Die Bedeutung von Wasserstoff für die Energiewende in Deutschland
Wasserstoff kann klimaneutral mithilfe regenerativ erzeugten Stroms produziert werden und eignet sich für Anwendungen in der Industrie, in der Wärme- und Stromerzeugung oder in der Mobilität. Außerdem macht er es möglich, regenerativ erzeugte Energie in bedeutenden Mengen zu speichern.
Welche Rolle spielt Wasserstoff in der Energiewirtschaft?
In einem klimaneutralen Energiesystem ist Wasserstoff in Teilen von Industrie, Verkehr sowie Strom- und Wärmeversorgung unverzichtbar. Eine vollständige Dekarbonisierung durch die reine Elektrifizierung basierend auf der volatilen Stromerzeugung aus Wind und Photovoltaik ist auf absehbare Zeit nicht möglich. Darüber hinaus bleiben Herausforderungen bestehen, wie die langfristige (übersaisonale) Speicherung von Strom aus Erneuerbaren Energien. Vor diesem Hintergrund kommt erneuerbaren und dekarbonisierten Gasen, also Gasen, die entweder komplett auf Basis von Erneuerbaren Energien erzeugt wurden oder deren klimaschädliche Wirkung durch technische Verfahren wie „carbon capture utilization and storage“ (CCUS) reduziert worden ist, sowie nachhaltig erzeugtes Biomethan eine zentrale Bedeutung für die Erreichung der Klimaneutralität in Deutschland bis zum Jahr 2045 zu.
Wo wird Wasserstoff eingesetzt?
Wasserstoff ist ein flexibler Energieträger und lässt sich in verschiedenen Anwendungsbereichen einsetzen. Er birgt als vielseitig einsetzbarer Energieträger große Potenziale für den Weg hin zu einer klimaneutralen Energieversorgung. Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete lassen sich in vier Bereiche aufteilen:
- die Stromerzeugung,
- der Wärmemarkt,
- die Industrie und
- der Mobilitätssektor.
» Deep dive: Einsatzgebiete von Wasserstoff
Was macht Wasserstoff besonders?
Wasserstoff – das häufigste Element in unserem Universum – ist in gebundener Form in nahezu allen organischen Verbindungen vorhanden. Er hat die geringste Atommasse aller Elemente: Er ist 14-mal leichter als Luft, weder giftig noch ätzend oder radioaktiv, entzündet sich nicht selbst und verbrennt mit farbloser Flamme rückstandsfrei.
Da Wasserstoff auf der Erde jedoch nicht allein, sondern nur in Form von Verbindungen vorkommt, muss er mit Hilfe von Energie aus einem wasserstoffreichen Ausgangsstoff abgespalten werden, zum Beispiel mit Hilfe der Elektrolyse. Je nachdem, wie Wasserstoff hergestellt wird, spricht man von grünem, grauem, blauem oder türkisem Wasserstoff.
Gut zu wissen: Was bedeuten die Farben bei der Wasserstoffherstellung?
Der Strom für die Herstellung des Wasserstoffs stammt aus Erneuerbaren Energien.
Der Wasserstoff wird mit Hilfe fossiler Energieträger hergestellt, etwa mit Erdgas.
Ebenfalls aus fossilen Energieträgern hergestellter Wasserstoff. Das entstandene CO2 wird jedoch anders als beim grauen Wasserstoff aufgefangen und eingelagert oder weiterverwendet.
In einem Hochtemperaturreaktor wird Erdgas in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegt. Der Kohlenstoff wird anschließend langfristig gebunden.
Wasserstoffstrategie in Deutschland
Für eine funktionierende Wasserstoffwirtschaft werden verlässliche politische Rahmenbedingungen benötigt. Diese Rahmenbedingungen hat die Bundesregierung mit der nationalen Wasserstoffstrategie gesetzt. Mit der nationalen Wasserstoffstrategie fördert die Bundesregierung die Erzeugung von Wasserstoff, den Aufbau der notwendigen Infrastruktur und die Nutzung von Wasserstoff.
Technologische Entwicklungen und Innovationspotenzial
Wasserstoff kann energetisch genutzt werden, um bei der Strom- und Wärmeerzeugung CO2- Emissionen zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Er ersetzt in der Regel Erdgas, das überwiegend (mehr als 80 Vol.-Prozent) aus Methan besteht und damit bei der Verbrennung CO2 freisetzt. Damit trägt Wasserstoff wesentlich zur Dekarboniserung von Wirtschaft und Gesellschaft bei.
Hinzu kommt, dass Wasserstoff als Speicher für Erneuerbare Energien genutzt werden kann. Photovoltaik- oder Windstrom sind nicht immer verfügbar (z.B. nachts oder bei Flaute). Wasserstoff kann als Energiespeicher dienen – der überschüssige Strom wird in Wasserstoff umgewandelt und später wieder in Strom oder Wärme zurückverwandelt.
