Fahnen geschrieben, die Nummer eins für grünen Wasserstoff zu werden. In der Rheinland-Raffinerie, der größten Rohölverarbeitungsstätte Deutschlands, sollen künftig anstelle des Rohöls zu jeweils einem Drittel grüner Wasserstoff, Biokraftstoff und synthetische Kraftstoffe produziert werden. Das gesteckte Ziel ist ehrgeizig: Bis 2050 will das Unternehmen in Deutschland keine fossilen flüssigen Brennstoffe mehr verkaufen. „Wir werden ein völlig neues Unternehmen sein“, so der Shell-Deutschlandchef Fabian Ziegler.

Jüngste Ankündigungen im Bereich Wasserstoff durch Regierungen weltweit

Europa

EU

Die veröffentlichte langfristige Entcarbonisierungs-Strategie der Europäischen Kommission, die Teil des EU-Green-Deals bildet und den jüngsten Vorstoß der Region zu einer umfassenderen Einführung kohlenstoffarmer Technologien umfasst, einschließlich Wasserstoff. Die Kommission hat außerdem ein „Hydrogen Energy Network“ (Wasserstoffenergienetzwerk) eingerichtet, eine informelle Expertengruppe, die sich aus Vertretern der für Energiepolitik in den EU-Mitgliedstaaten zuständigen Ministerien zusammensetzt, um die nationalen Behörden bei der Entwicklung von Möglichkeiten für die Wasserstofftechnologie zu unterstützen. 28 Länder haben die Deklaration der „Wasserstoffinitiative“ unterzeichnet, die die Zusammenarbeit bei nachhaltigen Wasserstofftechnologien fördert. „Hydrogen Europe" ist eine führende europäische Vereinigung, die die Entwicklung von Wasserstoff als Wegbereiter der Netto-Null-Gesellschaft fördert. Derzeit umfasst sie über 160 Industriemitglieder in ganz Europa. Zu den Initiativen gehört das gemeinsame Vorhaben für Brennstoffzellen und Wasserstoff (FCH JU, Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking), eine öffentlich-private Partnerschaft mit der Europäischen Kommission, die im Rahmen des EU-Programms „Horizont 2020“ einen Finanzierungsstrom von 1,33 Mrd. EUR vorantreibt, um die Markteinführung von H2-Technologien in Energie und Verkehr zu beschleunigen.

Frankreich

Wasserstoffbereitstellungsplan der französischen Regierung: Der Plan führt die nationale Strategie zur Integration von Wasserstoff in den Energiemix des Landes auf, einschließlich spezifischer kurzfristiger und langfristiger Ziele. Dazu gehören das Erreichen einer 10%igen Entcarbonisierung mittels Wasserstoff bis 2023 sowie die Entwicklung emissionsfreier Lösungen für Straße, Schiene usw., wobei 2023 5.000 leichte Nutzfahrzeuge und 200 schwere Fahrzeuge in Sicht sind (Busse, Lastwagen, Züge (TER), Boote) sowie 100 Wasserstofftankstellen, um Fahrzeuge mit lokal produziertem Wasserstoff zu betanken. Im Rahmen der im Jahr 2018 angekündigten umfassenderen nationalen Wasserstoffstrategie hat die französische Regierung 100 Mio. EUR für Forschungsinitiativen/-projekte bereitgestellt, die auf die Entcarbonisierung des Industriesektors, die Einbeziehung von Wasserstoff in verschiedene Transportsektoren und auf jene, die auf die Nutzung von Wasserstoff als Speicherkapazität für erneuerbare Energien abzielen.

Deutschland

Nationales Innovationsprogramm der Bundesregierung für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP2): Förderprogramm des Bundes, das speziell für Projekte vorgesehen ist, die sich mit der Erforschung und Entwicklung von Wasserstofftechnologien in großem Maßstab befassen. Die Anfangsphase des Programms (NIP) führte zu einer kombinierten Investition von Bund und Industrie in Höhe von ca. 1,4 Mrd. EUR für zehn Jahre (2006-16). Im Rahmen des NIP 2 (2016-26) wurden vom BMVI (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur) von 2017 bis 2019 Mittel in Höhe von insgesamt 250 Mio. EUR bereitgestellt, wobei für 2019-22 weitere 481 Mio. EUR vorgesehen sind. Das Programm unterstützt weiterhin Wasserstofftechnologien, einschließlich Subventionen für öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen, FCEVs, wasserstoffbetriebene Züge und das H2-Mobilitätsprogramm. Deutschland war das erste Land in Europa mit der Entwicklung einer integrierten Vision, die auf der Wasserstoffbetankungsinfrastruktur und der Umsetzung der FCEV: „H2-Mobility Germany“, beruht.

Österreich

Im März 2019 hatte das österreichische Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus (BMNT) unter Beteiligung des Bundesministeriums für Verkehr, Infrastruktur und Technologie (BMVIT) mit der Ausarbeitung einer landesweiten Wasserstoffstrategie begonnen. Die Wasserstoffstrategie ist jetzt Teil der „Wasserstoffinitiative“ mit den ausgearbeiteten Zielen und Maßnahmen, die in den nationalen Klima- und Energieplan aufgenommen werden sollen.

