Gastransporte im Pipelinesystem: Erdgas oder Wasserstoff?

Ulrich Ronnacker, Leiter Recht und Regulierung, Open Grid Europe erläutert den Rechtsrahmen für Wasserstoffnetze

Ulrich Ronnacker: Wasserstoff ist ebenso ein Gas wie Erdgas Bildquelle: OGE

Wasserstoff soll ein zentrales Element der Energiewende werden. Aber wer darf diesen überhaupt liefern? Technisch ist der Betrieb von Wasserstoffnetzen durch die Gasnetzbetreiber erprobt, rechtlich bisher aber nicht vorgesehen. Fernleitungsnetzbetreiber wie das Unternehmen Open Grid Europe drängen darauf, ihr Geschäftsfeld erweitern zu dürfen.

Ulrich Ronnacker, Leiter Recht und Regulierung bei Open Grid Europe erläutert im Interview mit der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft, Ausgabe 1/2021 wie sich das deutsche Recht verändern muss, um für die Belieferung mit Wasserstoff eine Netzinfrastruktur aufzubauen. Diese könnte ähnlich dem heutigen Gasnetz Standorte in ganz Europa verbinden.

Wasserstoff aus erneuerbarem Strom – sogenannter grüner Wasserstoff – soll künftig eine CO2-freie Produktion von Gütern des täglichen Bedarfs ermöglichen. In der Chemie- und Stahlindustrie wird bereits mit dem Rohstoff und Energieträger geplant. Heute werden diese Unternehmen durch die Betreiber der Fernleitungsnetze mit Erdgas beliefert. Diese könnten künftig auch Wasserstoff durch ihre Leitungen schicken, wenn es dies die Rechtslage erlauben würde.

Sind Gasnetze automatisch Erdgasnetze?

Bisher ist im Energiewirtschaftsgesetz definiert, dass sich die Tätigkeit der Fernleitungsnetzbetreiber nur auf den Betrieb von Erdgasnetzen erstreckt, kritisiert Ronnacker. Vor gut zehn Jahren, als die entsprechende europäische Erdgasbinnenmarktrichtlinie in deutsches Recht umgesetzt wurde, sei das Thema Wasserstoff noch wenig präsent gewesen. Obwohl die EU vermerkt hatte, dass der Geltungsbereich auch andere Gase einschließe, wurde in der deutschen Formulierung durch die Vorsilbe „Erd“ die Anwendung in Deutschland stark eingeschränkt.

Aus alt mach neu: 450 km Wasserstoffnetz aus überwiegend vorhandenen Leitungen möglich

In der Hoffnung, dass sich die regulatorischen Vorgaben auch auf Wasserstoff erweitern lassen, haben die Fernleitungsnetzbetreiber bei der Bundesnetzagentur einen Vorschlag für ein Wasserstoffnetz im Jahr 2030 eingereicht: Nach dieser Modellierung könne schon Mitte des Jahrzehnts ein rund 450 km langes Wasserstoffnetz aufgebaut werden. Neu hinzu kämen dabei nur etwa 60 km Wasserstoff- sowie 19 km Erdgasleitungen, um einige Kunden umzuhängen. 90 Prozent des Wasserstoffnetzes könne durch eine Umstellung vorhandener Gasleitungen dargestellt werden.  Wenn der Begriff „Gas“ als Synonym für Erdgas und Wasserstoff verwendet würde, könnte die Bundesnetzagentur die Planungen der Fernleitungsnetzbetreiber für ein „Grünes Gasnetz 2030“ bestätigen.

Grüner Wasserstoff ist quasi eine andere molekulare Form von erneuerbarem Strom – mit dem Vorteil, dass nicht erst das Stromnetz ausgebaut werden müsse, erläutert Ronnacker. Dabei geht es nicht allein um die Versorgung der deutschen Produktionsstandorte. Ein europäischer oder sogar globaler Wasserstoffmarkt bedeute  langfristig wettbewerbsfähige Preise, auf die sich die Industrie einstellen könne.

Mischformen von Wasserstoff und Erdgas im Verteilnetz

Im Unterschied zu reinen Wasserstoffnetzen wird parallel über die Verwendung von Wasserstoff-Erdgas-Mischungen für den Wärmemarkt diskutiert.  Im Gasverteilnetz, das die Heizungsanlagen von Haushaltskunden versorgt, ist nach dem Regelwerk des Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) heute schon einen Wasserstoffanteil von bis zu 10 Prozent erlaubt. Viele Heizungsanlagen funktionieren sogar mit darüber hinausgehenden Wasserstoffanteilen, erläutert Ronnacker.

