Overline: Fellowship

Headline: Das Wasserstoff-Dilemma

Sie erforschen die Möglichkeiten des Wasserstofftransports über große Entfernungen. Zu welchem Schluss kommen Sie?
Aliaksei (Alex) Patonia: Nun, es scheint keine Einzellösung zu geben, die alle Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserstoff erfolgreich bewältigen kann. Es handelt sich um eine Substanz, die nicht leicht zu transportieren ist. In unserer jüngsten Studie haben wir die vier gängigsten Optionen für den Wasserstofftransport über transozeanische Entfernungen untersucht wie etwa von Chile nach Deutschland oder von Australien nach Japan. In diesen Fällen funktionieren Pipelines nicht. Der Wasserstoff muss mit Schiffen transportiert werden.
Die vier wichtigsten Optionen sind derzeit flüssiger Wasserstoff, flüssiges Ammoniak, Toluol/Methylcyclohexan  (MCH, ein "flüssiger organischer Wasserstoffträger")  und Methanol. Eine der Schlussfolgerungen unserer Untersuchung ist, dass keine dieser Optionen in allen notwendigen oder kritischen Kategorien gut abschneidet. Es gibt weder eine einzige noch eine Patentlösung, denn wir müssen sowohl die thermodynamischen und wirtschaftlichen Merkmale jedes Wasserstoffträgers als auch die sozialen, geopolitischen und strategischen Gründe berücksichtigen. Von den vier von uns untersuchten Optionen sind Ammoniak und Methanol die billigsten und effektivsten Möglichkeiten, Wasserstoff über große Entfernungen zu transportieren. Das heißt aber nicht, dass sie ideal sind.

Welche Schwierigkeiten gibt es denn dabei?
Patonia:  Einige der Schwierigkeiten hängen mit zusätzlichen Schritten im Prozess der Wasserstoffbereitstellung zusammen. Bei flüssigem Wasserstoff und bei Wasserstoff im Allgemeinen scheint die größte Herausforderung derzeit die Verflüssigung zu sein, die eine Abkühlung auf -253 °C, also fast den absoluten Nullpunkt, erfordert. Das ist eine kryogene (sehr niedrige) Temperatur, deren Aufrechterhaltung sehr viel Energie benötigt. Dann muss der verflüssigte Wasserstoff gelagert und über einen langen Zeitraum bei dieser extrem niedrigen Temperatur gehalten werden. Bei Ammoniak ist die Situation mehr oder weniger ähnlich. Er muss auf -33 °C abkühlen. Obwohl es viel weniger Energie benötigt, muss Ammoniak am Endpunkt gecrackt werden, das bedeutet dehydriert, damit der Wasserstoff verwendet werden kann. Toluol/MCH ist ein sehr schwerer Stoff mit einem relativ geringen Wasserstoffgehalt. Es ist sogar der am wenigsten effektive Wasserstoffträger der vier. Auch wenn das Toluol nach der Dehydrierung der MCH wiederverwendet werden könnte, muss es zum Lieferanten geliefert werden, was weitere Kosten verursacht. Methanolmoleküle enthalten ihrerseits Kohlenstoff. Wenn also Methanol dehydriert wird, muss der Kohlenstoff ordnungsgemäß gehandhabt werden, das bedeutet entweder entfernt und gelagert oder verwendet werden. Wie gesagt, keiner der Kraftstoffe, keine der Optionen scheint ideal - und keine von ihnen beseitigt alle Probleme.

Kann Wasserstoff uns Europäern aus der derzeitigen kritischen Gasversorgungssituation heraushelfen?
Patonia:  Zum jetzigen Zeitpunkt nicht. Im Prinzip wäre die Idee, Erdgas durch etwas wie Wasserstoff zu ersetzen, was bei der Verbrennung kein Kohlendioxid erzeugt. Wasserstoff könnte in anderen Sektoren als nur als Ersatz für Erdgas verwendet werden: Nicht nur zum Heizen und zur Stromerzeugung, sondern als Rohstoff für bestimmte Industriezweige wie die Ölraffination.
Eines der Hauptprobleme mit Wasserstoff ist jedoch, dass er zu 99 Prozent aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Und Erdgas ist der wichtigste Rohstoff für seine Produktion. Obwohl die EU die Notwendigkeit betont, die Erzeugung von kohlenstofffreiem „grünem“ Wasserstoff auszubauen, der mit Wasser und erneuerbarem Strom hergestellt wird, ist der aktuelle Produktionsumfang viel geringer als der von herkömmlichem „umweltschädlichem“ Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Selbst wenn Europa beschließt, anderswo produzierten grünen Wasserstoff zu importieren, sind die mit seinem Transport und seiner Speicherung verbundenen Herausforderungen noch nicht vollständig gelöst, so dass der Ersatz von Erdgas durch Wasserstoff derzeit nicht machbar scheint.

