Verkehr der Zukunft : Farbenspiele für den Klimaschutz
Ob blau, türkis oder grün - Wasserstoff kann fossile Kraftstoffe ersetzen. Ein Allheilmittel für den Klimaschutz ist er trotzdem nicht.
Erdöl und Erdgas sind ein Gruß aus einer fernen Vergangenheit: Mehrere hundert Millionen Jahre hat es gedauert, bis am Grund urzeitlicher Ozeane aus abgestorbener Biomasse die Energieträger entstanden sind, mit denen wir heute Motoren antreiben, Häuser heizen und Industrieprodukte herstellen.
Öl und Gas lassen sich auf künstlichem Wege herstellen - aus Wasser- und Kohlenstoff
Doch es geht auch viel, viel schneller. Denn Öl und Gas lassen sich ebenso auf künstlichem Wege herstellen - aus Wasserstoff und Kohlenstoff. In einer Raffinerie können sie zu synthetischem Benzin, Diesel oder Kerosin, so genannten E-Fuels, oder auch zu nachgebildetem Erdgas und Heizöl zusammengesetzt werden. Charme hat dieses Verfahren vor allem deshalb, weil die Kraft- und Brennstoffe klimaneutral sind, wenn sie mit grünem Wasserstoff produziert werden. Das Label "Grün" darf Wasserstoff tragen, wenn er aus einem mit Ökostrom betriebenen Elektrolyseur stammt. Mit dem Strom spaltet die Anlage Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.
Nahezu null CO2: Seit 2020 fahren die Wasserstoffbusse der Wuppertaler Stadtwerke durch die Stadt. Der Wasserstoff im Tank wird aus dem Müll der Bürger gewonnen.
Die Elektrolyse gehört zu den Schlüsseltechnologien für den Klimaschutz: Grüner Wasserstoff, pur oder verarbeitet, soll helfen, fossile Energieträger nach und nach überflüssig zu machen. Die vormalige Bundesregierung geht in ihrer im Sommer vergangenen Jahres verabschiedeten Nationalen Wasserstoffstrategie davon aus, dass 2030 in Deutschland klimaneutraler Wasserstoff mit einer Energiemenge von insgesamt 90 bis 110 Terawattstunden benötigt wird. Für die Erzeugung bedarf es jedoch gewaltiger Mengen an Ökostrom: etwa 150 Terawattstunden. Das entspricht gut einem Viertel der gesamten Strommenge, die 2020 in Deutschland produziert wurde. Tatsächlich dürfte der Bedarf an Wasserstoff sogar noch um einiges größer sein, da die schwarz-rote Koalition im vergangenen Mai das Klimaziel für 2030 erhöht hat.
Blauer Wasserstoff - die Gaswirtschaft schlägt eine Zwischenlösung vor
Zwar sieht die Wasserstoffstrategie vor, den größten Teil des grünen Energieträgers aus Ländern zu importieren, die bessere Bedingungen für die Erzeugung von Ökostrom bieten. Doch der Aufbau der erforderlichen Erneuerbare-Energien- und Elektrolyse-Kapazitäten steckt weltweit noch in den Kinderschuhen. Deshalb schlägt die Gaswirtschaft eine Zwischenlösung vor: Blauer Wasserstoff soll die Zeit überbrücken, bis genug grüner zur Verfügung steht. Er wird aus fossilem Erdgas gewonnen. Dabei entsteht Kohlendioxid, das jedoch nicht in die Atmosphäre entlassen, sondern aufgefangen und dauerhaft unterirdisch in Felsgestein gelagert werden soll.
In den Augen von Claudia Kemfert, Leiterin der Abteilung Energie, Verkehr und Umwelt am Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung (DIW) und stellvertretende Vorsitzende des Sachverständigenrats für Umweltfragen (SRU), ist das jedoch kein sinnvoller Ansatz. "Damit würde in Technologien und Infrastrukturen investiert, die in einer treibhausgasfreien und umweltfreundlichen Wirtschaft keinen Platz mehr haben", sagt die Ökonomin. “Statt teurer Brückentechnologien brauchen wir Investitionen in die Zukunft.”
