Die Europäische Kommission hat im Herbst 2019 festgelegt, dass Europa bis
spätestens 2050 klimaneutral werden soll, für Deutschland plant die
Bundesregierung das Erreichen der Klimaneutralität für das Jahr 2045.
Dabei spielt Wasserstoff eine wichtige Rolle. Denn grüner Wasserstoff auf
Basis von erneuerbaren Energien ist prädestiniert für die
„Defossilisierung“ des Energiesystems. Folgerichtig baut die Nationale
Wasserstoffstrategie der Bundesregierung auf grünen Wasserstoff für die
Klimaschutzziele.
Motivation
Der ForschungsVerbund Erneuerbare Energie (FVEE) möchte mit diesen
Empfehlungen Denkanstöße für eine zielgerichtete Weiterentwicklung der
Wasserstoffstrategie geben, damit Wasserstoff einen bestmöglichen Beitrag
für das nachhaltige Energiesystem leisten kann.
Nachdem die Europäische Kommission und die Bundesregierung die dringend
notwendigen ambitionierteren Klimaziele beschlossen haben, erhöht sich der
Handlungsdruck. Das betrifft besonders die Anwendungen und Sektoren, deren
CO2-Emissionen nicht ausreichend und sinnvoll direkt über erneuerbaren
Strom und/oder Energieeinsparung vermieden werden können; das sind
insbesondere die energieintensive Industrie und große Teile des schweren
Güterverkehrs sowie des Luft- und Schiffsverkehrs.
Hier eröffnet Wasserstoff als speicherbares Medium neue
Flexibilitätsoptionen und kann die Transformation des Energiesystems
beschleunigen.
Außerdem können grüner Wasserstoff und seine chemischen Folgeprodukte
(z.B. synthetische Kraftstoffe, Ammoniak oder Methanol) wertvolle Beiträge
leisten für die „Defossilisierung“ des Energiesystems. Denn er kann heute
schon auf Basis von erneuerbaren Energien (EE) nahezu CO2-frei hergestellt
werden – insbesondere durch die Nutzung von erneuerbarem Strom für die
Wasserelektrolyse. Daher zielt die erste nationale Wasserstoffstrategie
der Bundesregierung aus dem Juni 2020 zu Recht darauf ab, langfristig nur
grünen Wasserstoff für das Erreichen der Klimaschutzziele zuzulassen.
Wasserstoff ist systemrelevant
Wirksamer Klimaschutz erfordert eine grundlegende Transformation der
Energiesysteme und Produktionsverfahren. Grüner Wasserstoff und seine
Folgeprodukte sind Schlüsselelemente dieser Transformation: Ihr Einsatz in
Prozessen, die nicht durch den direkten Einsatz von erneuerbarem Strom
effektiv defossilisiert werden können, machen sie für das zukünftige
Energiesystem unverzichtbar. Die zahlreichen Möglichkeiten ihrer
Speicherung, ihres Transports und auch der Rückverstromung zum Ausgleich
von Schwankungen im Stromsektor können neue Lösungen für die
Flexibilisierung des Energiesystems bieten.
Wasserstoff zur Sektorenkopplung
Grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte werden zentrale Optionen zur
Sektorenkopplung und sind ein wesentlicher Bestandteil vieler Power-
to-X-Pfade. Die Stärken des Wasserstoffs liegen dabei in seiner Rolle als
flexibles Bindeglied in einem EE-Strom-basierten Energiesystem, in der
Möglichkeit der saisonalen Speicherung von EE-Strom und in der Möglichkeit
zur Defossilisierung von nicht oder nicht einfach elektrifizierbaren
Prozessen. So gibt es für die stoffliche Nutzung von Wasserstoff in der
chemischen Industrie und der Stahlherstellung keine Alternativen, ebenso
sind Wasserstoff und Wasserstoff-basierte synthetische Kraftstoffe im
Luft- und Schiffsverkehr sowie im Lkw- Langstreckenverkehr voraussichtlich
unverzichtbar.