Ein solche  Wasserstoff-Beimischung für die an das Fernleitungsnetz angeschlossenen sei für Industriekunden hingegen nicht praktikabel. Industrieprozesse benötigten reine Gase, also entweder reinen Wasserstoff oder reines Erdgas, stellt Ronnacker klar. Zudem gebe es im europäischen Verbundsystem für den Gastransport einheitliche Standards für die Reinheit von Erdgas: Deutschland ist ein Transitland für die Lieferung von russischem Gas, das z.B. nach Frankreich, Italien und in die Niederlande fließt. Alle diese Abnehmer vertrauten auf eine gleichbleibende Qualität und eine hohe Versorgungssicherheit. Daher müsse das Fernleitung-Wasserstoffnetz technisch getrennt vom Erdgasnetz betrieben werden.

Machbarkeitsstudie für Modellprojekt  abgeschlossen

OGE hofft, dass sich die Rechtslage bald klärt. Im Projekt GET H2 Nukleus arbeitet das Unternehmen derzeit mit Partnern am Aufbau eines Teilbereiches des Wasserstoffnetzes von Lingen bis ins nördliche Ruhrgebiet. Bestehende Gasleitungen von OGE und Nowega werden auf den Transport von Wasserstoff umgestellt. Das Unternehmen RWE Generation beabsichtigt, über einen Elektrolyseur grünen Wasserstoff zu erzeugen. Kunden sind Evonik im Chemiepark Marl und die BP-Raffinerien in Lingen und Gelsenkirchen-Scholven. Der Zeitplan sieht vor, dass bereits 2023 der erste Wasserstoff durch die Leitungen fließen könnte. Eine Machbarkeitsstudie ist abgeschlossen und erste Ergebnisse der TÜV-Untersuchungen liegen vor.

Das komplette Interview mit Ulrich Ronnacker, Leiter Recht und Regulierung, Open Grid Europe, ist in der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft 1/2021 erschienen.

www.oge.net

 

Ehrgeizige Ziele und der Weg dorthin

Deutschland hat sich beim Klimaschutz ehrgeizige Ziele gesetzt. Das Wort „ehrgeizig“ signalisiert, dass der Weg dorthin einiger Anstrengung bedarf. In einer gemeinsamen Studie haben sechs Institute nun veranschaulicht, was diese Zielsetzung für Wirtschaft und Gesellschaft in den kommenden 30 Jahren bedeutet. Ein ausführlicher Bericht ist dazu in der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft 11-12/2020 erschienen. 

Indikatoren eines klimaneutralen Deutschlands

Das Szenario Klimaneutral 2050 gibt an, wie sich der Energieverbrauch verändern muss, um CO2-Emissionen zu vermeiden. Bildquelle: Agora Energiewende

Nach den Berechnungen der Studie „Klimaneutrales Deutschland” im Auftrag von Agora Energiewende, Agora Verkehrswende und der Stiftung Klimaneutralität und durchgeführt von Wuppertal Institut, Prognos und Öko-Institut wird Strom langfristig zum zentralen Energieträger in allen Sektoren.

Dadurch werde der Stromverbrauch deutlich steigen.  Die Berechnungen ergeben, dass der Bruttostromverbrauch bis 2030 von 592 Terawattstunden im Jahr 2018 auf 643 Terawattstunden steigen werde. Für das Jahr 2050 gibt die Studie einen Bruttostromverbrauch von 962 Terawattstunden an.

Anstieg des Stromverbrauchs bis 2050

Bis 2030 wird der Stromverbrauch deutlich steigen. Bildquelle: Agora Energiewende

Deutlich mehr Solar- und Windanlagen

Ziel der Szenarien ist der Aufbau eines auf erneuerbaren Energien basierenden Stromsystems, das im Jahr 2050 mindestens 50 Prozent mehr Strom produziert als heute. Dazu sind deutlich höhere Investitionen in die Stromerzeugung nötig als bisher:  So wird 2030 mit 150 GW dreimal soviel installierte Photovoltaik-Leistung benötigt, wie derzeit. Auch die Kapazität für Windanlagen an Land muss danach von derzeit 54 GW auf 80 GW bis 2030 zunehmen. Auf See werde ein Anlagenbestand von 25 GW benötigt. Derzeit sind 8 GW vorhanden.

Wasserstoff als Stromspeicher und für Industrieprozesse

Wasserstoff sollte vor allem für die Speicherung von erneuerbaren Energien und bei der Verstromung in Gaskraftwerken zum Einsatz kommen. Vorrangig sollte Strom direkt genutzt werden, um hohe Energieverluste durch eine Umwandlung zu vermeiden. Wasserstoff anstelle von Kokskohle und bis 2050 auch als Ersatz für Erdgas könne den CO2-Ausstoss der Industrie drastisch senken.

