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Wasserstoff und Klimaschutz

Was steckt hinter dem Begriff Wasserstoff-Technologien?

Wasserstoff ist ein vielfältig einsetzbarer Energieträger. Zum Beispiel kann er als Basis für synthetisch hergestellte Kraft- und Treibstoffe genutzt werden und damit zum Klimaschutz im Verkehrssektor beitragen. Bei vielen Prozessen in der chemischen Industrie ist Wasserstoff schon heute nicht wegzudenken. Als Grundstoff wird er zum Beispiel für die Mineralölverarbeitung benötigt. Mit Wasserstoff als Grundstoff können viele weitere Produktionsprozesse in der Industrie, zum Beispiel in der Stahlindustrie, klimaneutral gestaltet werden, für die es nach derzeitigem Stand der Technik keine anderen CO2-freien Alternativen gibt.

Wasserstoff kann durch verschiedene Verfahren hergestellt werden. Am häufigsten sind verfahrenstechnische Prozesse, bei denen unter Einsatz von Kohlenwasserstoffen Kohlenstoff oder Kohlendioxid und Wasserstoff entstehen, sowie elektrochemische Verfahren, also Verfahren, die durch den Einsatz von Wasser und elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen. Die Herstellung von Wasserstoff benötigt viel Energie, die idealerweise aus erneuerbaren Quellen stammt, um eine hohe Wirkung für den Klimaschutz zu erzielen.

Was ist unter Power to X (PtX) genau zu verstehen?

In "Power-to-X"-(PtX)-Verfahren wird elektrischer Strom in Brenn- und Kraftstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid), in Rohstoffe für die Industrie (Power-to-Chem) oder in andere Energieformen (Power-to-Heat) umgewandelt.

Zur Herstellung von Brenn- und Kraftstoffen sowie von chemischen Rohstoffen wird zunächst aus Wasser mit Hilfe von Strom Wasserstoff gewonnen. Dieser kann entweder direkt genutzt werden, bspw. als Reduktionsmitteln in der Stahlindustrie, oder in einem nächsten Schritt unter Einsatz von CO2 beispielsweise zu gasförmigen (beispielsweise Methan) oder flüssigen (beispielsweise Kerosin) Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden. Die Produkte unterscheiden sich grundsätzlich nicht von herkömmlichen fossil oder auf Basis von Biomassen gewonnenen Kraftstoffen.

Was ist grüner Wasserstoff? Was sind die anderen Optionen?

Grüner Wasserstoff wird durch den ausschließlichen Einsatz erneuerbarer Energien hergestellt. Wird grüner Wasserstoff über Elektrolyse von Wasser hergestellt, kommt für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei, da der eingesetzte Strom zu 100 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt.

Blauer Wasserstoff wird auf Basis fossiler Kohlenwasserstoffe erzeugt. Seine Produktion wird mit einem CO2-Abscheidungs- und -Speicherungsverfahren gekoppelt (englisch "Carbon Capture and Storage", CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre. Die Wasserstoffproduktion kann in der Bilanz als CO2-neutral gelten, wenn man die bei der Förderung und dem Transport freigesetzten Treibhausgase außer Acht lässt.

Türkiser Wasserstoff wird über die thermische Spaltung von fossilem Methan hergestellt (Methanpyrolyse). Statt CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren oder CO2-freien Energien sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas mit Zugabe von Wasserdampf in Wasserstoff und CO2 umgewandelt (Dampfreformierung). Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt. Auch die Herstellung von Wasserstoff aus Netzstrom (Graustrom) wird gelegentlich als Grauer Wasserstoff bezeichnet. Die Klimawirksamkeit des Wasserstoffs korreliert dabei mit der CO2-Last des in der Elektrolyse eingesetzten Strommixes.

Wie kann der Einsatz von Wasserstoff beim Klimaschutz helfen?

