Wasserstoff
„Wenn Sie Strom aus Wasserstoff erzeugen, brauchen Sie mindestens doppelt so viele Windräder oder Solarparks. Da kommt die Politik in eine Akzeptanz-Diskussion.“

Martin Wietschel, Experte für Wasserstoffwirtschaft am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI, über die Umwandlungsverluste der Wasserstoff-Wirtschaft, Akzeptanz-Probleme klimaneutraler Politik, die unverzichtbare Rolle von Wasserstoff in Stahlindustrie und Chemie und über die bleibende Abhängigkeit Deutschlands von Energie-Importen.

Martin Wietschel leitet am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI das Competence Center Energietechnologien und Energiesysteme. Er lehrt weiterhin als Professor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft, Wietschel ist Spezialist für Wasserstoffwirtschaft, die Modellierung von Energiesystemen, für Klimapolitik und die Steuerung von Material- und Energietransporten.

Herr Professor Wietschel, die Wasserstoffbegeisterung gerät zunehmend in die Kritik. Vor allem die sogenannten Umwandlungsverluste machen nach Ansicht von Experten Wasserstoff-Anwendungen oftmals recht teuer. Ist die Kritik berechtigt?

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Nun, es gibt verschiedene Verfahren, um Wasserstoff herzustellen. Grüner Wasserstoff wird in der Regel durch Elektrolyse hergestellt, bei der Wasser durch nachhaltig gewonnen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Dabei gehen etwa 30 Prozent der eingesetzten Energie mit den heute eingesetzten Niedertemperatur-Elektrolyseverfahren für die Nutzung verloren. Effizienter ist die Hochtemperatur-Elektrolyse. Diese Anlagen arbeiten in der Regel mit Temperaturen zwischen 700 und 1000 Grad Celsius. Damit kann man einen Wirkungsgrad bis zu 90 Prozent erreichen.

Aber das Verfahren ist deutlich teurer als die gängige Elektrolyse bei Normaltemperaturen.

Das stimmt. Und es vermindert die Verluste lediglich. Hinzu kommen – ganz gleich, welches Verfahren genutzt wird – die Verluste, wenn der Wasserstoff wieder in Strom zurückverwandelt wird. Wenn Sie Wasserstoff in der Rückverstromung für das Netz einsetzen, erreichen Sie über die gesamte Kette einen Wirkungsgrad von etwa 40 bis 50 Prozent. Bei Brennstoffzellen-Autos oder LKWs haben Sie einen Wirkungsgrad sogar nur von rund 35 bis 40 Prozent.

Das heißt, beim Einsatz von grünem Wasserstoff – anstelle von Erdgas – in Kraftwerken geht mehr als die Hälfte der nutzbaren Energie verloren? Und beim Einsatz in Verkehr sogar rund zwei Drittel?

Das hängt damit zusammen, dass bei der Rückverstromung Gas- und Dampfturbinenkraftwerke zum Einsatz kommen können, die einen höheren Wirkungsgrad haben als die Brennstoffzelle im Auto.

Experten kritisieren vor allen Pläne zur Rückverstromung von Wasserstoff, die auch unter dem Begriff Power-to-Power diskutiert wird.

Ja, weil die Energie dort zwei Umwandlungsprozesse durchläuft. Die direkte Stromnutzung, beispielsweise für batterieelektrische Fahrzeuge, ist da natürlich effizienter. Wenn Wasserstoff ins Spiel kommt, müssen Sie mindestens das Doppelte an erneuerbaren Energiequellen wie Solar- oder Windkraftanlagen zubauen im Vergleich zur direkten Stromnutzung im Verkehr. Da kommt die Politik fast zwangsläufig in eine Akzeptanzdiskussion.

Macht Wasserstoff dann überhaupt noch Sinn?

Auf jeden Fall. Es gibt die No-Regret-Bereiche, wo Sie keine andere Wahl haben. In der internationalen Luft- oder in der Schifffahrt reicht die Energiedichte von Batterien nicht. Sie bringen zu Marktpreisen kein Schiff oder Flugzeug mit Batterien über den Atlantik oder nach Ostasien. Dafür brauchen Sie chemische Energieträger wie Kohle, Schweröl oder Kerosin. In einer klimaneutralen Wirtschaft sind grüner Wasserstoff und seine Derivate wie E-Kerosin oder Ammoniak im Fernverkehr nicht wegzudenken. Mindestens ebenso wichtig sind die Anwendungen in der Stahlindustrie und der Grundstoffchemie. In diesen Prozess-Industrien ist grüner Wasserstoff schlicht unverzichtbar zur Erreichung der Klimaziele.

Sind das nicht Nischenmärkte?

Auf keinen Fall, nach unseren Berechnungen besteht im Jahr 2050 ein Bedarf an Wasserstoff von bis zu 600 Terawattstunden in Deutschland. Das ist etwas mehr als die gesamte heute erzeugte Strommenge.

Die oft vorgetragene These, dass künftig Strom die einzige Energieform sein wird, ist damit hinfällig?