Elektrisch unterwegs auf Straße und Schiene

Auf der Straße soll Strom wichtigster Energieträger werden. Bis 2030 müssten nach den Berechnungen 14 Millionen elektrische Fahrzeuge unterwegs sein. Dabei sollte auch im LKW-Verkehr ein Drittel der Fahrleistung bis 2030 mit elektrischen Antrieben erbracht werden. Der Schienengüterverkehr wächst im Modell bis 2030 um 44 Prozent. Für 2050 gehen die Berechnungen davon aus, dass jeweils ein Drittel des Straßengüterverkehrs über Batterien, Oberleitungen und Brennstoffzellen angetrieben wird. Begleitende Maßnahmen sind eine Steigerung des Rad- und Fußverkehrs sowie Pooling-Konzepte für PKW.

Energetische Sanierung von Gebäuden und Stromheizung

Im Gebäudebereich wird in der Studie eine energetische Sanierung mit der Nutzung von Heizstrom bis 2050 kombiniert. Es ergibt sich eine um 50 Prozent höhere Sanierungsrate von rund 1,6 Prozent. Bereits 2030 solle danach in sechs Millionen Gebäuden mit Wärmepumpen geheizt werden. Der Verbrauch für Raumwärme und Warmwasser verringert sich nach den Berechnungen bis 2050 um 36 Prozent im Vergleich zu 2018.

Vermeidung von Methanemissionen in der Landwirtschaft

Der Landwirtschaftssektor soll bis 2030 Methanemissionen aus Gülle verringern und in Biogasanlagen vergären. Auch eine Verringerung der Tierbestände könne zur Reduktion von Treibhausgasen beitragen. Beim Anbau sollten Kulturarten mit geringerem Stickstoffbedarf gewählt werden. Methanemissionen aus der Abfall-Deponierung sollen durch Belüftung bis 2030 sinken.

Reform der Energiebesteuerung nötig

Um die Klimaziele zu erreichen, empfiehlt die Studie einen Mix aus marktbasierten Anreizen, Förderung und Ordnungsrecht. Dazu gehöre eine umfassende Reform von Steuern, Abgaben und Umlagen auf Energie. Die aktuellen Preisstrukturen förderten die Nutzung von Erdöl und Erdgas.

Ein ausführlicher Bericht ist dazu in der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft 11-12/2020 erschienen.

Hier die Links zu den an der Studie beteiligten Instituten:

www.agora-energiewende.de

www.agora-verkehrswende.de

www.stiftung-klima.de

www.oeko.de

www.prognos.com

www.wupperinst.com

 

Wie sieht eine klimaneutrale Wirtschaft aus? Forschungsprojekte zeigen erste Antworten

An staatlichem Geld fehlt es nicht, um die Corona-Krise zu überwinden und die Wirtschaft neu auszurichten. Gesucht sind Zukunftstechnologien, die kurzfristig nutzbar sind. Im Rahmen der zehnjährigen Forschungsinitiative „Kopernikus“ werden technisch erprobte Technologien für die Energiewende zur Marktfähigkeit weiterentwickelt. Nach vier Jahren Forschungszeit gibt es nun Zwischenergebnisse in den Teilprojekten „ENSURE“, „P2X“ und „SynErgie“.

Seit 2016 erforschen die vom Bundesforschungsministerium geförderten Kopernikus-Projekte, wie Deutschland bis zum Jahr 2050 seine CO2-Emissionen massiv reduzieren kann. Der Fokus liegt auf einer Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Kombination mit Wasserstoff sowie einem Umbau von Industrieprozessen und Stromnetzen.

Verbrennungsprozesse und chemisch Wertschöpfung basiert heute auf fossilen Ressourcen. (Bildquelle Kopernikus-Projekte)

Quelle: Kopernikus-Projekte

 

Derzeit ist Erdöl der zentrale Energieträger für Verbrennungsprozesse und gleichzeitig grundlegender Rohstoff für viele Produkte der Chemieindustrie. Wird diese Basis durch CO2-freie Quellen ersetzt, hat das Konsequenzen für die gesamte Wertschöpfungskette. Strom ist verfügbar, wenn Solar- und Windanlagen liefern. Industrieelle Prozesse müssen diese Fluktuation berücksichtigen oder mit dem Zwischenprodukt Wasserstoff planen. Denn durch die Umwandlung der erneuerbaren Energie in Wasserstoff, wird diese speicherbar, in großen Mengen transportierbar und auch als Grundstoff für Chemieprodukte verwendbar.

