Wasserstoff – auf dem Weg zur ultimativen grünen Energiequelle

Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden chemischen Elemente auf der Erde. (Bild: Shutterstock.com/IanSt8)
Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden chemischen Elemente auf der Erde. (Bild: Shutterstock.com/IanSt8)

Wasserstoff mag das kleinste Element sein, aber er hat das Potenzial, eine enorme Rolle beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu spielen, meint David Czupryna von Candriam. Allerdings seien grössere Investitionen erforderlich, um seine Skalierbarkeit zu gewährleisten.

31.07.2021, 08:00 Uhr

Redaktion: rem

Wasserstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden chemischen Elemente auf der Erde. Es ist ein Bestandteil des Wassers, das 65% des menschlichen Körpers ausmacht, und eine der beiden Komponenten des Methans, das allgemein als Erdgas bekannt ist. Aber um es zu extrahieren und als alternative Energiequelle zu nutzen, ist Energie notwendig.

Wie David Czupryna, Head of Client Portfolio Manager – ESG bei Candriam, erklärt, gibt es viele Möglichkeiten, Wasserstoff herzustellen:

  • "Brauner" Wasserstoff: Derzeit werden 96% des auf der Erde produzierten Wasserstoffs mit Hilfe der sogenannten Dampfreformierung aus Methan erzeugt. Unter Einsatz von Wärme und Wasserdampf wird aus Methan, einem potenten Treibhausgas, Wasserstoff extrahiert. Auf diese Weise erzeugter Wasserstoff wird als "brauner" Wasserstoff bezeichnet.
  • "Blauer" Wasserstoff: Wird das gleiche Verfahren wie für braunen Wasserstoff angewandt, aber das als Nebenprodukt entstehende CO2 abgetrennt und gespeichert (Carbon capture and storage, CCS), so entsteht "blauer" Wasserstoff.
  • "Grüner" und "rosa" Wasserstoff: Eine andere Möglichkeit ist, Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Bei diesem Verfahren wird Strom verwendet, um die Wasserstoffatome von den Wassermolekülen abzuspalten. Wenn dieser Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, spricht man von "grünem" Wasserstoff, bei Verwendung von Atomstrom von "rosa" Wasserstoff.

Die ultimative Energiequelle

Von Farbe bis zu Düngemitteln – Wasserstoff spiele in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der verarbeitenden Industrie oder der Landwirtschaft, bereits eine wichtige Rolle. Angesichts dieser vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff werde er von Regierungen und Unternehmen regelmässig als die ultimative grüne Energiequelle angepriesen, so Czupryna.

Im britischen Zehn-Punkte-Plan für eine "grüne industrielle Revolution" werde Wasserstoff 56-mal erwähnt, Windkraft hingegen nur 28-mal und Kernkraft 16-mal. Premierminister Boris Johnson sicherte 12 Mrd. Pfund an öffentlichen Geldern zu und schätzt, dass der private Sektor in den nächsten neun Jahren dreimal so viel investieren wird, um den Übergang zu einer grünen Wirtschaft zu bewerkstelligen. Der britische Plan gehe davon aus, dass Wasserstoff eine wesentliche Komponente des zukünftigen alternativen Energiemix sein wird.

"Zu den wichtigsten Stärken von Wasserstoff gehört sein Potenzial bei der Stahlproduktion, die für 7% der weltweiten Emissionen verantwortlich ist, als Alternative zu Kohle zu fungieren. Einige der grössten europäischen Stahlhersteller haben ihre Absicht bekundet Wasserstoff zu nutzen, um ihre CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies könnte andere grosse Emittenten, wie beispielsweise die Schifffahrt, dazu ermutigen, den Einsatz von Wasserstoff zur Verringerung ihres CO2-Fussabdrucks in Betracht zu ziehen", erläutert Czupryna weiter.

Für Masseneinsatz stehen Hürden im Weg

Dem Masseneinsatz von Wasserstoff stünden jedoch noch mehrere Hindernisse im Wege. Erstens sei es mit grossen Herausforderungen verbunden, den Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu erhöhen. Um die Treibhausgasemissionen zu senken, müssten wir unsere Abhängigkeit von fossilen auf erneuerbare Energieträger verlagern, sagt der Experte.

Derzeit stammen nur 29% der weltweiten Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen. Um die Menge an "grünem“ Wasserstoff zu erzeugen, die für den weltweiten Umstieg auf grüne Energien erforderlich ist, bräuchte man eine Strommenge, die vier Fünftel der weltweiten Stromproduktion im Jahr 2020 entspricht, so die jüngste Roadmap "Net Zero by 2050" der Internationalen Energieagentur. Wenn dieses Hindernis nicht überwunden werde, bestehe das Risiko, eine "doppelte Erwärmung" zu schaffen, weil zum einen nicht genügend Wasserstoff produziert werde, um die Emissionsziele zu erreichen, und zum anderen eine grössere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bestehe, um Elektrolyseure zu betreiben oder die Dampfreformierung durchzuführen, erklärt Czupryna.