Wasserstoff kann darüber hinaus auch in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Dort läuft der Elektrolyseprozess in umgekehrter Richtung ab. Dabei entstehen Strom, Wärme und Wasser. Brennstoffzellen sind sowohl für stationäre als auch mobile Anwendungen verfügbar.
Stromerzeugung mit Wasserstoff – gut zu steuern
Nach den Plänen der Bundesregierung soll bis 2030 der Anteil Erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch auf 80 Prozent erhöht werden und in den folgenden Jahren bis auf 100 Prozent ansteigen, so dass Deutschlands Stromerzeugung damit nahezu klimaneutral wäre. Diese Entwicklung wird davon geprägt sein, dass der Anteil von Strom aus Erneuerbaren Energien - also vor allem aus Wind- und Photovoltaikanlagen - immer weiter ansteigen wird, während parallel der Anteil von fossilen Energieträgern, wie Kohle und Erdgas, in der Stromerzeugung zunehmend abnimmt.
Im bisherigen Stromsystem übernehmen die Rolle der Residuallastdeckung – also die Deckung der Last in den Zeiten, in denen die Stromnachfrage höher ist als die Strom-Einspeisung aus Erneuerbaren Energien - in Deutschland derzeit noch konventionelle Braun- und Steinkohlekraftwerke (mit und ohne Wärmeauskopplung) sowie hochflexible gasbasierte Erzeugungsanlagen für Strom und/oder Wärme. In einem zukünftigen klimaneutralen Stromsystem müssen diese Rolle überwiegend steuerbare Erzeugungsanlagen übernehmen, die mit klimaneutralen Brennstoffen betrieben werden können.
Wasserstoff ist im klimaneutralen Energiesystem der zentrale Brennstoff für steuerbare Erzeugungskapazitäten, insbesondere zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit mit Strom und Wärme sowie zur Deckung der Residuallast bei der Stromerzeugung und als Ergänzung zu (Groß-)Wärmepumpen bei der gesicherten (Fern-)Wärmeversorgung durch hocheffiziente KWK-Anlagen. Übersteigt die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien die Nachfrage, kann mit dem überschüssigen Strom Wasserstoff produziert werden.
» Eckpunkte zur Kraftwerksstrategie (PDF)
» Kraft-Wärme-Kopplung zum Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzs (KWKG)
Einsatz in wasserstofffähigen Kraftwerken
Mit 28 Mrd. kWh Wasserstoff ließen sich in wasserstofffähigen Kraftwerken rund 14 Mrd. kWh Strom aus Wasserstoff erzeugen bzw. 14 Mrd. kWh Stromerzeugung aus Gaskraftwerken substituieren. Dies entspricht knapp 5 GW Kraftwerksleistung bei 100-prozentiger Verträglichkeit von Wasserstoff. Aber auch Beimischungen von Wasserstoff sind in Kraftwerken möglich. In wasserstofffähigen KWK-Anlagen kann neben Strom auch Wärme erzeugt werden, wodurch der Brennstoffausnutzungsgrad bei der Verwendung des Wasserstoffs deutlich steigt und somit gleichzeitig ein Beitrag zur Dekarbonisierung der Nah- und Fernwärme geleistet wird.
Infrastruktur/Wasserstoffnetz – beispielhafte Cases
Für den Betrieb von wasserstoffbasierten Kraftwerken braucht es einen Hochlauf der gesamten Wasserstoffwirtschaft und eine gesicherte Versorgung mit den benötigten Mengen an klimaneutralen Brennstoffen (Wasserstoff und Derivate) spätestens bis zum Jahr 2035. Die EU-Kommission gibt vor, dass neu errichtete Gaskraftwerke bis Anfang 2036 vollständig auf erneuerbare oder CO2-arme Gase umgestellt sein müssen, um als nachhaltige Investition eingestuft zu werden. Um eine Umsetzung bis 2035 zu ermöglichen und Planungssicherheit für Anlagenbetreiber und Investoren zu schaffen, müssen zeitnah regulatorische Lösungen für alle Wertschöpfungsstufen (Import, Erzeugung, Handel, Speicherung, Transport) erarbeitet werden.
Zügiger Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur
Wasserstoff-Ready-Gaskraftwerke müssen ab dem achten Jahr nach ihrer Inbetriebnahme auf grünen oder blauen Wasserstoff umgestellt werden können. Diese Gaskraftwerke, Wasserstoffkraftwerke und Brennstoffzellen sind Partner der Erneuerbaren Energien und bilden das Rückgrat des zukünftigen klimaneutralen Stromsystems. Vor diesem Hintergrund kommt der Brennstoffversorgung dieser verlässlichen Residuallastkraftwerke über eine entsprechende Wasserstoff-Infrastruktur eine zentrale Bedeutung zu. Dies gilt insbesondere auch für die Umsetzung des Wasserstoff-Kernnetzes, um die Wasserstoff-Belieferung der neuen und modernisierten wasserstofffähigen Kraftwerke möglichst frühzeitig und bis spätestens zum geplanten Umstellungstermin zwischen 2035 und 2040 gewährleisten zu können.
