Wir machen grünen Wasserstoff. Jetzt.
Grüner Wasserstoff ist eine umweltfreundliche Alternative zu fossilen Brennstoffen. Wir produzieren grünen Wasserstoff für verschiedene Märkte und tragen aktiv zur Dekarbonisierung bei.
Die Herausforderung
Der Weg
Klar ist: Möchte man dieses Ziel erreichen, sind alle Bereiche unseres Lebens betroffen. Es geht um die Art, wie wir leben, was wir essen, wie wir uns bewegen – wie viel Ressourcen wir verbrauchen. Auch woher wir Energie beziehen und wofür wir diese einsetzen.
Wir brauchen sektorenübergreifende Lösungen, also beispielsweise Lösungen, die den Stromsektor mit dem Wärmemarkt oder den Mobilitätsmarkt mit der Industrie intelligent vernetzen und auf diese Weise Synergieeffekte schaffen. Es geht also beim Beispiel der Mobilität nicht um die Frage «Batterie, Wasserstoff/Brennstoffzelle oder Wasserstoff/synthetische Treibstoffe» – sondern darum, welches die ideale, resiliente Einsatzkombination ist. Es wird viele Kombinationen und Lösungsmöglichkeiten geben müssen. Die Zukunft heisst daher Sektorenkopplung!
80 Prozent der Energiekosten sind Infrastrukturkosten
Hierbei gilt es, das Gesamtenergiesystem im Blick zu haben. Also nicht nur die jeweiligen Energiemengen, sondern auch die Anforderungen an die Produktions- und Verteilinfrastrukturen. Im Strommarkt beispielsweise machen die Infrastrukturausgaben rund 80 Prozent der Gesamtkosten des Gesamtsystems aus.
Bei der Energieproduktion aus Fotovoltaik oder Wind wird dies deutlich. Hier liegen die Kosten für Sonne und Wind bei 0 CHF. Wir benötigen aber PV-Module, Gleichrichter, Trafostationen, Batteriespeicher, den Netzanschluss und manchmal auch einen Betonturm und Rotorenblätter sowie das gesamte Stromnetz – um diese Energie nutzbar zu machen und zum Konsumenten zu bringen.
Dazu kommen notwendige Speicher, um wetterabhängig fluktuierende, erneuerbare Energien – also Wind und Sonne – auch über Wochen und Monate zu speichern. Für grosse Energiemengen im Terrawattbereich (1 Terrawatt = 1 Mrd. Kilowattstunden) spielen chemische Energieträger weltweit eine grosse Rolle.
Welt
Pariser Klimaabkommen: 1,5-Grad-Ziel und Klimaneutralität bis 2050
Bei der UN-Klimakonferenz in Paris (Frankreich) im Dezember 2015 einigten sich 197 Staaten auf ein neues, globales Klimaschutzabkommen. Das Abkommen trat am 4. November 2016 in Kraft, nachdem es von 55 Staaten, die mindestens 55 Prozent der globalen Treibhausgase emittieren, ratifiziert wurde.
Europa
Europa soll bis 2030 mindestens 55 Prozent der Treibhausgase im Vergleich zu 1990 einsparen und bis 2050 klimaneutral werden. Das EU-Klimagesetz legt diese Ziele erstmals gesetzlich fest.
Die Schweiz
Bis 2030 will die Schweiz ihre Emissionen halbieren, bis 2050 strebt der Bundesrat Netto-Null-Treibhausgas-Emissionen an. Um die Emissionen im Einklang mit diesen Zielen zu vermindern, braucht es die Ausschöpfung aller technischen Potenziale sowie die Schaffung von Rahmenbedingungen, die einen nachhaltigen Alltag ermöglichen.
Wasserstoff. Ein wichtiger Baustein im klimaneutralen Energiesystem.
Auf der Suche nach physikalischen und technischen Möglichkeiten zur Dekarbonisierung der verschiedenen Wirtschaftssektoren stösst man unweigerlich auf Wasserstoff.
Die Produktion von «grünem» Wasserstoff
Grüner Wasserstoff entsteht in Elektrolyseanlagen durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.
Bei diesem Prozess entsteht Abwärme. Der Wirkungsgrad von Elektrolyseuren liegt, bezogen auf die reine Wasserstoffproduktion, zwischen 60 und 70 Prozent. Kann die Abwärme ebenfalls voll genutzt werden, sind Gesamtwirkungsgrade von über 80 bis 90 Prozent (!) möglich. Wird für die Elektrolyse ausschliesslich Strom aus regenerativen Quellen eingesetzt, spricht man von grünem Wasserstoff, der damit zum praktisch CO2-freien und emissionsfreien Energieträger wird.
Wasserstoff wird jedoch auch über die sogenannte «Dampfreformation» durch die Zerlegung von Methan (CH4) gewonnen. Dies ist allerdings ein sehr CO2-intensiver Prozess, man spricht dann von «grauem» Wasserstoff. Dieser Ansatz wird von mrh2 nicht verfolgt.
