22. September 2020

Wasserstoff: wichtiger, aber längst nicht einziger Baustein im EU-Klimaschutzportfolio

Der European Green Deal bringt ordentlich Bewegung in das Sammelsurium an Energierichtlinien, -strategien und -verordnungen der Europäischen Union. Durch das längst überfällige Bekenntnis zu Klimaneutralität bis spätestens 2050 und der sich anbahnenden Entscheidung zu einem höheren EU-Klimaziel 2030 werden einerseits die bisherigen Ziele im Effizienz- und Erneuerbare-Energien-Bereich überarbeitungsbedürftig [1]. Andererseits wurde noch einmal klarer, dass außerhalb des Stromsektors noch viel zu wenig passiert ist. Um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, müssen auch der Verkehrs-, Industrie-, Wärme- und Landwirtschaftssektor ihren Beitrag zur Emissionsreduktion leisten. Hier gilt es nun, unter Hochdruck die Versäumnisse der letzten Jahrzehnte aufzuholen.

Entsprechend hat die EU-Kommission im März dieses Jahres die neue Industriestrategie [2] verabschiedet, die Renovation Wave Initiative [3] steht kurz vor dem Abschluss und die Konsultation für die Sustainable and Smart Mobility Strategy läuft noch im September aus [4], damit die Strategie pünktlich zum Jahresende vorgelegt werden kann. Eine andere zentrale Herausforderung liegt in der stärkeren und schnelleren Integration der Sektoren begründet. Nur so können Synergien zwischen den Sektoren gehoben und die Integration erneuerbarer Energien im Verkehrs-, Industrie- und Wärmebereich vorangetrieben werden. Auch hier hat die Kommission schon im Juli eine neue Strategie vorgelegt, die EU Strategy for Energy System Integration [5].

Ohne Wasserstoff keine Klimaneutralität 2050

Dabei spielt in vielen der erwähnten Strategien ein Thema eine wichtige Rolle: Wasserstoff. Mit der ebenfalls schon im Juli veröffentlichten Europäischen Wasserstoffstrategie [6] bekennt sich die Kommission zu einem schrittweisen Aufbau eines europäischen Wasserstoffmarktes und etabliert „CO2-armen“ [7] Wasserstoff als dritten Pfeiler der Energietransformation – neben erneuerbaren Energien und Energieeffizienz.

Das ist auch sinnvoll, denn wissenschaftliche Studien und Szenarien machen deutlich, dass wir ohne Wasserstoff das Ziel von Treibhausgasneutralität im Jahr 2050 nicht erreichen werden. [8] Der potenzielle Beitrag von Wasserstoff bzw. der Power-to-Gas (P2G) Technologie ist dabei folgender:

  • P2G ist eine Schlüsseltechnologie, mit deren Hilfe der wertvolle erneuerbare Strom auch in den anderen Sektoren zum Einsatz kommen kann. Auf diese Weise kann Wasserstoff dabei helfen, schwer elektrifizierbare Anwendungsbereiche, wie die Hochtemperaturprozesse in der Stahlproduktion oder auch die Antriebe im Flugverkehr, zu dekarbonisieren.
  • Der Einsatz von P2G ist außerdem wichtig, um Lastspitzen der erneuerbaren Stromerzeugung auszugleichen, und ermöglicht die langfristige Speicherung sowie den weiträumigeren Transport von erneuerbarem Strom in Form des gasförmigen Energieträgers Wasserstoff (oder Folgeprodukten wie Ammoniak). Das hilft dabei, ein zunehmend auf variabler Erzeugung basierendes Stromsystem zu flexibilisieren und die Energieversorgung zu stabilisieren.
  • Die bessere Transportierfähigkeit von Wasserstoff schafft auch die Möglichkeit, einen internationalen Wasserstoffmarkt aufzubauen. Die daraus resultierenden internationalen Absatzmöglichkeiten für Wasserstoff können auch für die heutigen Exporteure fossiler Energien, wie Russland, Saudi-Arabien und Co ein Anreiz sein, die globale Energiewende stärker zu unterstützen und ihr Exportportfolio nach und nach umzustellen.