„Die Steigerung der Energieeffizienz und der direkte Einsatz erneuerbaren Stroms muss stets Priorität haben.“
Einige Unternehmen und Forschungsinstitute bringen noch eine weitere Farbe ins Spiel: türkisen Wasserstoff, ebenfalls mit fossilem Erdgas hergestellt - aber mit einem Verfahren, bei dem sich kein gasförmiges Kohlendioxid, sondern reiner Kohlenstoff bildet. Dieser Feststoff lässt sich für industrielle Zwecke verwenden und auch gut endlagern. Der SRU hält das Konzept allerdings genauso für einen Irrweg wie den blauen Wasserstoff.
Die Herstellung türkisen und blauen Wasserstoffs berge die Gefahr, dass zu lange an fossilen Infrastrukturen festgehalten wird, schreiben die Experten in einer Stellungnahme für die Bundesregierung. Zudem verweisen sie darauf, dass türkiser wie blauer Wasserstoff nicht klimaneutral sind, da in der Prozesskette Methan, ein hochwirksames Treibhausgas, in die Atmosphäre entweicht. Die Experten raten der Bundesregierung, die Bedingungen für die Produktion von grünem Wasserstoff im Inland zu verbessern und zugleich ausreichend verlässliche Importquellen für grünen Wasserstoff zu sichern.
Forscher: Die Potenziale sind riesig
Das Potenzial ist riesengroß, wie eine Analyse des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE zeigt: Außerhalb Europas könnten langfristig pro Jahr grüner Wasserstoff mit einer Energiemenge von 69.100 Terawattstunden beziehungsweise synthetische Kraft- und Brennstoffe entsprechend 57.000 Terawattstunden hergestellt werden. Zum Vergleich: Für die globale Luftfahrt dürften 2050 jährlich klimaneutrale Kraftstoffe mit einer Energiemenge von insgesamt 6.700 Terawattstunden benötigt werden, für den Schiffsverkehr 4.500 Terawattstunden.
Dieses Potenzial zu erschließen, wird jedoch mehrere Jahrzehnte dauern und ist zudem mit allerlei politischen, wirtschaftlichen und technischen Unsicherheiten behaftet. Grüner Wasserstoff - Kemfert nennt ihn den "Champagner der Energiewende" - wird daher auf absehbare Zeit nur in begrenztem Maße zur Verfügung stehen. Der SRU plädiert deshalb dafür, den Energieträger gezielt dort zu verwenden, wo er den größten Nutzen bringt, konkret in Teilen der Industrie sowie im internationalen Schiffs- und Flugverkehr.
Matthias Deutsch, Programmleiter Wasserstoff bei der Denkfabrik Agora Energiewende, sieht das genauso. "Der Bedarf an grünem Wasserstoff wird für lange Zeit größer sein als das Angebot. Wir sollten ihn deshalb dort einsetzen, wo es mit Blick auf den Klimaschutz auf absehbare Zeit keine Alternativen gibt. Dazu gehören vor allem die Stahl- und Chemieindustrie, der Flug- und Schiffsverkehr sowie langfristig der Stromsektor in Zeiten von Dunkelflauten."
Experte: Wasserstoff kann immer nur Ergänzung sein
Auch Norman Gerhardt, Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse beim Fraunhofer IEE, warnt davor, Wasserstoff und seine Folgeprodukte als Allheilmittel für den Klimaschutz zu verstehen. "Trotz des großen Potenzials können grüner Wasserstoff und grüne synthetische Brenn- und Kraftstoffe immer nur Ergänzung sein. Die Steigerung der Energieeffizienz und der direkte Einsatz erneuerbaren Stroms muss stets Priorität haben", sagt der Fraunhofer-Forscher.