Niemand redet mehr von einer All-Electric-Society. Wir werden im Jahre 2050 eine Endenergienachfrage von rund 1500 Terawattstunden haben – selbst wenn wir alle Möglichkeiten nutzen, Energie zu sparen. Etwa 800 bis 1000 Terawattstunden davon werden durch Strom gedeckt. Die restlichen Nachfrage wird im Wesentlichen von Wasserstoff, seinen Derivaten und Biomasse abgedeckt. Aber auch dieser Wasserstoff wird zum größten Teil unter Einsatz von Strom erzeugt werden.

Können wir den Bedarf an grünem Strom zu bezahlbaren Preisen mit Wasserstoff decken?

Man wird schrittweise vorgehen. Im Flugverkehr können zunächst Mindestquoten von E-Kerosin eingeführt werden, die nach und nach angehoben werden, um wirtschaftliche Schocks zu vermeiden. Teurer wird es auf jeden Fall. Viele glauben, man könne den Überschussstrom nehmen, der zu Zeiten geringen Bedarfs oder bei viel Wind und Sonnenschein anfällt. Aber das funktioniert nicht. Wir haben dafür zu wenig Überschussstrom. Übrigens: Auch nach dem Ausbau der Erneuerbaren ist die Menge an Überschussstrom nicht gestiegen. Und mit Ausbau der Elektromobilität werden wir noch weniger davon haben, weil die meisten E-Autos zu Zeiten geladen werden können, in denen die Auslastung des Netzes gering ist. E-Autos werden sogar als Speicher dienen und damit zur Entlastung beitragen. Auch Wärmenetze mit Strom geheizt oder Wärmepumpen mit Speichern bieten ein großes Flexibilitätspotenzial Dazu kommt der zeitliche Ausgleich durch intelligente Netze. Es gibt in den Netzen ein großes zeitliches Verlagerungspotential.

Was bleibt als Alternative zum fehlenden Überschuss-Gratis-Strom?

Während einer Übergangszeit könnte blauer Wasserstoff, der aus Erdgas hergestellt wird, als Brückenenergie dienen. Das anfallende CO2 könnte abgetrennt und in unterirdischen Kavernen gelagert werden. Das ist allerdings in Deutschland sehr umstritten – vor allem, weil es nur eine Lösung auf Zeit ist. Und weil viele Menschen zu Unrecht meinen, CO2 sei giftig. Kohlendioxid ist jedoch lediglich in hoher Konzentration gefährlich, die fast nur in geschlossenen Räumen denkbar ist. Bei Erdgas, dass in Deutschland ebenfalls seit Jahrzehnten als Notreserve in Kavernen gespeichert wird und deutlich gefährlicher ist, gibt es diese Akzeptanz-Probleme nicht.

Wenn wir fast die dreifache Menge an Strom brauchen – woher soll der Strom kommen? Bei der weiteren Verspargelung der Landschaft gibt es Grenzen, bei der Ausweitung der Flächen für Solaranlagen auch.

Wir können – selbst wenn wir die Akzeptanz-Fragen beim Bau von Windrädern und Solaranlagen ausklammern – in Deutschland maximal 700 bis 1000 Terawatt nachhaltigen Stroms erzeugen. Wir müssen also 500 bis 600 Terawatt importieren. Entweder als Strom oder als Wasserstoff und dessen Derivate. Wir haben in vertretbarer Entfernung Länder mit Wüstenklima oder mit viel Wind, wo der Strom günstig erzeugt werden kann.

Bedeutet das nicht eine große Abhängigkeit von instabilen Lieferländern?

Deutschland ist, ähnlich wie Japan, seit langem von Energieeinfuhren in Form von Erdgas, Erdöl oder als Kohle abhängig. Auch unsere aktuellen Energielieferanten waren und sind zum großen Teil keine stabilen Länder. Andererseits gilt, dass Handelsströme stabilisierend wirken. Und man darf nicht vergessen, dass die Abhängigkeit gegenseitig ist. Selbst zu Zeiten des kältesten Krieges blieb die Sowjetunion ein zuverlässiger Energiepartner. Die Lieferländer können sich einen plötzlichen Abbruch der Zahlungen nicht leisten. Sie haben darüber hinaus viel Geld in die Netze, die Suche und die Erschließung investiert.

Bewahrt uns die weiträumige Erschließung der Strommärkte vor der kalten Dunkelflaute, die uns winters bei gleichzeitigem Ausfall von Wind und Sonne drohen könnte?

Die Gefahr wird übertrieben. Die Ausgleichseffekte sind recht groß, vor allem bei gut ausgebauten Netzen. Wir beziehen im Institut bei unseren Energiesystemmodellen Nordafrika, die EU-Länder und deren Nachbarn ein und sehen, dass es sich dann um ein überschaubares Energievolumen, relativ kurze Zeiträume und seltene Ereignisse handelt. Aber es bleibt ein gewisser Bedarf an flexiblen Kraftwerkskapazitäten. Und da kann Wasserstoff als speicherbarer Energieträger eine Lösung sein. Allerdings kommen hier die angesprochenen doppelten Umwandlungsverluste zum Tragen. Zugleich müssen hinreichend Kraftwerksanalgen bereit gehalten werden. Der Strom, der in einer solchen Situation erzeugt wird, hat seinen Preis.

Das Gespräch führte Lothar Schnitzler