Wasserstoff und das Klimaschutz-Dilemma

Der weiße Ritter der Dekarbonisierung ist Wasserstoff jedoch nicht. Denn der Einsatz von Wasserstoff und seinen Folgeprodukten führt nicht automatisch zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und die Produktion kann auch mit Menschenrechtsverletzungen einhergehen. Einige zentrale Aspekte gilt es zu berücksichtigen:

  • So kommt es bei der Herstellung von Wasserstoff mithilfe des Elektrolyseverfahrens auf den eingesetzten Strom an. Laut Berechnungen des Öko-Instituts (2019) wäre der Einsatz von Wasserstoff nur bei sehr hohen Erneuerbaren-Anteilen von Vorteil für das Klima (siehe Abbildung 1). [9] Das bedeutet, wir müssen dafür Sorge tragen, dass der per Elektrolyse produzierte Wasserstoff möglichst grün ist, also zu 100 Prozent auf erneuerbaren Energien basiert.
  • Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Elektrolyseure stellen zusätzliche Verbraucher dar, die den Strombedarf erhöhen und im schlechtesten Fall dazu führen, dass fossile Kraftwerke stärker zum Einsatz kommen oder erst später vom Netz gehen können. Diese Sorge ist noch deutlicher in einem starken Import-Szenario ausgeprägt. Dazu ein gern zitiertes Beispiel: Wenn Marokko Erneuerbare-Projekte für die Produktion von grünem Wasserstoff realisiert und diesen dann exportiert, besteht die Gefahr, dass die Dekarbonisierung des marokkanischen Stromsystems verschleppt wird und damit ineffiziente Kohlekraftwerke die Klimakrise weiter anheizen. Dieses Dilemma lässt sich nur auflösen, wenn sichergestellt wird, dass der für Elektrolyse aufgewandte erneuerbare Strom aus zusätzlichen erneuerbaren Erzeugungskapazitäten bereitgestellt wird.
  • Neben der Elektrolyse gibt es noch zwei andere Wege, um „CO2-armen“ Wasserstoff herzustellen. Mithilfe von Pyrolyse lässt sich türkiser Wasserstoff, mit Hilfe von Dampfreformierung und der Carbon Capture and Storage (CCS)-Technologie blauer Wasserstoff herstellen. In beiden Verfahren wird jedoch das stark klimaschädliche Treibhausgas Methan als Ausgangsstoff eingesetzt. Von der Energiebilanz und möglichen Nachhaltigkeit ist der türkise Wasserstoff als Brückentechnologie interessant, wenn gute Kriterien angelegt werden. Wie „CO2-arm“ das synthetische Endprodukt tatsächlich ist, hängt von vielen Faktoren ab (z.B. Leckage-Raten bei der Erdgasförderung und dem -transport, Effizienz der Technologien, Verwendung des abgeschiedenen Kohlenstoffs), aber die Abscheidung und Lagerung von CO2 birgt hier die weit größeren Risiken. Sowohl in der Deutschen als auch der Europäischen Wasserstoffstrategie wird diesen beiden Technologien eine Brückenfunktion eingeräumt, jedoch ohne Bevorzugung von türkisem Wasserstoff. Es wird auch kein konkretes Enddatum für die Verwendung der beiden Farben benannt. Das ist aus klimapolitischer Sicht äußerst riskant.
Abbildung 1: CO2-Emissionen von PtX und fossilen Energieträgern im Vergleich
Quelle: Öko-Institut, 2019, https://www.flickr.com/photos/oekoinstitut/48256558622/in/album-72157709574720357/