Vom Versuch zur Anwendung

Ziel der Kopernikus-Forschungsprojekte ist, Zukunftstechnologien aus dem Versuchsstadium zur Anwendungsreife zu bringen. Das Chemieunternehmen Covestro aus Leverkusen ist einer der beteiligten Partner aus der Industrie.

„Covestro hat perspektivisch vor, seine Produktionsanlagen weltweit auf die Nutzung von alternativen Rohstoffen und erneuerbaren Energien umzustellen. Dabei ist es wichtig, nachhaltige Technologien in die bisherigen Prozesse einzubringen. Im Rahmen der Kopernikus-Projekte forschen wir an der Nutzung von CO2 unter Einsatz von regenerativer Energie. Ein innovatives Produkt sind Polymethylen-Polymere, bei denen CO2 einer der Bestandteile ist,“ berichtet Klaus Schäfer, Mitglied des Vorstands bei Covestro.

Ein Beispiel für die Verwendung von Wasserstoff als Heizgas ist die Glasindustrie: „Wasserstoff bedeutet für die Glasindustrie nicht nur eine Reduktion von CO2-Emissionen, sondern bringt auch mehr Energieflexibilität:

„So ein Sprung in der Energieflexibilität wäre mit den bisherigen Technologien nicht mehr möglich, da die Verfahren bereits stark optimiert sind,“ erläutert Alexander Sauer, Professor an der Universität Stuttgart und Leiter des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

Auch die Elektrolyse ist ein Teil der Forschung: CO-Elektrolyse bezeichnet einen Prozess, bei dem CO2 zugeführt wird. Auf diese Weise entsteht eine Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) – sogenanntes Synthesegas.

„Synthesegas kann chemisch und auch biochemisch umgewandelt werden und zum Beispiel für die Produktion von längerkettigen Alkoholen für die Herstellung von Kosmetikprodukten genutzt werden. Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid ist dabei ganz entscheidend für die Anwendung“, erläutert Walter Leitner, Professor an der RWTH Aachen sowie Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion.

Zur Realisierung der Wertschöpfungskette von CO2, Wasser und erneuerbarer Energie kooperieren die Unternehmen Siemens, Evonik und Beiersdorf.

Ob Synthesegas oder Wasserstoff - beide Produkte ermöglichen erneuerbaren Strom auch in anderen Sektoren zu nutzen. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Aus Sonnen und Windenergie lässt sich über die Elektrolyse Wasserstoff produzieren. Der Energieträger ist gleichzeitig die Basis für Chemieprodukte. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

 

Flexibilität beim Strombedarf in der Industrie

In der Modellregion Augsburg erforscht das Teilprojekt SynErgie branchenübergreifend, wie sich energieintensive Produktionsprozesse an eine schwankende Stromversorgung anpassen können. Die Forschungsarbeiten haben sich auf ein Drittel des Strombedarfs im verarbeitenden Gewerbe Deutschlands konzentriert, was etwa 80 TWh pro Jahr entspricht. Als Potenzial für Flexibilität für den Zeitraum einer Minute wurden rund 4 GW Kapazität bei Lastverzicht und 2,7 GW bei einer Lasterhöhung ermittelt. Für eine Flexibilität von 15 Minuten ergaben sich 2,5 GW bei Lastverzicht und 1,1 GW bei Lasterhöhung.

Unterschiedliche Produktionsprozesse - ein Ziel: Flexibel auf die Einspeisung von Sonnen- und Windstrom reagieren. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

In unterschiedlichen Branchen wird danach geforscht, ob sich Produktionsprozesse an das Energieangebot anpassen lassen (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Durch den erheblichen Anteil der Industrie am gesamten Stromverbrauch in Deutschland entsteht eine große Hebelwirkung:

„Das sind durchaus relevante Größenordnungen. Die jährlich verschiebbare Energiemenge könnte etwa zwei Drittel der realisierten Erzeugung aus allen deutschen Pumpspeicherkraftwerken abdecken. Unser Ziel ist ein vernetzter automatisierter Prozess von der Windanlage bis zum fertigen Produkt,“ resümiert Sauer.

Der flexible Betrieb von industriellen Prozessen setzt eine entsprechende Informations- und Kommunikationstechnik voraus.

„Kein Produzent wird sich manuell mit der Flexibilisierung des Stromverbrauchs beschäftigen können. Energieflexibilität muss für den Betreiber unsichtbar sein. Bei Neuinvestitionen ist es wichtig, dieses Thema in die Anlage zu integrieren“, betont Sauer.