Wasserstoff in der Anwendung
Wasserstoff hat grosses Potenzial bei der Anwendung als Energieträger. Gasförmiger Wasserstoff kann direkt als Energieträger, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, eingesetzt werden. Die Verbrennung ist dabei sehr sauber, es entstehen Wasserdampf und geringe Mengen Stickoxide (NOx). Hier werden Wirkungsgrade bis zu 40 Prozent erwartet, also vergleichbar mit heutigen Dieselmotoren.
Wasserstoff kann auch schadstofffrei in einer Brennstoffzelle umgesetzt werden. Als Abfallprodukt entsteht lediglich Wasserdampf. Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems liegt schon heute bei bis zu 80 Prozent.
Wasserstoff dient zudem als Grundstoff für sogenannte Synfuels, also synthetisch hergestellte Brenn- und Treibstoffe in Form von Kohlenstoffverbindungen. So kann aus Fotovoltaikanlagen zuerst Wasserstoff und im Anschluss durch die Anlagerung von Kohlenstoffketten synthetisch Kerosin hergestellt werden. Die spätere Verbrennung des synthetischen Kerosins setzt praktisch nicht mehr Kohlendioxid frei, als bei der Herstellung des Kerosins vorher der Umwelt entzogen wurde.
Wasserstoff als Speicher
Während Batterien und auch die schweizerischen Pumpspeicherkraftwerke bereits nach wenigen Stunden oder Tagen ihr Speichervolumen im Bereich von maximal 100 Stunden ausgespeichert haben, benötigen wir Ausspeicherzeiträume von mehreren Wochen, also im Bereich von > 1000 Stunden. Dafür können nur chemische Speichermedien eingesetzt werden: Methan und Wasserstoff.
Vor dem Hintergrund des Umbaus der Energieerzeugung hin zu erneuerbaren Energien ist das ein nicht zu unterschätzender Vorteil für Wasserstoff.
Der Umbau der Stromproduktion hin zu erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Sonne) stellt die Stromversorgung vor neue Herausforderungen. Diese Produktionsarten sind wetter- und jahresbedingt stark schwankend verfügbar. Diese täglichen und saisonalen Schwankungen führen dazu, dass wir unser Energiesystem «flexibler» gestalten müssen. D.h. wir benötigen mehr Flexibilität im Verbrauch von Energie (Strom dann verbrauchen, wenn die Sonne scheint) und mehr Speicher (Strom haben, wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind bläst). Das können keine Batterien – das kann nur Wasserstoff.
«Wasserstoff ist gleichermassen der physikalische Partner der erneuerbaren Energien. Und darum wird Wasserstoff eine wichtige Säule in jedem denkbaren resilienten Energiesystem der Zukunft sein.»
Für die Schweiz bedeutet dies: Je mehr wir unsere Stromproduktion auf klimaneutrale erneuerbare Stromproduktion aus Sonne und Wind ausrichten, desto mehr Speicher benötigen wir. Speicher, welche eine Stadt oder Region über drei bis vier Wochen versorgen können. Allein die Stadt Zürich hat einen jährlichen Stromverbrauch von rund drei Terrawattstunden. Wie wollen wir im Winter ohne leistungsfähige Speicher vier Wochen ohne Sonne und Wind überbrücken?
Wasserstoff und Infrastruktur
Klar ist: Wasserstoff benötigt eine neue Infrastruktur. Teilweise kann das Gasnetz hier eine Transport- und Speicherfunktion übernehmen, teilweise braucht es reine Wasserstoffnetze.
Eine Investition in solche Wasserstoff-Infrastrukturen erscheint sehr sinnvoll. Denn die Dekarbonisierung des Mobilitätssektors sowie des Wärmesektors und der Industrie benötigt Energiemengen, welche einem Vielfachen der heutigen Energiemengen aus dem Stromsektor entsprechen. Diese Energiemengen in Form von Elektrizität zu transportieren, ist fast unmöglich und mit immensen Kosten verbunden. Dies spürt man augenscheinlich derzeit (noch) nicht, auch dann nicht, wenn Stromnetze verstärkt werden, um Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge versorgen zu können. Die Mehrkosten werden über die Netzentgelte auf alle Verbraucher einfach umgelegt. Die Netzentgelte werden daher in den nächsten Jahren kontinuierlich steigen.
Derzeit fehlt die Kostentransparenz und somit auch der Anreiz, in effizientere Energie-Infrastrukturen wie Wasserstoffnetze zu investieren. Und genau da müssen wir etwas verändern.
Unser Ziel
Wasserstoffmärkte mit unterschiedlichem Potenzial
Man kann Märkte nach der Art der Kunden oder der Art der Anwendung klassifizieren. Eine alternative Sichtweise ist die Perspektive der Druckstufen im Wasserstoff und daraus abgeleitet die jeweilige Anwendung. Dies hilft, die eigentliche Marktstruktur zu erkennen.