Wasserstoff und die Ressourcenproblematik

Neben diesen Klimaschutzdilemmata bringt der Einstieg in Wasserstoff noch eine Reihe an Umweltschutzrisiken und Menschenrechtsaspekten mit sich. Damit kommen wir zur Ressourcenproblematik:

  • Die Umwandlung von erneuerbarem Strom in grünen Wasserstoff und seine Folgeprodukte ist mit hohen Energieverlusten verbunden (siehe Abbildung 2). In einer Studie des Öko-Instituts (2020) wird beispielhaft vorgerechnet, wie für die Substitution von 30 PJ (Petajoule) an flüssigen Kraftstoffen – was in etwa 1 Prozent der heutigen Nachfrage im Verkehrssektor entspricht – durch synthetische Kraftstoffe 15 bis 18 TWh (Terawattstunden) zusätzliche Erzeugung, also 485 bis 610 Offshore- oder 2.300 bis 2.900 Onshore-Windkraftanlagen, nötig wären. [10] Auch in der Antwort des Bundesumweltministeriums auf die Anfrage des Verkehrspolitikers Jörg Cezanne (MdB, Die Linke) heißt es, es bräuchte rund 270 TWh Strom, um alleine die heute in Deutschland verflogene Menge von 10,2 Millionen Tonnen Kerosin auf synthetischem Wege herzustellen. [11] Das bringt enormen zusätzlichen Druck für den Ausbau erneuerbarer Energien und damit auf die dafür nötigen Flächen mit sich. Auch wenn der Einsatz von Wasserstoff im Flugverkehr unabdingbar scheint, bedeutet das also, dass es ohne ergänzende Fortschritte im Bereich Nachfragereduktion und Effizienz nicht gehen wird. Das Gleiche gilt für den Industriesektor.
  • Hinzu kommt, dass sowohl in den Elektrolyse-Verfahren als auch in den Weiterverarbeitungs- oder Verbrennungstechnologien (z.B. Brennstoffzellen) neue Technologiemetalle und/oder Konfliktrohstoffe eingesetzt werden. Da diese aktuell unzureichend in wirtschaftlichen Stoffkreisläufen gebunden sind, müssen sie über die ressourcenintensive Primärförderung gewonnen werden. Hierzu zählen allen voran Platin und Iridium, aber auch Lanthan, Yttrium und Kobalt. Durch den steigenden Strombedarf erhöht sich außerdem der Bedarf an Seltenen Erden, die in Solaranlagen (z.B. Gallium) oder Windkraftanlagen (z.B. Neodym, Dysprosium, Praseodym und Terbium) zum Einsatz kommen. [12] Der Abbau dieser Rohstoffe geht oft mit Menschenrechtsverletzungen einher, verursacht unmittelbare Umweltzerstörung und wirkt sich negativ auf das globale Klimasystem aus. Der Abbau von metallischen Rohstoffen ist schon heute aufgrund abnehmender Erz-Qualitäten in derzeitigen Förderstätten energieintensiver als noch vor 10 Jahren und verursacht aktuell 10 Prozent der globalen Treibhausgasemissionen. [13] Auch deswegen müssen derzeitige Reserven unter strengeren ökologischen und sozialen Gesichtspunkten bewertet werden, wie u.a. die ÖkoRess-Studie II [14] des Umweltbundesamtes verdeutlicht. Der Umgang mit metallischen Rohstoffen als materielle Grundlage der Energiewende muss unter besonderer Sorgfalt erfolgen. Ziel muss sogar sein, den Verbrauch von metallischen Primärrohstoffen zu verringern. Außerdem gilt es, die nicht-intendierten Folgewirkungen des Rohstoffabbaus stärker in die Bewertung von Power-to-X-Technologien einfließen zu lassen. Der Einstieg in den Wasserstoff muss so aufgebaut werden, dass damit keine Menschenrechtsverletzungen einhergehen.
  • Der hohe Strom- und damit Flächenbedarf und der Einsatz kritischer Rohstoffe sind nicht die einzigen limitierenden Faktoren. Auch Wasser kann knapp werden. So werden für die Produktion von 1 Liter synthetischen Kraftstoffes ca. 1,4 Liter Wasser benötigt. Das mag erst einmal nach nicht viel klingen, wird aber problematisch angesichts der Tatsache, dass unter den als Best-Standorte gehandelten Ländern viele sind, die mit Wasserknappheit zu kämpfen haben, was sich mit dem weiteren Verlauf der Klimakrise noch verschärfen wird. Erschwerend hinzu kommt der indirekte Wasserbedarf, z.B. für die Reinigung von Solarzellen und Solarspiegeln aber auch für die Förderung und Weiterverarbeitung der oben angegebenen Rohstoffe, der in den oben genannten Berechnungen noch nicht enthalten ist. [15]
Abbildung 2: Power-to-X: Wie viel vom Strom übrig bleibt
Quelle: Öko-Institut, 2019, https://www.flickr.com/photos/oekoinstitut/48705446082/in/album-72157709574720357/

