Wasserstoff nur für Industrie und Luftfahrt?

12.05.2021 – Forschende am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung haben sich in einer Studie dafür ausgesprochen, wasserstoffbasierte Brennstoffe nur dort einzusetzen, wo eine Elektrifizierung mit Batterien nicht funktioniert. Anwendungsbereiche sind vor allem energieintensive Branchen wie die Stahl- und Chemieindustrie oder die Luftfahrt. Die Wasserstoff-Technologie sei zu ineffizient und zu teuer, um auf breiter Front, etwas in Autos oder zum Heizen in Gebäuden, eingesetzt zu werden. Die Forscher identifizieren eine sogenannte „Merit-Order des Wasserstoff- und E-Fuel-Bedarfs“: eine Priorisierung, wo diese neuen Brennstoffe vor allem eingesetzt werden sollen.

Außerdem könnte die Hoffnung auf wasserstoffbasierte Brennstoffe, so die Studienautoren, mit denen sich Verbrennungsmotoren klimafreundlich betreiben lassen, den Umstieg auf CO2-arme Technologien mit Batterien verzögern – und in der Folge sogar zu mehr Treibhausgasemissionen führen.

Wasserstoff-Zug-pixabay-5908236
Mobilität mit Wasserstoff (links) und mit Elektroantrieb (rechts). Laut der Studie sei die Wasserstofftechnologie zu ineffizient, um auf breiter Basis, etwa im Straßenverkehr, eingesetzt zu werden. Bilder: Florian Kropshofer (trainspotterflo) / pixabay.com; andreas160578 / pixabay.com

Wasserstoffbasierte Brennstoffe sollen fossile Brennstoffe ersetzen

„Wir sollten daher die wertvollen wasserstoffbasierten Brennstoffe prioritär für diejenigen Anwendungen einsetzen, für die sie unverzichtbar sind: die Langstreckenflüge, Teile der chemischen Produktion, Stahlerzeugung und möglicherweise einige industrielle Hochtemperaturprozesse“, sagt Falko Ueckerdt vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), Leitautor der Studie: „Das sind Sektoren und Anwendungen, die wir kaum direkt elektrifizieren können“, so Ueckerdt weiter.

Sogenannter grüner Wasserstoff wird mittels Elektrolyse hergestellt. Um die stabilen Wassermoleküle H2O in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, wird viel Strom aus regenerativen Quellen benötigt. Der Wasserstoff kann dann zur Synthese von Kohlenwasserstoffen verwendet werden, indem Kohlenstoff aus CO2 hinzugefügt wird. Die dabei entstehenden mit Elektrizität erzeugten Brenn- und Kraftstoffe oder E-Fuels sind einfacher zu speichern und zu transportieren als Strom oder reiner Wasserstoff. „Entscheidend ist, dass diese Brennstoffe in konventionellen Verbrennungsprozessen und Motoren genutzt werden können und somit fossile Brennstoffe direkt ersetzen“, sagt Gunnar Luderer, Ko-Autor der Studie. Luderer schränkt jedoch ein: „Angesichts ihrer begrenzten Verfügbarkeit wäre es jedoch falsch zu glauben, dass fossile Brennstoffe auf diese Weise vollständig ersetzt werden können.“

Mit E-Fuels verbraucht ein Pkw mit Verbrennungsmotor fünfmal mehr Energie als ein Elektroauto