Ein Beispiel für einen energieflexiblen Betrieb ist die flexible Aluminiumelektrolyse beim Unternehmen TRIMET mit einem Flexibilisierungspotenzial von 22 MW. Eine andere Anwendung findet sich beim Unternehmen Linde:

„Bei Linde erproben wir eine flexible Luftzerlegung FlexASU mit rund 930 MW installierter Leistung in ganz Deutschland“, berichtet Sauer.

Dabei werde die Anlage so betrieben, dass sie möglichst zu Stromspitzen mit niedrigen Preisen produziert, andererseits aber auch runterfährt, wenn Energie im Stromnetz benötigt wird. Wie sich dieser wechselnde Anlagenbetrieb auf die Komponenten und Bauteile der Anlage auswirkt, ist Bestandteil weiterer Untersuchungen.

Andere Anforderungen an das Stromnetz

Das verbindende Element zwischen Erzeugung und Verbrauch ist das Stromnetz. Auch hier ist eine Anpassung an die neuen Vorgaben erforderlich. Das Kopernikus-Projekt ENSURE untersucht dazu die nötigen Energienetzstrukturen. Dabei werden verschiedene Szenarien zur Reduktion von CO2-Emissionen miteinander verglichen. In allen Varianten ist ein deutlicher Ausbau von Photovoltaik und Windkraft an Land nötig.

Stakeholder haben die Szenarien aus ihrer Sicht bewertet:

„Als gemeinsamer Nenner für eine erfolgreiche Energiewende ergab sich der Wunsch nach einer Beteiligung der Bürger an Infrastrukturprojekten sowie nach einer Reduzierung der Auswirkungen auf das Landschaftsbild“, berichtet Jochen Kreusel, Market Innovation Manager bei Hitachi ABB Power Grids und Professor an der RWTH Aachen.

Im Stromnetz werden künftig viele Prozesse autonomer ablaufen müssen. Das wird ebenfalls im Projekt ENSURE untersucht.

„Bisher funktioniert vorwiegend der Schutz des Netzes automatisiert. Um aber gestützte Entscheidungen durch Maschinen zu ermöglichen, sind neue Technologien und Betriebsmittel nötig“, so Kreusel.

Zudem gebe es mehr Gleichstromanwendungen wie Photovoltaik, Batteriespeicher und Elektromobilität. Die neuen Anwendungen kommen zusätzlich dazu und ergänzten die bisherigen Technologien.

Von einer vollständigen Autonomie sind heutige technische System noch weit entfernt. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

Autonomie von Maschinen ist ein mehrstufiger Prozesse. Üblich ist bisher die Übertragung von Teilaufgaben, der Mensch bleibt verantwortlich. (Bildquelle: Kopernikus-Projekte)

 

Numbering-up anstatt Skaling-up

Auf dem Weg vom erfolgreichen Modellversuch bis zur breiten Anwendung kommt es darauf an, wie die neuen Prozesse ausgerollt werden:

„Ein wichtiger Aspekt einer breiten Anwendbarkeit ist ein Numbering-up im Unterschied zu einem Skaling-up: Anlagen, die dezentral arbeiten und kleine Mengen an vielen Standorten produzieren, ermöglichen an bestimmten Standorten eine bessere Abstimmung mit erneuerbaren Energien als die bisherigen petrochemische Anwendungsketten“, so Leitner.

Ein Beispiel ist ein Modul, das die CO2-Gewinnung, die CO-Elektrolyse und die Anwendung eines Fischer-Tropsch-Prozess verbindet und E-Fuel produziert. E-Fuel kann in den gängigen Verbrennungsmotoren als Ersatz für Diesel, Benzin oder Kerosin verwendet werden. Das Besondere an der modularen Produktionsweise ist, dass die gesamte Wertschöpfungskette in einer Prozesseinheit abgebildet wird. Das Modul in Form eines Containers wurde von dem Unternehmen INERATEC gemeinsam mit Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt. Komponenten kommen von Climeworks und sunfire.

Kreislaufwirtschaft als Ziel

Eng mit dem Klimaschutz ist die Frage nach einer Kreislaufwirtschaft verbunden. Covestro will daher seine Produktion auf die Verwendung alternativer Rohstoffe umstellen:

„Wir wollen den Wandel zur Kreislaufwirtschaft beschleunigen. Neben alternativen Rohstoffen wie Altmaterialien, CO2 und Biomasse ist erneuerbare Energie nötig, um zu einer wirklich ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft zu gelangen,“ erläutert Schäfer.

Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bedingten sich dabei gegenseitig. Entscheidend für eine kommerzielle Nutzung seien allerdings geeignete Rahmenbedingungen.