In vielen Anwendungsbereichen gibt es zwar effizientere, aber weniger
universelle Lösungen zur Defossilisierung als den Weg über Wasserstoff, so
z.B. die direkte Elektrifizierung von Prozesswärme oder die
batterieelektrische Mobilität. Grundsätzlich sind effizientere Wege in der
(Nutz-)energiebereitstellung vorzuziehen. Doch die
Flexibilisierungsmöglichkeiten der direkten Stromnutzung sind begrenzt und
erneuerbarer Strom steht nicht zu jeder Zeit für die Nutzung zur
Verfügung. Deshalb sollte Wasserstoff an diesen Stellen im Energiesystem,
an denen er seine Stärken ausspielen kann, gezielt eingesetzt werden.
Jetzt die Weichen richtig stellen
Als Energieträger muss grüner Wasserstoff seinen Anteil im Energiesystem
langsam aber stetig steigern, weil die Erzeugungskapazitäten ebenso wie
die Technologien auf der Anwendungsseite eine enorme Skalierung
durchlaufen müssen, bevor die breite Marktdiffusion beginnen kann. Dies
dürfte ab 2030 der Fall sein.
Ähnlich verhält es sich in der energieintensiven Industrie: Hier ist die
Entscheidung, den Weg in Richtung Klimaneutralität und damit in Richtung
einer Wasserstoffwirtschaft einzuschlagen, heute zu treffen. Wegen der
langen Investitionszyklen und der notwendigen Lernphasen bei der
technischen Umsetzung muss jetzt mit der Umstellung auf Wasserstoff-
kompatible Technologien begonnen werden. Nur so können ab 2030 ohne harte
Strukturbrüche schnell große Mengen Wasserstoff eingesetzt werden.
Auch in der Energiewirtschaft sind die notwendigen infrastrukturellen
Änderungen für einen massiven Ausbau der erneuerbaren
Elektrizitätserzeugung unmittelbar auf den Weg zu bringen, damit ab 2030
große Mengen Wasserstoff produziert werden können. Ebenso sind im Verkehr
heute Maßnahmen zu ergreifen, die die Voraussetzungen für einen breiteren
Einsatz von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen beispielsweise im
Flugverkehr schaffen.
Fossile Energieträger nur als Übergangslösungen nutzen
Der erforderliche zeitnahe Einstieg in den Markthochlauf von
Wasserstoffanwendungen kann aufgrund der Parallelität der Ausbaupfade für
Bereitstellung und Verbrauch dazu führen, dass Wasserstoffbedarfe
entstehen, die nicht unmittelbar aus erneuerbaren Energien gedeckt werden
können. In einer derartigen Übergangsphase könnte aus fossilen Quellen
gewonnener Wasserstoff helfen, ein ausreichendes Angebot sicherzustellen,
da ohne ein gesichertes Wasserstoffangebot die Marktdiffusion der
Einsatztechnologien ausbleiben wird. Um das Risiko von Fehlinvestitionen
und damit verbundener sinkender Akzeptanz für Wasserstoff zu minimieren,
sollte die Verwendung von fossilen Primärenergieträgern zur
Wasserstoffproduktion zeitlich begrenzt werden. Aus Klimaschutzgründen ist
schnellstmöglich eine ausschließlich grüne Wasserstoffversorgung
anzustreben. Vorzugsweise sollten deshalb Technologien gefördert werden,
welche künftig die Bereitstellung von erneuerbarem Wasserstoff
gewährleisten.
Wasserstoff und erneuerbare Energien zusammen denken
Den größten Beitrag zum Klimaschutz leistet Wasserstoff aus erneuerbaren
Quellen. Dies umfasst in erster Linie den aus erneuerbarem Strom über
Wasser-Elektrolyse erzeugten Wasserstoff.
In kleineren Mengen kann Wasserstoff auch aus (Abfall-)Biomasse gewonnen
werden. Perspektivisch kommen weitere Erzeugungsverfahren hinzu: durch
Sonnenlicht angetriebene Wasserspaltung, d.h. thermochemische und photo-
elektrochemische Verfahren sowie die Nutzung der natürlichen
Photosynthese. Zudem ergeben sich eine Reihe von Synergien der
erneuerbaren Energieträger untereinander (z.B. synthetische chemische
Grundstoffe aus strombasiertem Wasserstoff in Verbindung mit Biomasse als
erneuerbarem Kohlenstoffträger).
