Klimaschutz- und Energieagentur Niedersachsen

Wie viel Wasser ist für die Elektrolyse notwendig?

Der Wasserverbrauch für die Produktion eines Kilogramms Wasserstoff beläuft sich auf ca. zehn Kilogramm Reinstwasser, die wiederum aus Oberflächen- oder Meerwasser gewonnen werden können (siehe Abbildung). Laut Nationaler Wasserstoffstrategie sollen bis 2030 10 GW Elektrolyseleistung in Deutschland aufgebaut werden. Bei 2.500 Betriebsstunden pro Jahr wären dadurch 6-7 Mio. m³ Reinstwasser bzw. 7-9 Mio. m³ Süßwasser erforderlich.

_{Abbildung 1: Notwendige Wassermenge für die Produktion eines Kilogramms Wasserstoff. Quelle: DVGW}

Der Wasserverbrauch ist nur ein Teil des Wasserbedarfs bei der Elektrolyse, da Wasser nicht nur als Rohstoff zum Einsatz kommt, sondern auch für die Prozesskühlung verwendet werden kann. Da die Kühlung stark von den Umgebungsbedingungen abhängt, lässt sich nicht pauschal bestimmen, wie viel Wasser für die Kühlung tatsächlich notwendig ist. Darüber hinaus ist der Wasserbedarf auch abhängig von der Art der Kühlung. So ist der Wasserbedarf bei einer Durchlaufkühlung zwischen 32- und 46-mal so hoch, wie bei einer Kreislaufkühlung (siehe Tabelle). Bei einer Kreislaufkühlung hingegen steigt der Wasserverbrauch aufgrund von Verdunstungen im Kühlungsprozess. Aus diesem Grund ist es notwendig, sich bei der Planung eines Elektrolyseurs über entsprechende Kühlkonzepte (Durchlauf vs. Kreislauf), alternative Kühlmedien (bspw. Luft) oder eine Abwärmenutzung Gedanken zu machen.

_{Tabelle 1: Wasserbedarf und Wasserverbrauch für ein Kilogramm Wasserstoff in Abhängigkeit von der Kühlung Quelle: DVGW}

Wie viel Wasser wird insgesamt benötigt?

Für die Einordnung des Wasserbedarfs bei der Elektrolyse können Daten zur Wasserversorgung in Deutschland herangezogen werden. Diese lassen sich in die öffentliche und nicht-öffentliche Wasserversorgung unterteilen. Unter öffentliche Wasserversorgung zählt bspw. die Versorgung der Bevölkerung, Unternehmen oder öffentlichen Einrichtungen mit Trinkwasser. Die öffentliche Wasserabgabe lag 2022 bei 5,3 Mrd. m³, wovon 62,5 % aus dem Grundwasser gewonnen wurde.

_{Abbildung 2: Wasserabgabe der öffentlichen Wasserversorgung an Letztverbrauchern, Eigenverbrauch der Wasserwerke und Wasserverluste | Quelle: Umweltbundesamt}

Die nicht-öffentliche Wasserversorgung setzt sich aus Energieerzeugern, Industrie, Bergbauunternehmen und der Landwirtschaft zusammen, die Wasser überwiegend über eigene Gewinnungsanlagen entnehmen. 2019 betrug dieses Wasservolumen 14,2 Mrd. m³. Das Wasser für die Energieversorgung stammt zu 97 % (8,8 Mrd. m³) aus der nicht-öffentlichen Wasserversorgung. Die restlichen 3 % (0,31 Mrd. m³) werden aus der öffentlichen Wasserversorgung entnommen. Genutzt wird das Wasser dabei fast ausschließlich zur Kühlung.

In den letzten Jahren ist das Wasseraufkommen für die Energieversorgung deutlich gesunken, da Kraftwerke durch bspw. den Ausbau der erneuerbaren Energien abgeschaltet werden konnten (siehe Abbildung 3). Auch in Zukunft werden Kraftwerke notwendig sein, um in Dunkelflauten oder bei Spitzenlasten Energie bereitzustellen. Der kontinuierliche Ausbau der erneuerbaren Energien sorgt jedoch für eine geringere Anzahl an Betriebsstunden für diese Kraftwerke und somit auch für einen niedrigeren Wasserbedarf, wodurch bilanziell Wassermengen für eine alternative Nutzung wie bspw. die Elektrolyse frei werden.

_{Abbildung 3: Wasseraufkommen für die Energieversorgung und der Anteil der Erneuerbaren Energien an der Bruttostromerzeugung von 1990 bis 2020 | Quelle: AG Energiebilanzen und Umweltbundesamt}

Da Elektrolyseure allerdings nicht zwangsläufig dort aufgebaut werden, wo Kraftwerke abgeschaltet wurden, müssen regionale Gegebenheiten bei der Standortwahl für Elektrolyseure berücksichtigt werden. Hierfür ist ein Austausch der relevanten Akteure vor Ort erforderlich, um sich über die Verfügbarkeit von Wasser und eventuellen Nutzungskonkurrenzen auszutauschen. Gleichzeitig müssen in wassergestressten Regionen Alternativen zur Grundwasserentnahme gesucht werden. Eine Möglichkeit stellt die Elektrolyse mit aufgereinigtem Abwasser in Kläranlagen da, die u.a. im Rahmen eines F&E-Projektes in Hannover untersucht wird. 

Darüber hinaus gibt es einige Lösungsansätze, um verantwortungsvoll und ressourcenschonend mit Wasser umzugehen. Über die Nutzung der Abwärme durch die Industrie oder im Kontext der kommunalen Wärmeplanung lässt sich der Wasserbedarf für die Kühlung reduzieren. Investitionen in die Forschung von Elektrolyseuren können dazu beitragen, den Wirkungsgrad des Prozesses und somit den Wasserstoffertrag zu erhöhen.

Eine Alternativquelle für die Ressource Wasser insbesondere in Küstennähe oder bei der Offshore-Elektrolyse stellt die Nutzung von Meerwasser da. Was dabei technisch erforderlich ist und welche Auswirkungen die Einleitung der entstehenden Sole hat, wird im Leitprojekt H2Mare untersucht.

Insgesamt sehen wir, dass ein bewusster Umgang mit der Ressource Wasser stattfinden muss. Auch, wenn die grüne Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse weniger Wasser benötigt, als fossile Kraftwerke. Neben Trinkwasser müssen andere Wasserquellen in Betracht gezogen und Kreisläufe bevorzugt werden. Gleichzeitig sollte in Regionen mit kritischer Wasserverfügbarkeit der Wasserverbrauch für die Elektrolyse und die Kühlung getrennt voneinander betrachtet werden, da es auch andere Lösungen für die Kühlung gibt. Es gilt also bei jedem Projekt den Einzelfall und die regionalen Gegebenheiten genau zu prüfen und bewusst mit unseren Ressourcen umzugehen.