Wie die Forscher errechnen, würde die Nutzung wasserstoffbasierter Kraftstoffe anstelle von direkter Elektrifizierung je nach Anwendung und den jeweiligen Technologien die zwei- bis vierzehnfache Menge an Strom erfordern. Beim deutschen Strom-Mix des Jahres 2018 würde die Verwendung von wasserstoffbasierten Kraftstoffen in Autos, Lastwagen oder Flugzeugen etwa drei- bis viermal mehr Ausstoß von Treibhausgasen verursachen als die Verwendung fossiler Kraftstoffe. Im Gegensatz dazu verursachen Elektro-Autos oder strombetriebene Lastwagen Treibhausgas-Emissionen, die in den meisten Ländern bereits mit dem heutigen Strom-Mix vergleichbar oder geringer seien als die von Diesel- oder Benzinfahrzeugen. Das zeigen die Forscher auf Basis einer Lebenszyklus-Analyse, die auch die mit der Batterieproduktion verbundenen Emissionen einbezieht. Demnach erfordern wasserstoffbasierte Kraftstoffe den Aufbau zusätzlicher Anlagen erneuerbarer Energieerzeugung.

Die CO2-Vermeidungskosten liegen bislang bei rund 1000 Euro pro Tonne CO2

Selbst wenn man von 100 Prozent erneuerbarem Strom ausgeht, lägen die Kosten für die Vermeidung einer Tonne CO2 durch wasserstoffbasierte Kraftstoffe derzeit bei 800 Euro für flüssige und 1200 Euro für gasförmige Brennstoffe, errechneten die Forscher. Das ist deutlich höher als die aktuellen CO2-Preise etwa im europäischen Emissionshandelssystem, die bei knapp 50 Euro pro Tonne liegen. Mit technologischem Fortschritt – getrieben durch eine ansteigende Bepreisung von CO2-Emissionen, durch massive Subventionen sowie durch Investitionen in Wasserstoff und verwandte Industrien – könnten diese CO2-Vermeidungskosten bis 2050 auf etwa 20 Euro für flüssige und 270 Euro für gasförmige Brennstoffe sinken.

Deshalb könnten wasserstoffbasierte Brennstoffe bei steigenden CO2-Preisen wahrscheinlich bis 2040 kostenmäßig wettbewerbsfähig werden. Angesichts der Dringlichkeit der Reduzierung von Treibhausgasemissionen zur Stabilisierung unseres Klimas wäre 2040 jedoch zu spät für all jene Sektoren, in denen eine direkte Elektrifizierung möglich ist.

CO2-Preise sind nötig, um wasserstoffbasierte Brennstoffe wettbewerbsfähig zu machen

Trotz der Ungewissheit über die zukünftigen Kosten hätten wasserstoffbasierte Brennstoffe das Potenzial, eine Technologie zur Absicherung für den Ersatz der um 2040 bis 2050 noch verbleibenden fossilen Kraftstoffe zu werden. Die Realisierung hänge jedoch von einer massiven politischen Unterstützung ab, etwa für zwei Jahrzehnte, bevor Geschäftsmodelle allein durch die steigenden CO2-Preise gesichert werden könnten.

Nach Meinung der Studienautoren könnte eine politische Gesamtstrategie auf zwei Säulen basieren: Erstens auf einer breiten Unterstützung von Technologien, einschließlich der direkten Elektrifizierung, um Innovationen und erste Wachstumsschritte zu fördern. Zweitens auf einer substanziellen Bepreisung von CO2 und eine Energiesteuerreform, die zusammen gleiche Wettbewerbs-Bedingungen für alle Technologien schaffen – und damit eine Balance zwischen direkter und indirekter Elektrifizierung.

Die Forscher sehen langfristig den Einsatz von wasserstoffbasierten Brennstoffen als vielversprechend an. Gunnar Luderer. „Durch die Nutzung des riesigen Potenzials von Windkraft und Sonnenenergie im globalen Sonnengürtel in den Ländern des Südens können wasserstoffbasierte Brennstoffe global gehandelt werden und so Engpässe bei den erneuerbaren Energien in dicht besiedelten Ländern wie Japan oder in Europa beheben. Da die internationalen und nationalen Klimaziele jedoch sofortige Emissionsreduktionen erfordern, sollte heute die direkte Elektrifizierung an erster Stelle stehen, um eine sichere Zukunft für alle zu gewährleisten.“ (ds)

www.pik-potsdam.de

Share