Sektorenkopplung

Wasserstoff - Power to X mit vielen Möglichkeiten

Grüner Wasserstoff ist ein wesentlicher Baustein für den Weg in ein klimaneutrales Energiesystem. Für Niedersachsen bieten sich hierdurch große Chancen, da es über beste Voraussetzungen verfügt, zum zentralen Standort der deutschen Wasserstoffwirtschaft zu werden. Das zeigen nicht zuletzt die vielen vielversprechenden Projekte und Initiativen zu Wasserstoff, die es bereits heute im Land gibt.

Strom aus erneuerbaren Energien leistet schon heute einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende. Dieser Beitrag kann noch deutlich gesteigert werden, wenn der Strom in umgewandelter Form auch für die Sektoren Wärme, Verkehr und Industrie bereitgestellt wird. Für die Umsetzung dieser Sektorenkopplung sind verschiedene Nutzungspfade von Power-to-X-Technologien möglich. 

Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff wird dabei eine besondere Rolle spielen. Wie klimafreundlich der Energieträger Wasserstoff am Ende ist, hängt auch davon ab, wie er erzeugt wird - sprich, welche Farbe er hat: Grün, grau, blau oder türkis.

Das Land Niedersachsen setzt besonders auf den grünen Wasserstoff und hat schon frühzeitig eine Reihe von Initiativen und Veranstaltungen sowie Förderprogrammen auf den Weg gebracht. Als Energieland Nr. 1 soll Niedersachsen zu einem zentralen Standort der deutschen Wasserstoffwirtschaft werden.

Power to X

Nutzungspfade für Erneuerbaren-Strom

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, Strom aus erneuerbaren Energien so umzuwandeln, dass sich die Bandbreite der Nutzungsbereiche deutlich erweitert.

  • Power to Heat (PtH)

    Power to Heat (PtH) beschreibt die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen zwecks Versorgung mit Wärme, z. B. im Gebäude- oder industriellen Bereich.

  • Power to Gas (PtG)

    Power to Gas (PtG) beschreibt die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen zwecks Erzeugung von Wasserstoff und anderen Brenngasen, wie Methan (s. hierzu auch Power to Syngas). Einerseits können diese Brenngase stofflich direkt im industriellen Sektor genutzt werden, andererseits ist eine Nutzung dieses Wasserstoffs im Verkehrssektor (s. Power to Mobility), im Stromsektor (s. Power to Power) oder im Wärmesektor (durch Verbrennung) denkbar.

  • Power to Chemicals (PtChem)

    Power to Chemicals (PtChem) beschreibt die Weiterverarbeitung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen in andere gasförmige oder flüssige chemische Grundstoffe, wie z. B. Biokraftstoff, Methanol oder Ammoniak. Diese können in verschiedenen Sektoren genutzt werden. Der Nutzungspfad PtChem ist somit Oberbegriff für nachfolgende Nutzungspfade:

    • Power to Syngas (PtSyn) beschreibt die Weiterverarbeitung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen zu anderen erneuerbaren Gasen (z. B. Biomethan). Diese können im Strom-, Wärme-, Verkehrssektor und im industriellen Bereich genutzt werden.
    • Power to Liquid (PtL) beschreibt die Herstellung erneuerbarer flüssiger Kraftstoffe auf Basis von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen (z. B. Biodiesel). Diese Kraftstoffe können im Verkehrssektor eingesetzt werden oder auch zur Versorgung mit Wärme durch Verbrennungsprozesse oder im Stromsektor (s. Power to Power).
    • Power to Fuel (PtF), s. PtL.
    • Power to Ammonia (PtA oder PtNH3) beschreibt die Herstellung von Ammoniak auf Basis von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen. Einerseits kann dieses Ammoniak stofflich in der Industrie (und Landwirtschaft) eingesetzt werden. Andererseits kann dieser Ammoniak im Strom-, Wärme- und Verkehrssektor genutzt werden, wobei dies einer Modifikation von konventioneller Motoren- und Kraftwerkstechnik bedarf.

  • Power to Mobiltiy (PtMob)

    Power to Mobility (PtMob) beschreibt die Nutzung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen im Verkehrssektor. Dies kann einerseits durch Fahrzeugsysteme mit Brennstoffzellengelingen,  andererseits durch modifizierte verbrennungsmotorische Prozesse bei denen erneuerbare flüssige Kraftstoffe genutzt werden (s. Power to Liquid).

  • Power to Power (PtP)

    Power to Power (PtP) beschreibt die Nutzung von Wasserstoff und anderer chemischer Grundstoffe aus erneuerbaren Quellen im Stromsektor zur erneuten
    Stromerzeugung (sog. Rückverstromung). Dies bietet die Möglichkeit einer
    saisonalen Speicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen, z. B. bei
    „Dunkelflauten". Anwendungsbeispiele sind stationäre Brennstoffzellensystemen
    oder die Verbrennung in modifizierten Gaskraftwerken.