Für den Straßenverkehr bedeutet das, so weit wie möglich auf die Elektromobilität zu setzen. Schon aus Gründen der Effizienz: Das Öko-Institut hat ausgerechnet, dass Pkw, die mit wasserstoffbasiertem Benzin oder Diesel unterwegs sind, dreieinhalb bis fünf Mal mehr Strom für die gleiche Wegstrecke benötigen als solche mit Elektroantrieb. Grund dafür sind die vielen Energieverluste in der Prozesskette, etwa in der Elektrolyse oder im Motor. "Wollten wir hierzulande alle fossilen Kraftstoffe im Straßenverkehr durch E-Fuels ersetzen, wäre dafür mindestens 2,5-mal so viel Strom notwendig, wie wir heute in Deutschland insgesamt verbrauchen", erklärt Daniel Münter, Experte für Ökobilanzen am Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg.
Für LKW braucht es andere Lösungen
Während der Markt sich bei den Pkws bereits für den batterieelektrischen Antrieb entschieden hat, ist das Bild bei den Lkw nicht ganz so eindeutig. Zwar sind bereits erste Batterie-Modelle auf dem Markt. Doch gerade bei sehr schweren, auf Langstrecken eingesetzten Fahrzeugen sind auch Brennstoffzellen eine Option. So führt zum Beispiel Daimler derzeit Praxistests mit einem Prototyp durch, der 2027 in die Serienfertigung gehen soll. Auch MAN setzt auf das Konzept. Diese Fahrzeuge sind mit einem Elektromotor ausgerüstet, der von einer Brennstoffzelle gespeist wird. Darin findet eine Art umgekehrte Elektrolyse statt - aus Wasserstoff wird Strom und Wasser. Die Energieverluste in der Prozesskette sind hier zwar höher als bei einem batterieelektrischen Antrieb, jedoch niedriger als bei den synthetischen Kraftstoffen. Nichtsdestotrotz werden bei den schweren Nutzfahrzeugen mittelfristig auch noch E-Fuels zum Einsatz kommen.
Die Heizkosten schießen in die Höhe, die Strompreise sind auf einem neuem Allzeithoch. Kurzfristige Hilfen für Verbraucher sind aber noch nicht in Sicht.
Die alten Kohle- und Atomstromerzeuger haben sich vollkommen gewandelt. Die fossile Energieerzeugung ist nur noch ein Auslaufmodell.
Droht Deutschland infolge der Energiewende ein Blackout? Der europäische Verbund der Stromnetze verhinderte bisher einen Kollaps der Netze mit Erfolg.
Im Flugverkehr sind rein batterieelektrische Antriebe, von Kleinflugzeugen abgesehen, dagegen keine Alternative - zu schwer sind die Maschinen, zu lang die Strecken. Deshalb setzt die Branche vor allem auf synthetisches Kerosin. Um dafür einen Markt zu schaffen, hat die bisherige Bundesregierung die Raffinerien verpflichtet, ihrem Flugkraftstoff davon ab 2026 0,5 Prozent beizumischen. 2030 steigt die Quote auf zwei Prozent.
Airbus und Boeing arbeiten bereits an Flugzeugen, die mit Brennstoffzellen ausgerüstet sind. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wiederum entwickelt derzeit ein Modell, das Brennstoffzellen und Batterien koppelt. Im energieintensiven Steigflug kommt der Strom für den Elektromotor aus dem Wasserstoff, nach Erreichen der Reiseflughöhe aus den Batterien.
Schiffe könnten künftig mit Ammoniak betrieben werden
Schiffsbauer und Reedereien wiederum entwickeln Schiffe, die sich mit Ammoniak - eine Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff - betreiben lassen. Gegenüber reinem Wasserstoff hat Ammoniak den Vorteil, dass er sich einfacher, effizienter und kostengünstiger speichern und transportieren lässt. Ein an Bord installierter Cracker trennt Wasserstoff und Stickstoff voneinander. Mit dem Wasserstoff lässt sich dann entweder ein Gasmotor betreiben oder in einer Brennstoffzelle Strom für einen Elektroantrieb gewinnen. Der internationale Schiffszertifizierer DNV GL erwartet, dass 2050 rund ein Viertel der Weltflotte mit Ammoniak unterwegs sein wird.
Der Autor ist freier Journalist für Energiethemen.