Im Zuge der Produktion von Wasserstoff ist mit Umwandlungsverlusten zu rechnen. Daher ist ein Einsatz von Wasserstoff in erster Linie in jenen Sektoren und Anwendungen sinnvoll, die keine andere Alternative zu fossilen Energieträgern haben, wie zum Beispiel Elektrifizierung. Vor diesem Hintergrund kann Wasserstoff Brenn-, Kraft- und Grundstoffe, die heute noch aus fossilen Energieträgern gewonnen werden, ersetzen und als Grundstoff zum Beispiel in klimaneutralen Produktionsprozessen der Stahl- und Chemieindustrie dienen.

Eine nachhaltige Klimaschutzwirkung kann nur mit grünem Wasserstoff erzielt werden. Insofern ist, wenn Wasserstoff bspw. über ein Elektrolyseverfahren hergestellt wird, der eingesetzte Strom entscheidend. Wasserstoff und dessen Folgeprodukte können vollständig klimaneutral sein, wenn in ihrem Herstellungsprozess Strom aus 100 Prozent erneuerbaren Quellen eingesetzt wurde. Im Rahmen der Produktion von blauem und türkisen Wasserstoff entstehen klimaschädliche Treibhausgasemissionen bei der Förderung und dem Transport des benötigten Erdgases. Für den Klimaschutz sind sie die eindeutig schlechtere Option.

Aufgrund des hohen Energiebedarfs für die Wasserstoffproduktion genügt es nicht, sich aus dem "vorhandenen Kuchen" an erneuerbarem Strom im Energiesystem zu bedienen. Für den Ausbau einer nachhaltigen Wasserstoffproduktion müssen also die Kapazitäten erneuerbarer Energien wachsen, damit eine tatsächliche Wirkung für den Klimaschutz erzielt wird. Neben der Industrie werden noch im Verkehrssektor und dort vor allem im Luft- und Seeverkehr potenzielle Anwendungen für Wasserstoff- und andere PtX-Produkte gesehen.

Für den Energiesektor gilt, dass bei sehr hohen Anteilen an erneuerbarem Strom im Energiesystem Wasserstoff auch die Funktion der saisonalen Speicherung von Strom sowie zur Kappung von Produktionsspitzen übernehmen kann.

Welche Rolle spielt Wasserstoff für die Klimaziele Deutschlands?

Mit den Beschlüssen des Bundeskabinetts zum Klimaschutzprogramm 2030 hat die Bundesregierung die Voraussetzungen für das Erreichen der Klimaziele 2030 geschaffen. Sie verfolgt dabei bis zum Jahr 2050 das Ziel der Klimaneutralität im Einklang mit den Zielen des Übereinkommens von Paris, um die Erderwärmung deutlich unter 2 Grad zu halten und möglichst auf 1,5 Grad zu begrenzen.

Deutschland hat sich zudem gemeinsam mit den Staaten der Europäischen Union zum Ziel der Treibhausgasneutralität im Jahr 2050 bekannt. Dies bedeutet nach den Beschlüssen zum Kohleausstieg, dass insbesondere auch die sehr schwer zu vermindernden Emissionen, wie beispielsweise prozessbedingte Treibhausgase aus der Industrie, vermieden werden müssen. Dafür brauchen wir alternative Optionen zu den derzeit noch eingesetzten fossilen Energieträgern. Das gilt insbesondere auch für gasförmige und flüssige Energieträger. Insbesondere grüner Wasserstoff bekommt hier eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Vollendung der Energiewende.

Welche Rolle spielt Wasserstoff beim Klimaschutz auf EU-Ebene?

Die EU-Kommission hat im Frühjahr 2020 in ihrer Industriestrategie eine Wasserstoff-Allianz angekündigt, um den Hochlauf einer Wasserstoffwirtschaft anzustoßen. Die EU insgesamt verfügt über einige ertragreiche Standorte für Strom aus erneuerbaren Energien und damit auch ein großes Erzeugungspotenzial für grünen Wasserstoff.