Kommerzielle Nutzung braucht andere Rahmenbedingungen

Die Verfügbarkeit von günstiger Energie ist ein Schlüsselfaktor für den Einsatz von Wasserstoff. Ein Zwischenergebnis des Projektes SynErgie wie auch des Projektes P2X lautet, dass unter zu den aktuellen Marktbedingungen, die technischen Möglichkeiten nicht genutzt werden.

„Zentrale Voraussetzung für eine Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft ist eine Reduzierung der Stromkosten. Steuern, Abgaben, Umlagen – kurz STAU – verhindern den Einsatz der Technologie,“ betont Felix Matthes, Forschungskoordinator Energie- und Klimapolitik am Öko-Institut.

„Das bisherige Marktsystem unterstützt die Bereitstellung von Flexibilität nicht optimal“, resümiert auch Sauer. Die Initiative fordert daher die Abschaffung von Regulierungshemmnissen für die Flexibilität sowie die Möglichkeit, Flexibilität unabhängig von der Größe, Energieintensität und negativen Effekten auf die Netzentgelte bereitstellen zu können. Zudem müssten Anreize gesetzt werden, um den Stromverbrauch zu passenden Zeitpunkten zu erhöhen oder zu reduzieren.

Klimaneutralität geht nur mit Wasserstoff

Die Vielzahl der untersuchten Aspekte zeigt, wie komplex und anspruchsvoll das ehrgeizige Ziel einer vollständigen CO2-Neutralität ist. Zumal die Klimaziele seit Beginn der Forschung verschärft wurden. Zunächst sah die Klimapolitik bis 2050 eine CO2-Reduktion von 80 Prozent vor.

„Inzwischen wurde das Ziel einer Klimaneutralität bis 2050 verabschiedet. Die nötigen Maßnahmen gehen über die leicht zu erreichenden Low Hanging Fruits hinaus. Das bedeutet, dass jede Möglichkeit der CO2-Reduktion benötigt wird und die Emissionen bereits bis 2030 deutlich sinken müssen. Damit brauchen wir auch sehr bald ein wasserstoffbasiertes Element in der Volkswirtschaft,“ erläutert Matthes.

Deutschland bleibt von Energieimporten abhängig

Die innovative Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft und der massive Ausbau von erneuerbaren Energien wird allerdings wenig daran ändern können, dass Deutschland ein energiearmes Land ist. Denn die Bedingungen für die Produktion von Strom aus Solar- und Wind sind in anderen Teilen der Welt deutlich günstiger. Allerdings verändert Wasserstoff die Importmöglichkeiten von erneuerbaren Energien. Wasserstoff lässt sich im Gegensatz zu Strom über weite Strecken importieren. Dazu kann ein Pipelinesystem oder bei verflüssigter Form der Seeweg genutzt werden.

 

 

Über die Kopernikus-Projekte

In den Kopernikus-Projekten arbeiten mehr als 240 Partner aus Wissenschaft, Industrie und Zivilgesellschaft zusammen. Teilbereiche sind:

Das Projekt ENSURE entwickelt das Stromnetz der Zukunft: https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/ensure

Das Projekt P2X erforscht die Umwandlung von CO2, Wasser und erneuerbarem Strom in Gase, Kraftstoffe, Chemikalien und Kunststoffe: https://www.kopernikus-projekte.de/projekte/p2x

Das Projekt SynErgie untersucht, wie energieintensive Industrieprozesse flexibilisiert und so an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien angepasst werden können: https://www.kopernikus-projekte.de/synergie

 

 

Mal was Neues ausprobieren? Finanzierung der Energiewende aus Steuermitteln

Keine Abgabe für erneuerbare Energien mehr auf der Stromrechnung? In Zeiten von Pandemie und Wirtschaftskrise schaffen es auch ungewöhnliche Vorschläge in die Debatte. Denn die letzten Monaten haben gezeigt, wie schnell sich ein etablierter Rahmen ändern lässt. In diesem Sinne sprechen sich das Finanzwissenschaftlichen Forschungsinstitut der Uni Köln (FiFo), die Stiftung Umweltenergierecht und Deutsche Energieagentur (dena) gemeinsam dafür aus, den Ausbau der erneuerbaren Energien aus dem Bundeshaushalt zu finanzieren und die Umlage auf null zu senken.

Varianten zur Finanzierung von Erneuerbaren

Alternativen zum EEG: Finanzierung über Stromsteuer und CO2-Bepreisung Quelle: dena

Nach einer Kurzstudie von FiFo, Dena und Stiftung Umweltenergierecht gibt es zur Finanzierung der erneuerbaren Energien effizientere Alternativen als das derzeitige Umlagesystem. Eine Kombination von Stromsteuer und Einnahmen aus dem Brennstoffemissionshandelsgesetz (BEHG) könnte nach den Berechnungen den administrativen Aufwand verringern. Diese Auszahlungen an die Betreiber von geförderten Anlagen würden unverändert beibehalten.