Bedeutung von grünem Wasserstoff für den Klimaschutz

  • Was ist grüner Wasserstoff?

    Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt. Hierbei wird Wasser mit Hilfe von grünem Strom in seine Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, gespalten. Ein wesentlicher Nutzungspfad des erneuerbaren Stroms ist dabei PtG (Power-to-Gas). Durch die Zugabe von CO2 kann Wasserstoff zu weiteren strombasierten synthetischen Stoffen wie Methan, Methanol oder flüssige Kohlenwasserstoffe verarbeitet werden. Auch eine Weiterverarbeitung zu Ammoniak ist möglich.

  • Welchen Anteil hat Wasserstoff für ein Gelingen der Energiewende?

    Für eine erfolgreiche Energiewende und das Erreichen von gesetzten Klimaschutzzielen wird mittelfristig der Einsatz von Wasserstofftechnologien unverzichtbar sein.

    Durch den Einsatz von erneuerbaren Strom lässt sich der Stromsektor im Vergleich zu den anderen Sektoren Wärme, Verkehr und Industrie einfacher dekarbonisieren. In Anwendungsfeldern, in denen eine direkte Nutzung von erneuerbar erzeugtem Strom aus technischen Gründen nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, werden daher PtG-Technologien einen entscheidenden Beitrag zur Kopplung dieser Sektoren leisten. So werden auch diese Sektoren zunehmend klimafreundlich.

    Darüber hinaus können Power-to-Gas-Anlagen stromnetzdienliche Aufgaben übernehmen. Auch kann Wasserstoff langfristig als Langzeitstromspeicher zum Ausgleich für saisonale Schwankungen und zu Zeiten der Dunkelflaute fungieren.

  • Welchen positiven Klimanutzen haben Wasserstofftechnologien?

    Grundsätzlich sollte bei der Umgestaltung des Energiesystems der Grundsatz „Efficiency First!" gelten, da die effizientere auch immer die klimaschonendere Option ist. Dabei gilt, alle zur Verfügung stehenden technischen Alternativen zu betrachten wie zum Beispiel Verbrauchsreduktionen und Effizienzmaßnahmen oder auch nach Anwendungsbereichen zu unterscheiden, in denen direkt-elektrische Lösungen wie Wärmepumpen oder batterieelektrische Mobilität den Wasserstoff-Anwendungen möglicherweise vorzuziehen sind.

    Denn Wasserstoff-Anwendungen sind nicht per se klimafreundlicher und nachhaltiger als fossil-basierte Technologien. Ob und welchen Beitrag sie zum Klimaschutz leisten, hängt von den jeweiligen Rahmenbedingungen ab:
    Der Strombezug ist der relevanteste Parameter für die Bewertung der Klimaschutzwirkung von strombasierten Stoffen. Diese tragen nur dann zum Klimaschutz bei, wenn sie mit Strom aus zusätzlichen erneuerbare Energien-Anlagen produziert werden.

    Die Bereitstellung von grünem Wasserstoff und seinen Folgeprodukten ist mit hohem Energieeinsatz und Umwandlungsverlusten behaftet. Es werden also deutlich mehr erneuerbare Energien-Anlagen benötigt werden. Bei großskaliger Umsetzung müssen demnach Konfliktpotenziale hinsichtlich Flächenverbrauch, Naturverträglichkeit und Akzeptanz Berücksichtigung finden.

    Durch die Zugabe von CO2 kann grüner Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffen weiterverarbeitet werden. Die Nutzung von CO2 aus nachhaltiger Biomasse und der Atmosphäre sind die einzigen klimaneutralen CO2-Bezugsquellen. Auch fällt CO2 konzentriert in Industrie- und Verbrennungsprozessen aus zumeist fossilen Quellen an.

    In einer zeitlich zu begrenzenden Übergangsphase könnte die Nutzung der fossilen Emissionen in Power-to-Gas-Technologien zugelassen werden, wenn gleichzeitig sichergestellt wird, dass dadurch Effizienzsteigerungen und für den Klimaschutz benötigte Prozessänderungen der jeweiligen Emittenten nicht verlangsamt werden.

  • Welche Anwendungsbereiche existieren für grünen Wasserstoff?

    Grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte sind vor allem in Bereichen notwendig, für die keine andere Option zur Dekarbonisierung vorhanden ist oder in denen hohe Energiedichten erforderlich sind. Aus Klimaschutzsicht ist ein positiver Nutzen daher nur in einigen wenigen Anwendungsfeldern gegeben: Der Einsatz von strombasierten Stoffen sollte sich insbesondere auf die stoffliche Nutzung und zur Erzeugung von Prozesswärme bei hohen Temperaturen für nicht bzw. schwer elektrifizierbare Anwendungen im industriellen Sektor sowie auf Kraft-stoffe im Luft-, See- und Schwerlastverkehr fokussieren.

