Grüner Wasserstoff: Schlüsselkomponente für nachhaltiges Energiemanagement

04.03.2024 | J. Morelli – Online Redaktion, Forum Verlag Herkert GmbH

Die Farbe Grün ist in der heutigen Zeit mehr denn je mit Nachhaltigkeit, Klimaanpassung und Klimaschutz assoziiert. Grün leben, grün Arbeiten, grün Wirtschaften – der grüne Faden zieht sich durch den privaten, öffentlichen und beruflichen Alltag. Eine derartige Terminologie hilft präzise und direkt Thematiken zusammenzufassen und zu kommunizieren. Im Falle des Wasserstoffes spricht „grün“ dessen Herstellung an und betont die Nachhaltigkeit. Gleichzeitig gewinnt grüner Wasserstoff als potenzielle Lösung für zahlreiche Herausforderungen im Energie- und Umweltsektor stetig an Bedeutung. Dieser Artikel widmet sich der Definition, Herstellung, Verwendung sowie den Vor- und Nachteilen von grünem Wasserstoff sowie dessen Rolle im nachhaltigem Energiemanagement.

 

Inhaltsverzeichnis

1. Definition – was bedeutet grüner Wasserstoff?
2. Herstellung – wie läuft eine Elektrolyse ab?
3. Grüner Wasserstoff: Anwendungsfall und Verwendung
4. Vorteile von grünem Wasserstoff – klimafreundlich und unabhängig?
5. Nachteile von grünem Wasserstoff – Kosten, Energieeffizienz und Verfügbarkeit
6. Fazit grüner Wasserstoff – Status Quo und Ausblick

Definition – was bedeutet grüner Wasserstoff?

Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser (H₂O) unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft gewonnen. Im Gegensatz zu grauem oder blauem Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen unter Freisetzung von CO₂ bzw. mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung produziert wird, ist die Herstellung von grünem Wasserstoff emissionsfrei, sofern der verwendete Strom vollständig aus erneuerbaren Quellen stammt.

→ Gleichzeitig muss entlang der gesamten Transport- und Produktionskette des grünen Wasserstoffs gewährleistet werden, dass deren CO₂-Ausstoß um mindestens 70 Prozent gegenüber herkömmlichen Prozessen gesenkt wurde.

Novelle der 37. Verordnung Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchV)

Durch die Novelle der 37. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (37. BImSchV) vom 13.12.2023 wird erstmals genau definiert, welche Voraussetzungen der zur Elektrolyse von grünem Wasserstoff verwendete Strom mitbringen muss.

Darauf aufbauend hat das Bundekabinett am 02.02.2024 die „Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie“ beschlossen, die bereits seit 2020 lief und einen bisherigen Fördertopf von rund 9 Milliarden Euro aufwies. Mit der nun folgenden Fortschreibung solle eine neue Phase im „Wasserstoff-Markthochlauf“ erreicht werden, so verkündete unlängst Robert Habeck.

→ Was bedeutet Markhochlauf? Wenn im Falle des grünen Wasserstoffs eine „breite“ Nachfrage (sektoren- und branchenübergreifend) und ein mengenmäßig entsprechendes Angebot vorliegt, wäre von einem Wasserstoff-Markthochlauf die Rede.

Wie genau die künftige staatliche Unterstützung aussehen solle, wurde nochmals in der genannten Pressemeldung deutlich gemacht: Entlang der gesamten Wertschöpfungskette für grünen Wasserstoff soll es staatliche Unterstützung geben. Mittelfristig soll dieses Maßnahmenpaket bereits 2024/2025, langfristig bis 2030 greifen.

Quick-Facts: Inhalte der nationalen (Grün-)Wasserstoffstrategie

• Verfügbarkeit von ausreichend (grünem) Wasserstoff sicherstellen
• Ausbau der Erzeugung von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten in Deutschland (Elektrolysekapazität soll bis 2030 von 5 GW auf 10 GW erhöht werden)
• Import von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten
• Aufbau einer leistungsfähigen Wasserstoffinfrastruktur: Bis 2027/2028 soll über die IPCEI-Förderung ein Wasserstoffnetz mit mehr als 1.800 km Wasserstoffleitungen in Deutschland entstehen, plus alle großen Erzeugungs-, Import- und Speicherzentren mit den entscheidenden („relevanten“) Abnehmern verbunden sein.
• Implementierung und Förderung von Wasserstoffanwendungen in den Bereichen Industrie, Verkehr, Strom, Wärme
• Staatliche Planungs- und Genehmigungsverfahren
• Nachhaltigkeitsstandards und Zertifizierung

→ Eines der Hauptziele formuliert das Strategiepapier des Bundeskabinetts klar und deutlich: Deutschland wird bis 2030 Leitanbieter für Wasserstofftechnologien, sowohl auf europäischer, wie auch internationaler Ebene. Um diese ambitionierten Ziele bewerkstelligen zu können, muss primär die (grüne) Wasserstoffherstellung deutlich erweitert werden.

Herstellung – wie läuft eine Elektrolyse ab?