Die Bundesregierung wird sich dafür einsetzen, dieses Potenzial zu erschließen und weitere Erzeugungskapazitäten aufzubauen. Dazu wird sie die Zusammenarbeit mit anderen EU-Mitgliedstaaten intensivieren, insbesondere im Bereich der Nord- und Ostsee aber auch in Südeuropa.

Wo wird Wasserstoff in Deutschland bereits eingesetzt?

Wasserstoff und dessen Folgeprodukte werden in Deutschland bisher vor allem in der petrochemischen und chemischen Industrie eingesetzt. Wasserstoff wird dafür in der Regel auf verfahrenstechnischem (also durch Dampfreformierung) und nicht auf elektrochemischem Wege gewonnen. In der Regel handelt es sich dabei um Wasserstoff aus Erdgas, der in Industrieprozessen zur Anwendung kommt (zum Beispiel Ammoniak- und Methanolherstellung sowie im Hydrocracking in Raffinerien über 50 Terawattstunden (TWh) im Jahr 2015).

Erste Elektromotoren mit Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Antriebsenergie nutzen, kommen heute bereits in verschiedenen Bereichen zur Anwendung. Zu nennen sind insb. Binnenschifffahrt, Schienenverkehr, Busse, Lkw und auch Pkw (derzeit knapp 850 zugelassene Pkw). Einige Wasserstofftankstellen nutzen zudem Wasserstoff aus dezentralen Elektrolyseuren, also Anlagen die mithilfe von Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzen. Ein Konsortium großer und mittelständischer Unternehmen hat sich zum Beispiel zum Bau und Betrieb von rund 400 Wasserstofftankstellen bis 2023 in Deutschland verpflichtet (rund 100 bereits im Betrieb).

Warum können wir im Verkehr nicht komplett auf umweltfreundliche Kraftstoffe umsteigen, anstelle von Elektromobilität?

Um die Klimaschutzziele im Verkehr zu erreichen, wird es einen Mix aus klimaneutralen Antriebstechnologien und Kraftstoffen brauchen. Gleichzeitig ist die Verwendung von Wasserstoff und anderen PtX-Produkten im Hinblick auf die Kosten und die Klimaschutzwirkung nicht überall sinnvoll. Denn Strom aus erneuerbaren Quellen wird auf absehbarere Zeit begrenzt bleiben. Gleichzeitig ist die Herstellung und Verwendung von Wasserstoff und anderen PtX-Produkten mit hohen Umwandlungsverlusten verbunden, bedarf also sehr viel Energie. Daher ist beispielsweise ihr Einsatz in Verbrennungsmotoren, sowohl für PKW als auch für Nutzfahrzeuge, im Straßenverkehr energetisch wenig effizient. Hier stehen durch direkte Elektrifizierung bereits heute kostengünstigere, energieeffizientere und umweltfreundlichere Lösungen zur Verfügung.

Doch nicht jede Anwendung im Verkehr lässt sich elektrifizieren. Strombasierte Kraftstoffe sind künftig gerade dort unerlässlich, wo treibhausgasneutrale flüssige Kohlenwasserstoffe die einzig sinnvolle Option darstellen, notwendige Minderungsbeiträge zu erbringen und damit den Verkehr in Gänze auf Klimaschutzkurs zu bringen. Zu nennen sind hier insbesondere die Wachstumssektoren Luft- und Seeverkehr, die dringend klimaneutrale Kraftstoffalternativen brauchen.

Können wir in Deutschland genügend eigenen Wasserstoff produzieren?

Mittel- und langfristig wird Deutschland Wasserstoff importieren müssen. Gemeinsam mit anderen zukünftigen Importländern teilen wir das Interesse am möglichst zeitnahen Aufbau eines globalen Wasserstoffmarktes.