Niederlande

Wasserstoff bildet eine wichtige Säule des niederländischen Klimaabkommens mit einem Wasserstoffentwicklungsprogramm, das umgesetzt werden soll, um die großtechnische Erzeugung und Speicherung von erneuerbarem Strom mittels Wasserstofftechnologie zu ermöglichen. Ziel ist es, bis 2025 eine Elektrolysekapazität von 500 MW und bis 2030 von 3-4 GW zu installieren und eine Infrastruktur für festen Wasserstoff aufzubauen. Das Ziel erstreckt sich auch auf die Mobilität mit 15.000 FCEVs und 3.000 Schwerlastkraftwagen sowie 50 Wasserstofftankstellen bis 2025 und 300.000 FCEVs bis 2030. Die niederländischen Provinzen Groningen und Drenthe veröffentlichten die „Investitionsagenda Wasserstoff Noord-Nederland", in der 2,8 Mrd. EUR an geplanten Investitionen in Wasserstoffprojekte enthalten sind, die sowohl von der Regierung als auch vom privaten Sektor durchgeführt werden. Das Ziel dieser Projekte ist, bis 2030 eine saubere Wasserstoffproduktion in großem Maßstab aus der dann als Hydrogen Valley bezeichneten Region im Norden der Niederlande zu erreichen. Der Plan zielt darauf ab, Produktionsanlagen mit 100 MW für grünen Wasserstoff und 1,2 GW für blauen Wasserstoff zu entwickeln.

Vereinigtes Königreich

Die Regierung des Vereinigten Königreichs hat ein 90 Millionen GBP umfassendes Paket zur Bekämpfung der Emissionen von Haushalten und der Schwerindustrie auf den Weg gebracht - einschließlich der Finanzierung der ersten großen kohlenstoffarmen Wasserstoffanlagen in Europa, die genug saubere Energie erzeugen könnten, um über 200.000 Haushalte zu heizen. 70 Mio. GBP werden die Finanzierung von zwei der ersten großen kohlenstoffarmen Wasserstoffproduktionsanlagen Europas (an den Ufern des Mersey und in der Nähe von Aberdeen) umfassen. Insgesamt umfasst die Fördersumme von 70 Mio. GBP 28 Mio. GBP für 5 Projekte aus dem „Wasserstoffversorgungsprogramm“, die sich in der Demonstrationsphase befinden, 18,5 Mio. GBP für das industrielle Kraftstoffumstellprogramm und 21 Mio. GBP für lokale intelligente Energieprojekte im Rahmen der UK Research and Innovation (UKRI, Forschung und Innovation im Vereinigten Königreich), 3 Mio. GBP für UKRI-Schlüsseltechnologiekomponenten für lokale Energiesysteme und 22 Mio. GBP für UKRI-Forschungsgelder. Zu den 5 Wasserstoffprojekten, die bisher gefördert wurden, gehören HyNet, HyPER, Acorn, Gigastack und das Dolphyn-Projekt.

Hoffen auf neue Technologien

Auf dem Weg in eine Wasserstoff-Zukunft müssen aber auch noch viele Hürden genommen werden. Dringend geboten ist ein Ausbau der regenerativen Energien, um langfristig auf den grauen Wasserstoff mit seinen hohen Kohlendioxidemissionen verzichten zu können.  Noch wird dieses durch Dampfreformierung produzierte Gas weltweit am meisten genutzt. Der Grund dafür liegt auf der Hand. In punkto Rentabilität schlägt der graue den grünen Wasserstoff mit seinen hohen Produktionskosten um Längen. Ein weiteres Problem: das kohlendioxidfreie Gas, das durch Elektrolyse mit ausschließlich regenerativ erzeugtem Strom aus Wasser abgespalten wird, kann noch nicht in großem Maßstab hergestellt werden. Aber viele kleinere Anlagen, die bereits in Betrieb sind, geben Hoffnung, dass sich das schon bald ändert. Denn auf diesem Sektor wird, nicht zuletzt wegen des Vorpreschens jener Staaten, die auf Wasserstoff setzen und bereit sind, Milliarden an Fördergeldern zu investieren, weltweit geforscht. Auch neue Verfahren, wie etwa die Hochtemperatur-Elektrolyse oder die Methan-Pyrolyse, die weit weniger Energie verbraucht als die Wasser-Elektrolyse, sind in der Entwicklung.  Einen Beitrag zu einer sogenannten Dekarbonisierung der Energiewirtschaft könnte nach Auffassung der Experten auch der blaue Wasserstoff leisten. Wie beim grauen Wasserstoff entsteht bei dessen Herstellung Kohlendioxid. Es wird allerdings nicht in die Atmosphäre geblasen, sondern unterirdisch gespeichert. In der Nordsee könnten 2000 Milliarden Tonnen des Treibhausgases gelagert werden, davon 67 Milliarden Tonnen allein auf norwegischem Seegebiet.

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Infrastruktur muss geschaffen werden

Wer auf Wasserstoff setzt, muss es auch zum Verbraucher bringen. Dazu ist eine flächendeckende Infrastruktur nötig. Zurzeit wird darüber nachgedacht, Gaspipelines zu nutzen und darüber hinaus spezielle Wasserstoff-Pipelines zu bauen. Bis zum Jahr 2030 soll in Deutschland ein Wasserstoffnetz mit einer Länge von mehr als 1.200 Kilometer Länge vorhanden sein.

Die WirtschaftsWoche hat dazu interessante Infografiken veröffentlicht