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Nachhaltigkeit von Wasserstoff: Die „Farbe“ macht den Unterschied

Prof. Dr. Clemens Hoffmann empfiehlt Wasserstoff dort einzusetzen, wo es keine wirtschaftlichen Alternativen gibt.

Prof. Dr. Clemens Hoffmann hat mit seinem Team in einer Studie den Einsatz von Wasserstoff im künftigen Energiesystem untersucht. Bildquelle: Fraunhofer IEE / Volker Beushausen

Das eigentlich farblose Gas Wasserstoff wandelt sich in der Debatte um ein Energiesystem der Zukunft wie ein Chamäleon. Mit der Anlehnung an eine Farbenlehre soll deutlich werden, dass Wasserstoff sehr unterschiedlich erzeugt werden kann. Denn das ist entscheidend für die CO2-Bilanz und die sinnvolle Nutzung als Energieträger. In einer Studie hat das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) die Effizienz der verschiedenen Herstellungsformen und Anwendungsbereiche verglichen.

Wasserstoff gilt als universelle Energielösung der Zukunft. Allein aus Anwendersicht hat Wasserstoff viele Vorteile. Er ist stofflich vielseitig verwendbar und verbrennt als Energieträger ohne CO2-Emissionen. Dabei wird allerdings außer Acht gelassen, dass Wasserstoff nicht natürlich vorkommt, sondern mit hohem Energieeinsatz produziert werden muss. Ein Forscherteam unter Leitung von Professor Clemens Hoffmann hat nun die Anwendung von Wasserstoff unter Effizienzkriterien untersucht. Die Studie entstand im Auftrag des Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW).

Die Wasserstofftechnologie ist bereits seit langem erprobt, hat sich aber aufgrund der Wirkungsgradverluste, die beim Umwandeln auftreten, bisher nicht in großem Stil durchgesetzt. Erst mit dem massiven Bedarf an CO2-freier Verbrennung kommen die Vorteile von Wasserstoff zum Tragen. Auch die Bundesregierung sieht im Wasserstoff ein strategisches Element für die weiteren Schritte der Energiewende.

Der bisher verwendete Wasserstoff ist überwiegend fossilen Ursprungs. Im Zuge der Dekarbonisierung haben sich weitere Verfahren entwickelt. Die Methoden zur Herstellung von Wasserstoff reichen vom Betrieb eines Elektrolyseurs mit Strom aus erneuerbaren Energien oder Kernenergie, durch Umwandlung von Erdgas oder Biogas mit Abspaltung und Einlagerung des CO2. Um die Unterschiede in der Herstellung von Wasserstoff deutlich zu machen, wird dem Endprodukt symbolisch eine Farbe zugeordnet.

Für die Beschreibung von Wasserstoff werden unterschiedliche Farben verwendet.

Um die Nachhaltigkeit von Wasserstoff zu verdeutlichen, werden die verschiedenen Verfahren durch Farben klassifiziert. Bildquelle: Fraunhofer IEE

 

Grüner Wasserstoff als Speicher für Stromüberschüsse

Sogenannter grüner Wasserstoff wird aus Stromüberschüssen aus Sonnen- und Windenergie über einen Elektrolyseur erzeugt. Der hohe Energiebedarf bei der Herstellung wird dadurch gerechtfertigt, dass die eingesetzte Energie in Zeiten von Erzeugungsspitzen, nicht anders verwendet und auf diese Weise gespeichert werden kann. Durch die Erzeugung von Wasserstoff wird erneuerbarer Strom quasi in die Welt der Moleküle überführt.

Beim grünen Wasserstoff wird zudem noch unterschieden, ob dieser über Elektrolyse aus Stromüberschüssen aus PV- und Windanlagen hergestellt wird oder aus Biomethan oder anderen biologischen Prozessen gewonnen wird. Bei Biomethan wird das CO2 abgespalten und muss über Carbon Capture and Storage (CCS) eingespeichert werden. Dies wäre auch für schwarzen Wasserstoff, der aus der Vergasung von Kohle und Öl gewonnen werden kann, der Fall.

Grauer Wasserstoff wird aus Erdgas hergestellt, ohne dass das CO2 über CCS entsorgt wird. Weitere Klassifizierungen sind pinker Wasserstoff, der über Elektrolyse aus Kernenergiestrom und türkiser Wasserstoff, der über Methanpyrolyse aus Erdgas erzeugt wird.