Für die aktuellen Produzenten- und Exportnationen fossiler Energieträger wiederum bieten sich angesichts ihres Potenzials für erneuerbare Energien attraktive Chancen. Sie können gewinnbringend ihre Lieferketten auf die Nutzung von erneuerbaren Energien und Wasserstoff umstellen und so zu potenziellen Lieferländern für Wasserstoff werden. Hierdurch können diese Staaten auch langfristig von den bestehenden Handelsbeziehungen profitieren. Dabei gilt es sicherzustellen, dass lokale Märkte und eine Energiewende vor Ort in den Partnerländern nicht behindert, sondern durch die Produktion von Wasserstoff unterstützt werden.

Was verhindert bislang einen Markthochlauf in Deutschland?

Die Technologien zur Herstellung von Wasserstoff sind grundsätzlich nicht neu. Es gibt aber noch keine großindustrielle Produktion von grünem Wasserstoff, weil es dafür kurzfristig noch keine gesicherten Abnehmer gibt. Auf der anderen Seite sagt beispielsweise die Stahlbranche, dass sie möglichst rasch Wasserstoff braucht. Das ist für die Branche die Basis für die Umstellung der Produktionsprozesse und damit auch Voraussetzung für Milliardeninvestitionen.

Das BMU setzt sich für einen schnellen Markthochlauf von grünem Wasserstoff in diesen Bereichen ein und hat deshalb konkrete Maßnahmen in die Wasserstoffstrategie eingebracht, die einen Markthochlauf voranbringen können: Eine Beimischungsquote bei Flugkraftstoffen, die bis 2030 auf 2 Prozent ansteigt, die Anrechnung von grünem Wasserstoff in Raffinerien auf die Treibhausgas-Quote, eine Förderung der Produktion von grünem Wasserstoff für die Stahl- und Chemieindustrie im Rahmen eines Ausschreibungsprogramms, ein Pilotprogramm "Carbon Contracts for Difference" in der Stahl- und Chemieindustrie zur Absicherung der umweltbedingten Mehrkosten von wasserstoffbasierten Klimaschutztechnologien sowie die Förderung von strombasiertem Kerosin.

Aus welchen anderen Ländern können wir Wasserstoff bekommen?

Die weltweite Aufbruchsstimmung bei den Wasserstofftechnologien wollen wir mit unseren Partnern aus aller Welt für schnelle technologische Fortschritte nutzen. Auf internationaler Ebene fördert die Zusammenarbeit mit potenziellen Liefer- und anderen Importländern deren Beitrag zum Klimaschutz und schafft nachhaltige Wachstums- und Entwicklungschancen. Insbesondere im Nordseeraum und in Südeuropa sowie im Rahmen von Energiepartnerschaften der Bundesregierung oder der Zusammenarbeit mit den Partnerländern der deutschen Entwicklungszusammenarbeit bieten sich Möglichkeiten für gemeinsame Projekte und die Erprobung von Technologien.

Angesichts ihres Potenzials für erneuerbare Energien bieten sich dabei auch für die aktuellen Produzenten- und Exportnationen fossiler Energieträger attraktive Chancen, ihre Lieferketten auf die Nutzung von erneuerbaren Energien und Wasserstoff umzustellen und so zu potenziellen Lieferländern für Wasserstoff zu werden. Hierdurch können diese Staaten auch langfristig von den bestehenden Handelsbeziehungen profitieren. Dabei gilt es sicherzustellen, dass lokale Märkte und eine Energiewende vor Ort in den Partnerländern nicht behindert, sondern durch die Produktion von Wasserstoff unterstützt werden.

Von besonderer Bedeutung wird die Rolle der aktuellen Exporteure fossiler Brennstoffe sein, wenn sie über ein hohes Potenzial für die Produktion von Wasserstoff verfügen. Im Rahmen der Nationalen Wasserstoff-Strategie (NWS) werden Machbarkeitsstudien und Potenzialatlanten entwickelt, um wirtschaftlich geeignete Standorte in der Welt für die grüne Wasserstoffwirtschaft von morgen zu finden. Hierbei werden auch die weitere Entwicklung des Energieeigenbedarfs und die verfügbaren natürlichen Ressourcen der jeweiligen Staaten berücksichtigt.