    Im Stromsektor wird mit steigenden Anteilen an fluktuierenden erneuerbaren Energien die Langzeitspeicherung von Wasserstoff zur Rückverstromung in Zeiten mit geringer Einspeisung aus Wind- und Solarenergie sowie zur Überbrückung der sog. Dunkelflaute an Bedeutung gewinnen.

  • Ab wann brauchen wir Wasserstoff-Technologien?

    Die erforderlichen Mengen an strombasierten Stoffen steigen mit dem Anteil an fluktuierenden erneuerbaren Energien signifikant. Die Bundesregierung sieht in ihrer nationalen Wasserstoffstrategie bis zum Jahr 2030 einen Wasserstoffbedarf von rund 100 TWh. Um einen Teil dieses Bedarfs zu decken, sollen bis zum Jahr 2030 fünf GW Elektrolyseleistung sowie dafür erforderliche zusätzliche erneuerbare Energien-Anlagen (On- und Offshore) errichtet werden. Es gilt also bereits heute notwendige Schritte vorzunehmen und den benötigten Markthochlauf zu realisieren. 

    Deutschland benötigt großindustrielle Anlagen, um technische Entwicklungen voranzutreiben und Kostendegressionen zu erzielen. Eine Vergrößerung des Maßstabs von Pilot- und Demonstrationsanlagen bis zu ersten großindustriellen Anlagen dauert leicht mehrere Jahre.

Farbenlehre

Wasserstoff - am besten grün

Wasserstoff ist stets ein farbloses Gas – dennoch sind es die Farben in der Bezeichnung, die am besten Auskunft über die Art der Produktion geben. Fest steht zunächst: Nur grüner Wasserstoff hilft der Energiewende, da der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Energien wie der Windkraft stammt und somit CO2-frei ist. 

Aktuell dominiert noch grauer Wasserstoff den Markt. Er wird in der Regel über Reformierung von Erdgas hergestellt. Bei der Herstellung einer Tonne H2 werden rund zehn Tonnen CO2 in die Atmosphäre emittiert. 

Blauer Wasserstoff wird wie grauer Wasserstoff produziert – am Ende wird ein großer Teil des CO2 abgeschieden und im Untergrund gespeichert (Carbon capture und storage, CCS). CCS ist in Deutschland aufgrund unklarer geologischer Risiken und der begrenzten Speichermöglichkeiten umstritten. 

Bei der Herstellung von türkisem Wasserstoff wird im Produktionsprozess kein CO2 freigesetzt, da der Kohlenstoff in fester Form gebunden wird. Allerdings muss für den Produktionsprozess Energie aufgewendet werden, die zu CO2-Emssionen führt, falls auf fossile Energieträger zurückgegriffen wird. Dieses Verfahren befindet sich noch in der Entwicklung.

Wasserstoff in Niedersachsen

Initiativen und Veranstaltungen

Das Land Niedersachsen hat im Bereich Wasserstoff eine Reihe von Initiativen auf den Weg gebracht. So wurde z.B. das Niedersächsische Wasserstoff-Netzwerk gegründet und es fanden einige Veranstaltungen statt:

16. Juli 2020: "Niedersachsen wird Wasserstoffland Nr. 1"

05. Oktober 2020: "Unsere Wasserstoffzukunft gestalten"

03. November 2020: "Die Chancen für Wasserstoff schaffen"

30. November 2020: "Synergiewende mit grünem Wasserstoff in Niedersachsen"

Niedersachsen fördert Wasserstoffprojekte

Förderprogramme Wasserstoff

Wasserstoff-Richtlinie: 

Förderung von Pilot- und Demonstrationsvorhaben (Wasserstoffrichtlinie). 

  • Förderung von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, soweit es sich um Vorhaben der experimentellen Entwicklung handelt oder um Prozess- und Organisationsinnovationen 
  • Förderung von Investitionen in den Bereichen Umweltschutz, Energieeffizienzmaßnahmen, hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung, erneuerbare Energien, energieeffiziente Fernwärme oder Fernkälte, Energieinfrastruktur

Zur Wasserstoffrichtlinie

 

Förderung für Kommunen

Förderung von batterie- elektrischen und brennstoffzellen-elektrischen Pkw und leichten Nutzfahrzeugen durch Kommunen. Zum Förderprogramm


Förderprogramm zur Anschaffung von Wasserstoffspezialfahrzeugen, wie Kehrmaschinen und Müllwagen, durch Kommunen. Zum Förderprogramm

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