Erneuerbare Energiequellen bereits unter Druck

Beim Übergang zu einer Netto-Null-Wirtschaft wird die Stromnachfrage, getrieben durch neue Produkte wie Elektroautos, ansteigen. Diese Nachfrage auf nachhaltige Weise zu befriedigen, wird nach Meinung des Experten eine Herausforderung sein, da die derzeitigen erneuerbaren Energiequellen bereits unter Druck stehen.

Wie er weiter ausführt, werden in Europa regenerative Energien benötigt, um in die Jahre gekommene Kernkraftwerke sowie stillgelegte Kohle- und Gaskraftwerke zu ersetzen. In anderen Ländern, wie China oder Indien, erhöht der Bevölkerungsdruck die Nachfrage nach zuverlässiger und sauberer Energie. Im Gegensatz zu Europa investieren diese Länder in neue Kernkraftwerke, die einen wesentlichen stabilisierenden Faktor in der kohlenstoffarmen Stromversorgung darstellen werden, zumal die Energienachfrage in diesen Ländern weiterhin rasant ansteigt.

"In Anbetracht der Herausforderungen, vor denen wir stehen, um ausreichend kohlenstoffarmen Strom für die Wasserstofferzeugung zu produzieren, ist es nicht überraschend, dass die grössten Befürworter von Wasserstoff im Öl- und Gassektor zu finden sind", sagt Czupryna. Die Unternehmen mit dem grössten Kohlenstoff-Fussabdruck hätten schnell erkannt, dass Wasserstoff das Potenzial hat, neue Geschäftsmöglichkeiten zu schaffen, insbesondere für Erdgas. Infolgedessen stellten sie ihre alten Geschäftsmodelle auf blauen Wasserstoff um und erstellen ehrgeizige Entwicklungspläne für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. "Aber wenn wir auf blauen Wasserstoff setzen, besteht dann nicht die Gefahr, dass wir am Ende mit mehr braunem Wasserstoff dastehen", fragt Czupryna.

Limitierende Faktoren

"Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), bei der Treibhausgas-Emissionen aufgefangen und in den Boden zurückgeleitet werden, hat das Potenzial, die Produktion von kohlenstoffarmem Wasserstoff aus Erdgas zu beschleunigen", erklärt der Experte weiter. Derzeit mache blauer Wasserstoff jedoch aufgrund der hohen Kosten und der logistischen Herausforderungen nicht einmal 1% der weltweiten Wasserstoffproduktion aus. Angesichts der aktuellen Entwicklungen werde es schwierig sein, bis 2050 genügend blauen Wasserstoff zu produzieren, um den weltweiten Energiebedarf zu decken.

Ein anderer limitierender Faktor für die Entwicklung der Wasserstoff-Energie sei die Abhängigkeit von Nickel für die Herstellung von Elektrolyseuren, das gleichzeitig auch eine wichtige Komponente in Elektroautobatterien ist – ein weiterer Bereich, in dem das Netto-Null-Ziel ein massives Wachstum antreiben werde.

Czupryna stellt eine weitere Frage in den Raum: "Wie sollen wir genügend Elektrolyseure produzieren, um den Bedarf an 'grünem' Wasserstoff zu decken, und gleichzeitig genügend Elektrofahrzeuge herstellen, um die wachsende Nachfrage der Verbraucher zu befriedigen?" Die Net-Zero-Roadmap der IEA schätze, dass die Elektrolyseur-Kapazität bis 2030 von heute 0,3 GW auf 850 Gigawatt (GW) ausgebaut werden muss.

Strategisches Vorgehen beim Einsatz von Wasserstoff

Um Wasserstoff in eine kohlenstoffneutrale Wirtschaft zu integrieren, müssen nach Meinung des Experten zwei grundlegende Fragen geklärt werden: Wie werden Elektrolyseure produziert und womit werden sie betrieben? "Die Skalierung von Wasserstoff würde einen Strombedarf schaffen, den wir mit erneuerbaren Energiequellen allein kaum decken können. Stattdessen müssen wir beim Einsatz von Wasserstoff strategisch vorgehen, damit wir die maximale Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu geringsten Kosten erreichen", sagt Czupryna. Zum Beispiel könnten Lastwagen durch elektrisch betriebene Züge ersetzt werden, während Schiffe, die zu gross für einen Elektroantrieb sind, von weiteren Investitionen in wasserstoffbetriebene Schiffe profitieren könnten.

"Wenn wir es mit dem Potenzial von Wasserstoff ernst meinen, sind grössere Investitionen in die vielen Schattierungen von Wasserstoff erforderlich, um seine Skalierbarkeit zu gewährleisten. Wir müssen unsere globale Stromproduktion erhöhen, aber auf nachhaltige Weise, indem wir das Spektrum der uns zur Verfügung stehenden kohlenstoffarmen Energiequellen nutzen. Wasserstoff mag das kleinste Element sein, aber er hat das Potenzial, eine enorme Rolle bei unserem Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu spielen", meint Czupryna abschliessend.

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