Was tut die Bundesregierung, um Wasserstoff-Technologien für den Klimaschutz zu etablieren?

Damit Wasserstoff ein zentraler Faktor für die Klimaneutralität werden kann, muss die gesamte Wertschöpfungskette in den Blick genommen werden: Technologien, Erzeugung, Speicherung, Infrastruktur und Verwendung einschließlich Logistik und wichtiger Aspekte der Qualitätsinfrastruktur. In der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) hat die Bundesregierung hierfür einen umfassenden Maßnahmenkatalog vorgestellt.

Um das Ziel der Treibhausgasneutralität zu erreichen und um seiner internationalen Verantwortung zur Erreichung der Klimaziele gerecht zu werden, muss Deutschland Möglichkeiten schaffen, klimafreundlichen Wasserstoff zu etablieren. Dabei ist aus Sicht der Bundesregierung nur Wasserstoff, der auf Basis erneuerbarer Energien hergestellt wurde ("grüner" Wasserstoff), auf Dauer nachhaltig. Daher ist es Ziel der Bundesregierung, grünen Wasserstoff zu nutzen, für diesen einen zügigen Markthochlauf zu unterstützen sowie entsprechende Wertschöpfungsketten zu etablieren.

Wasserstoff bietet zugleich ein wachsendes industriepolitisches Potenzial und eine Chance, die deutsche und europäische Wirtschaft bei der Bewältigung der Folgen der Corona-Pandemie zu unterstützen.

Wie werden Wasserstoff-Technologien gefördert?

Die Bundesregierung legt mit dem Aktionsplan zur Nationalen Wasserstoffstrategie die Grundlagen für private Investitionen in die wirtschaftliche und nachhaltige Erzeugung, den Transport und die Nutzung von Wasserstoff. Dafür wird die Bundesregierung verschiedene Maßnahmen umsetzen. Schon heute fördert das Bundesumweltministerium innovative Klimaschutztechnologien zur Vermeidung von Prozessemissionen in der energieintensiven Industrie. Viele dieser Technologien basieren auf dem Einsatz von grünem Wasserstoff.

Auch Ausschreibungsmodelle für die Herstellung von grünem Wasserstoff, zum Beispiel zur Dekarbonisierung der Stahl- und Chemieindustrie, werden geprüft. Gleichzeitig soll ab 2021 ein Pilotprogramm starten, das so genannte Carbon Contracts for Difference (CfD) zur Verfügung stellt. Über dieses Programm sollen wasserstoffbasierte Klimaschutzprojekte Betriebskostenzuschüsse erhalten können, welche jene Vermeidungskosten von wasserstoffbasierten, klimaneutralen Technologien ausgleichen, die über dem absehbaren Preis für Emissionshandelszertifikate der EU liegen. Durch den Ausgleich der höheren Vermeidungskosten ist es Unternehmen unter einem CfD möglich, betriebskostenintensive, klimaneutrale und wasserstoffbasierte Herstellungsprozesse wirtschaftlich zu etablieren. Dies reizt indirekt auch die Produktion von grünem Wasserstoff an.

Wann ist mit größeren Mengen an Wasserstoff zu rechnen?

Das ist schwer abzuschätzen und ist abhängig von vielen Faktoren. Die Technologie befindet sich derzeit noch im Demonstrationsstadium. Als wichtigen Meilenstein haben wir uns für das Jahr 2030 5 Gigawatt Elektrolysekapazität in Deutschland zum Ziel gesetzt. Die Planung und der Bau von großtechnischen Anlagen finden derzeit nicht nur in Europa statt. Analysen der EU-Kommission gehen davon aus, dass ab 2030 erste Mengen an PtX-Kraftstoffen am europäischen Markt verfügbar sein werden.