Wasserstoff kann nur ein Baustein im EU-Klimaschutzportfolio sein

Der Wasserstoff-Pfad ist wichtig, bringt aber seine eigenen Probleme und Risiken mit. Entsprechend kann Wasserstoff nur ein Baustein im Klimaschutzportfolio der Europäischen Union sein und die anderen nötigen Dekarbonisierungsanstrengungen nicht ersetzen. Um die Energietransformation im Einklang mit Ressourcenschutz zu bewerkstelligen, empfiehlt sich eine Priorisierung der Klimaschutzoptionen entlang der folgenden Kaskade: (1) Nachfragereduktion, Kreislaufführung und weitere Effizienzmaßnahmen, (2) Elektrifizierung mit erneuerbarem Strom und dann erst (3) Einsatz von grünem Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen. [16]


[1] Die Reformen der EU-Effizienzrichtlinie (EED) sowie der Erneuerbare- Energien-Richtlinie (RED) sind für Juni nächsten Jahres angesetzt (siehe EU COM, 2020b).
[2] https://ec.europa.eu/info/sites/info/files/communication-eu-industrial-strategy-march-2020_de.pdf
[3] https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12376-Commission-Communication-Renovation-wave-initiative-for-the-building-sector
[4] https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12438-Sustainable-and-Smart-Mobility-Strategy
[5] https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/energy_system_integration_strategy_.pdf
[6] https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen_strategy.pdf
[7] In der EU-Wasserstoffstrategie definiert die EU COM „CO2-armen“ Wasserstoff folgendermaßen: „‘Low-carbon hydrogen’ encompasses fossil-based hydrogen with carbon capture and electricity-based hydrogen, with significantly reduced full life-cycle greenhouse gas emissions compared to existing hydrogen production.” (EU COM, 2020a, S. 4) Dabei wird strombasierter Wasserstoff wie folgt definiert: “‘Electricity-based hydrogen’ refers to hydrogen produced through the electrolysis of water (in an electrolyser, powered by electricity), regardless of the electricity source.” (ibid., S. 3) Strombasierter Wasserstoff ist demnach nicht gleichzusetzen mit erneuerbarem Wasserstoff, der per Elektrolyse aus Wasser und erneuerbarem Strom gewonnen wird. Erneuerbaren Wasserstoff nennt die EU COM auch „Clean Hydrogen“ (siehe EU COM, 2020a).
[8] siehe Ecke & Fricke, 2018, Hebling et al., 2019, Heinemann et al., 2019, Günther et al., 2019
[9] siehe Heinemann et al., 2019
[10] siehe Kasten, 2020
[11] siehe Herrmann, 2020
[12] siehe Kasten, 2020
[13] Azadi et al., 2020
[14] Dehoust et al., 2019
[15] siehe Kasten & Heinemann, 2019
[16] siehe Heinemann et al., 2019, Günther et al., 2019