Aber selbst wenn wir Wasserstoff über große Entfernungen transportieren könnten, wie umweltfreundlich wäre das am Ende? Wenn Wasserstoff zum Beispiel von Australien nach Japan geliefert wird, ist das überhaupt sinnvoll?
Patonia: Das ist eine gute Frage. Bislang gibt es nur Pilotlieferungen von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten zwischen verschiedenen Orten. So wurde beispielsweise 2020 blaues Ammoniak von Saudi-Arabien nach Japan verschifft, im selben Jahr wurde MCH von Brunei nach Japan geliefert. Im Februar 2022 wiederum wurde flüssiger Wasserstoff von Australien nach Japan gebracht. Bei all diesen Projekten handelte es sich um die ersten ihrer Art, so dass ihr Hauptziel darin bestand, die Möglichkeit der Lieferung von Wasserstoff in der jeweiligen Form an den Endverbraucher zu demonstrieren. Gleichzeitig ist über die rein wirtschaftliche und ökologische Seite dieser Projekte nicht allzu viel bekannt. Natürlich war keines der Unternehmen billig. Die Lieferung der Kraftstoffe auf dem Seeweg verursachte einen Kohlenstoff-Fußabdruck, denn Schiffskraftstoffe verursachen Emissionen. In dieser Hinsicht könnte die Entwicklung nachhaltiger Kohlenstoffmanagement-Technologien zur potenziellen Verringerung der Emissionen aus fossilen Brennstoffen die Notwendigkeit, sich mit der Komplexität des transozeanischen Wasserstofftransports zu befassen, minimieren oder gänzlich eliminieren.

Im Juli 2020 schlug die Europäische Kommission eine Wasserstoffstrategie für ein klimaneutrales Europa vor, die darauf abzielt, die Entwicklung von sauberem Wasserstoff zu beschleunigen und seine Rolle als Eckpfeiler für ein klimaneutrales Energiesystem bis 2050 sicherzustellen. Warum glauben Sie, dass dies optimistisch ist?
Patonia:  Es ist aus mehreren Gründen optimistisch. Zunächst einmal werden zwar Ziele für die Wasserstoffkapazitäten festgelegt, aber die Strategie liefert keine stichhaltigen Argumente dafür, wie diese erreicht werden könnten. In dem Dokument wird offen zugegeben, dass die EU den Wasserstoff importieren muss, weil die interne Produktionskapazität in Europa begrenzt ist. Der REPowerEU-Nachfolgeplan geht davon aus, dass bei ausreichender Entwicklung von Elektrolyseurtechnologien und dem Ausbau der erneuerbaren Energien bis 2030 zehn Millionen Tonnen erneuerbarer Wasserstoff in der EU produziert werden und weitere zehn Millionen Tonnen importiert werden müssen. Angesichts der Tatsache, dass der größte (10 MW) PEM-Elektrolyseur, der derzeit in Europa in Betrieb ist, nur etwa 1.300 Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr produzieren kann, wird Europa viel mehr Anlagen dieser Art benötigen. Außerdem muss mehr erneuerbare Energie für diesen speziellen Zweck erzeugt werden. Wenn wir davon ausgehen, dass dies durch neue, speziell für diesen Zweck errichtete Windparks und Solarzellen geschehen wird, verfügt die EU dann über den erforderlichen Platz für all diese Anlagen?
Und schließlich: Wird Europa in der Lage sein, die Infrastruktur für den Transport und die Lagerung all dieses Wasserstoffs zu entwickeln? Im Moment ist dies alles noch fraglich. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff würde beispielsweise die Ersetzung der unterirdischen Erdgasspeicher in Europa durch Wasserstoff die Energiemenge, die wir nutzen könnten, drastisch reduzieren. Anstelle der 1.200 TWh, die wir aus Erdgas gewinnen, würden wir etwa 60 TWh erhalten. Um eine wasserstoffbasierte Wirtschaft zu schaffen, muss Europa einige solide Lösungen für diese Herausforderungen finden.

Wenn Wasserstoff so problematisch ist, sollte Europa dann nicht die erneuerbaren Energien aktiver vorantreiben?
Patonia:  Erneuerbare Energien sind großartig, aber das Hauptproblem bei Energiequellen wie Wind und Sonne ist ihre Unbeständigkeit: Sie erzeugen keinen stabilen Strom und können daher keine stabile Last in das Netz einspeisen. Da das Stromnetz jederzeit ausgeglichen sein muss, geht es bei der Produktion von grünem Wasserstoff auch darum, erneuerbare Energie zu speichern, wenn es einen Überschuss gibt, sie zu entladen, wenn es einen Mangel gibt.

Könnte die Lösung auch darin liegen, dass Regionen wie Europa gemeinsam an einer regionalen Wasserstofflösung arbeiten und nicht an einer globalen Lösung wegen dieses Transportdilemmas?
Patonia: Die Entwicklung von Wasserstoff findet weltweit bereits in regionalen Clustern statt. Das liegt zum Teil an den Problemen, die mit dem Wasserstofftransport verbunden sind. Es liegt aber auch daran, dass die regionale Zusammenarbeit - aus historischen, wirtschaftlichen und anderen Gründen - einen schnelleren Wissensaustausch und die allgemeine Entwicklung bestimmter Nischen in diesem Sektor erleichtern kann. So ist Europa derzeit weltweit führend in der Forschung und Entwicklung sowie in der Herstellung von PEM-Elektrolyseuren, die sich am besten für den Anschluss an variable erneuerbare Energiequellen eignen. Damit Wasserstoff jedoch zu einem globalen „Ding“ wird, muss es letztlich über regionale Grenzen hinausgehen. Es ist jedoch nicht klar, ob dies geschehen wird. Zumindest nicht zum jetzigen Zeitpunkt.