Für die Akteure aus der Industrie, die sich heute auf den Weg in Richtung
Defossilisierung über Wasserstoff machen, ist es unerlässlich, dass in
Zukunft ausreichend grüner Strom und grüner Wasserstoff zur Verfügung
stehen. Doch bereits für das Erreichen der nationalen
Treibhausgasminderungsziele für das Jahr 2030 ist ein verstärkter Ausbau
der erneuerbaren Stromerzeugung eine zwingende Voraussetzung. Wenn nun für
die Bereitstellung des grünen Wasserstoffs noch zusätzlicher Bedarf an
grünem Strom entsteht, muss die Politik in Deutschland ihre Ambitionen für
den Ausbau an erneuerbarer Stromerzeugung deutlich steigern. Neben dem
Ambitionsniveau für den EE-Ausbau müssen auch Infrastrukturanforderungen
für ein regeneratives Strom- und Wasserstoffsystem dringend verstärkt in
den Blick genommen und entsprechende Aktivitäten zum Auf- und Ausbau
aufgenommen werden.
Wasserstoff-Importe komplementär zur inländischen Produktion denken
In Deutschland und den europäischen Nachbarländern gibt es umfangreiche
erneuerbare Potenziale für die Produktion von grünem Wasserstoff.
Angesichts der erwarteten großen Nachfragemengen ist parallel zur
Produktion in Europa der Aufbau von verlässlichen Partnerschaften für den
Import von grünem Wasserstoff aus außereuropäischen Ländern mit sehr
großen und günstigen erneuerbaren Strom- und Solarstrahlungspotenzialen
eine wichtige Option, um für grünen Wasserstoff die Kosten zu senken und
die Verfügbarkeit zu erhöhen. Es muss dabei sichergestellt werden, dass
solche Partnerschaften die Energiesystemtransformationen in den
Partnerländern nicht verlangsamen, sondern voranbringen und auch dort zu
positiven ökologischen, volkswirtschaftlichen und sozio- ökonomischen
Effekten führen.
Energieforschung als Schlüssel zu einer nachhaltigen Wasserstoffnutzung
Nur mit einer starken und konzertierten Energieforschung wird es den
Akteuren in Deutschland und Europa gelingen, in einer nachhaltigen
Wasserstoffwirtschaft eine führende Rolle im internationalen Wettbewerb
einzunehmen und Wertschöpfung hierzulande zu generieren. Die
Bereitstellung effizienter, sicherer, großtechnisch skalierbarer und
kostengünstiger Anlagentechnik für die Erzeugung von erneuerbarem Strom,
Wasserstoff und synthetischen Folgeprodukten bilden dabei wesentliche
Schwerpunkte. Ebenso wichtig sind Untersuchungen, die aufzeigen wie eine
nachhaltige Systemtransformation mit grünem Wasserstoff im Zeitverlauf am
besten gelingen und wie sie durch die Politik entsprechend angereizt und
reguliert werden kann.
Als Exporteur von Wasserstofftechnologien kann die deutsche Industrie
perspektivisch von den sich auch in anderen Ländern entwickelnden Märkten
profitieren und zugleich einen wesentlichen Beitrag für die globale
Energiewende leisten. Voraussetzung ist ein schneller Roll-Out der
Technologien entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette für
Erzeugung, Speicherung, Transport und Nutzung in einem starken
Heimatmarkt. Der starke internationale Wettbewerb erhöht die Dringlichkeit
für eine rasche Umsetzung entsprechender Strategien.
Wasserstoff-Forschung im FVEE
Die Mitglieder des FVEE erforschen und entwickeln Technologien für
erneuerbare Energien, Energieeffizienz, Energiespeicherung und das
Zusammenwirken aller Komponenten im System, unter Berücksichtigung
gesellschaftlicher und ökologischer Wechselwirkungen. Dabei nimmt
Wasserstoff als zentrales Element der Sektorenkopplung eine wichtige Rolle
im Forschungsspektrum vieler FVEE-Einrichtungen ein. Der FVEE möchte mit
diesem Papier Denkanstöße für eine zielgerichtete Weiterentwicklung der
Wasserstoffstrategie aus Sicht der Forschung geben.
Die Erforschung von Wasserstofftechnologien und sozio-ökonomischer Themen
von Wasserstoff im Energiesystem sind zentrale Bereiche im Portfolio
vieler FVEE-Einrichtungen.
Unten finden Sie einen Link zur Sammlung aktueller Studien und
Forschungsprojekte zum Thema Wasserstoff von den im FVEE
zusammengeschlossenen Forschungsinstituten.