Quellen

  • Azadi, M., Northey, S.A. und Edraki, M. (2020): Transparency on greenhouse gas emissions from mining to enable climate change mitigation, in: Nature Geoscience, Vol. 13: 100-104. Abrufbar unter: https://www.nature.com/articles/s41561-020-0531-3?proof=trueMay
  • Dehoust, G., Manhart, A, Dolega, P., Vogt, R., Auberger, A., Kämper, C., von Ackern, P. Rüttinger, L., Rechlin, A, Priester, M. (2019) Weiterentwicklung von Handlungsoptionen einer ökologischen Rohstoffpolitik ÖkoRess II, Dessau-Rußlau: Umweltbundesamt. Abrufbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2020-06-17_texte_79-2020_oekoressii_abschlussbericht.pdf
  • Ecke, J., Fricke, A. (2018) META-Studie Sektorenkopplung: „Analyse einer komplexen Diskussion“, Berlin: enervis. Abrufbar unter: https://vng.de/sites/default/files/vng_meta_studie_sektorenkopplung_enervis.pdf
  • EU COM (2020a) A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe, Brussels: EU COM. Abrufbar unter: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/hydrogen_strategy.pdf
  • EU COM (2020b) Powering a climate-neutral economy: An EU Strategy for Energy System Integration, Brussels: EU COM. Abrufbar unter: https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/energy_system_integration_strategy_.pdf
  • Günther, J., Lehmann, H., Nuss, P., Purr, K. (2019) Wege in eine ressourcen-schonende Treibhausgas-neutralität – RESCUE. Kurzfassung, Dessau-Roßlau: Umweltbundesamt. Abrufbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/rescue_kurzfassung_dt.pdf
  • Hebling, C., Ragwitz, M., Fleiter, T., Groos, U., Härle, D., Held, A., Jahn, M., Müller, N., Pfeifer, T., Plötz, P., Ranzmeyer, O., Schaadt, A., Sensfuß, F., Smolinka, T., Wietschel, M. (2019) Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland, Karlsruhe & Freiburg: Fraunhofer ISI & ISE. Abrufbar unter: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/2019-10_Fraunhofer_Wasserstoff-Roadmap_fuer_Deutschland.pdf
  • Heinemann, C., Kasten, P., Bauknecht, D., Bracker, J., Bürger, V., Emele, L., Hesse, T., Kühnel, S., Seebach, D., Timpe, C. (2019) Die Bedeutung strombasierter Stoffe für den Klimaschutz in Deutschland. Zusammenfassung und Einordnung des Wissenstands zur Herstellung und Nutzung strombasierter Energieträger und Grundstoffe, Freiburg: Öko-Institut. Abrufbar unter: https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/PtX-Hintergrundpapier.pdf
  • Herrmann, U. (2020), Kein Ökostrom für Ökokerosin, in: taz, 27.07.2020, S. 8. Abrufbar unter: https://taz.de/Kein-Oekostrom-fuer-Oekokerosin/!5703849/
  • Kasten, P. (2020) E-Fuels im Verkehrssektor. Kurzstudie über den Stand des Wissens und die mögliche Bedeutung von E-Fuels für den Klimaschutz im Verkehrssektor, Berlin: Öko-Institut. Abrufbar unter: https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/E-Fuels-im-Verkehrssektor-Hintergrundbericht.pdf
  • Kasten, P., Heinemann, C. (2019) Kein Selbstläufer: Klimaschutz und Nachhaltigkeit durch PtX. Diskussion der Anforderungen und erste Ansätze für Nachweiskriterien für eine klimafreundliche und nachhaltige Produktion von PtX-Stoffen, Berlin: Öko-Institut. Abrufbar unter: https://www.oeko.de/fileadmin/oekodoc/Impulspapier-soz-oek-Kriterien-e-fuels.pdf

Autor*in:
Andrea Wiesholzer (Germanwatch)

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