Die Elektrolyse, der zentrale Prozess zur Gewinnung von grünem Wasserstoff, involviert das Anlegen einer elektrischen Spannung an Wasser, um dieses in seine Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu zerlegen. Die Effizienz der Elektrolyse und somit die Nachhaltigkeit der Wasserstoffproduktion hängen maßgeblich von der Verfügbarkeit und dem Einsatz erneuerbarer Energien sowie von der Effizienz der verwendeten Elektrolyseure ab.

Elektroyse von Wasserstoff: Bei der Gewinnung von grünem Wasserstoff muss die dazu verwendete Energie zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energiequellen stammen. (© natros – stock.adobe.com)

Grüner Wasserstoff: Anwendungsfall und Verwendung

Grüner Wasserstoff besitzt ein breites Anwendungsspektrum. Er kann als emissionsfreier Energieträger in der Mobilität, zur Speicherung von überschüssiger Energie aus erneuerbaren Quellen, als Rohstoff in der chemischen Industrie oder zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet er das Potenzial, als umweltfreundlicher Brennstoff in Kraftwerken zur Stromerzeugung zu dienen.

→ Vor allem in puncto Mobilitätssektor wird der Einsatz des grünen Wasserstoffs durch das BImSchV gefördert – indirekt durch die sog. Treibhausgasminderungsquote (THG-Quote).

Volatile Einspeisung alternativer Energie

Bei umfassender Nutzung regenerativer Elektrizität haben Wetterereignisse großen Einfluss auf die Peaks der Energiegewinnung. Kommt es zur Überproduktion z. B. durch Windkraftanlagen (Windparks) oder PV-Großanlagen kann das Stromnetz nicht die gesamte Energiemenge aufnehmen. In solchen Phasen kann ein derartiges Surplus zur Elektrolyse von grünem Wasserstoff verwendet werden.

10 % Beimischung

Die derzeit gültige Regelung für grünen Wasserstoff erlaubt entweder eine Direkteinspeisung ins Gas-Netz zu 10 % oder eine Weiterverarbeitung zu synthetischem Gas, welches wiederum uneingeschränkt genutzt werden kann (vgl. hierzu https://gas.info/neue-gase/wasserstoff/herstellung-wasserstoff/gruener-wasserstoff ).

→ Synthetisches Gas entsteht bei der Vermischung des grünen Wasserstoffs mit Kohlendioxid zu Methan (Methanisierung).

Vorteile von grünem Wasserstoff – klimafreundlich und unabhängig?

Die Nutzung von grünem Wasserstoff bietet zahlreiche Vorteile für ein nachhaltiges Energiemanagement. Zu den wesentlichen Pluspunkten zählen:

• Reduktion von Treibhausgasemissionen: Als saubere Energiequelle kann grüner Wasserstoff signifikant zur Verringerung von CO₂-Emissionen beitragen.
• Energiespeicherung: Grüner Wasserstoff ermöglicht die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Quellen und deren Nutzung zu Zeiten geringer Erzeugung.
• Sektorenkopplung: Er bietet die Möglichkeit, verschiedene Energie- und Industriesektoren zu verbinden, indem erneuerbare Energien effizient in den Verkehrs-, Industrie- und Wärmesektor integriert werden.
• Unabhängigkeit von Energieimporten: Die Produktion von grünem Wasserstoff kann zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffimporten führen.

Nachteile von grünem Wasserstoff – Kosten, Energieeffizienz und Verfügbarkeit

Trotz der Vorteile stehen der breiten Anwendung von grünem Wasserstoff auch Herausforderungen gegenüber:

• Hohe Kosten: Die Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff sind derzeit noch kostenintensiv.
• Energieverluste: Die Effizienz der Elektrolyse und der anschließenden Umwandlung von Wasserstoff in nutzbare Energie ist mit Energieverlusten verbunden.
• Energie-Infrastruktur: Der Aufbau einer umfassenden Infrastruktur für die Produktion, Speicherung und Verteilung von grünem Wasserstoff erfordert erhebliche Investitionen.

Bei der Beschaffung grünen Wasserstoffs spielt der Preis die entscheidende Rolle. Dessen Bereitstellungskosten variieren laut unterschiedlichen Erhebungen zwischen 15 und 21 Cent/KWh, was dessen Kosten etwa drei- bis fünfmal höher als fossiles Erdgas ausfallen lässt (vgl. GEG Baupraxis 1/23, S. 25). Aber an diesem Preisproblem soll sich laut des Bundes innerhalb der nächsten 5–6 Jahren einiges verbessern.

Fazit grüner Wasserstoff – Status Quo und Ausblick

Grüner Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle im Streben nach einem nachhaltigen Energiemanagement und der Dekarbonisierung verschiedener Sektoren. Trotz der aktuellen Herausforderungen in Bezug auf Kosten und Effizienz bieten die fortschreitende technologische Entwicklung und politische Unterstützung vielversprechende Perspektiven für die zukünftige Integration von grünem Wasserstoff in ein umweltfreundliches Energiesystem. Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung in diesem Bereich wird entscheidend sein, um die Potenziale von grünem Wasserstoff vollständig zu erschließen und einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.

Quellen: https://www.bmwk-energiewende.de/EWD/Redaktion/Newsletter/2020/07/Meldung/direkt-erklaert.html, https://www.bmbf.de/bmbf/shareddocs/kurzmeldungen/de/wissenswertes-zu-gruenem-wasserstoff.html