Als weißen Wasserstoff werden natürliche geologische Wasserstoffvorkommen bezeichnet. Diese sind als freies Gas, als Einschlüsse in Felsformationen sowie als gelöstes Gas im Grundwasser bekannt. Die grundsätzliche technische und wirtschaftliche Nutzbarkeit dieser Vorkommen werden erst in Forschungsprojekten untersucht.

Nach Einschätzung von Fraunhofer IEE sollte künftig ausschließlich regenerativ erzeugter Wasserstoff eingesetzt werden. Die technische- und wirtschaftliche Reife für die Bereitstellung von CO2- freiem »grünem« Wasserstoff für industrielle Prozesse und Mobilität ist nach den Ergebnissen der Studie hoch. Um auf die in Deutschland benötigten Mengen zu kommen, müsste ein erheblicher Teil importiert werden. Die Hoffungen richten sich hier auf mögliche Produktionsanlagen in Nordafrika. Allerdings würde Deutschland dann in Konkurrenz zu anderen Importländern stehen. Daher sollte mit dieser kostbaren Ressource sparsam umgegangen werden.

Blauer Wasserstoff aus Erdgas

Beim CO2-armen »blauen« Wasserstoff sei derzeit unklar, ob Herstellung und Transport es zulassen, dass er überhaupt wirtschaftlicher sein kann, als der elektrolytisch hergestellte grüne Wasserstoff. Zudem ist die Speicherung des abgespaltenen CO2 im Boden umstritten. „Eine Erzeugung hochkonzentrierten Kohlendioxids in Mengen von Milliarden von Kubikmetern pro Jahr wirft ähnlich wie bei der Kernenergie die Frage nach Gefahr eines größten anzunehmenden Unfalls auf. Diese Fragen werden bisher noch gar nicht erörtert“, gibt Hoffmann zu bedenken.

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird oft argumentiert zunächst mit „blauem“ Wasserstoff aus Erdgas ein System aufzubauen, bevor Wasserstoff aus erneuerbaren Energien in großem Maßstab zur Verfügung steht. Die Fraunhofer Studie empfiehlt hingegen, die möglichen Anwendungen von Wasserstoff kritisch zu hinterfragen und Alternativen der Dekarbonisierung einzubeziehen. Insbesondere für den Wärmemarkt empfehlen die Wissenschaftler anstelle der bisherigen Gasheizungen Wärmepumpen einzusetzen.

Ranking der Wasserstoffanwendungen

„Wasserstoff sollte vor allem dort Anwendung finden, wo keine alternativen Energieträger zur Verfügung stehen“, so Hoffmann. Als Einsatzkriterium schlagen die Wissenschaftler ein Ranking nach der Effizienz vor. Vorteilhaft sei der Einsatz vom Wasserstoff in der Industrie bei der Herstellung von Ammoniak, Methanol und Stahl. Außerdem sehen die Forscher eine sinnvolle Anwendung in Kraftwerken zur Stromerzeugung, wenn erneuerbare Energien nicht zur Verfügung stehen. Notwendig sei der Einsatz von Wasserstoff in der Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen im internationalen Verkehr oder von Rohstoffen wie Ethylen.

Unterschiedliche Anwendungen für Wasserstoff

Wasserstoff sollte möglichst dort eingesetzt werden, wo wenig Alternativen zur Verfügung stehen. Bildquelle: Fraunhofer IEE

Zu den voraussichtlich 2050 benötigten Wasserstoffmengen gibt es verschiedene Studien, die zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Die Szenarien des Fraunhofer IEE aus dem Energiewende-Barometer gehen von 566 TWh aus. Darin enthalten ist ein Bedarf von 192 TWh für die direkte Nutzung in Verkehr, Industrie und Kraftwerken. Für den internationalen Verkehr im Jahr 2050 und den nichtenergetischen Verbrauch ermittelten die Forscher 306 TWh sowie einen Restbedarf von 68 TWh. Damit liegt die Autoren eher im unteren Bereich der Abschätzungen. Andere Szenarien mit einem hohen Anteil von chemischen Energieträgern erwarten bis zu 220 TWh für den Straßenverkehr, ein Drittel davon für den Schwerlastverkehr.

Alternativen für den Wärmemarkt

Als weitere Anwendung ist der Wärmemarkt in der Diskussion. Hier könnte in den Privathaushalten künftig Wasserstoff anstelle von Erdgas verbrannt werden. Diese Anwendung halten die Wissenschaftler des IEE aber für wenig sinnvoll. Das Heizen von Wohngebäuden könne wesentlich effizienter über Wärmepumpen umgesetzt werden: „Eine Umwidmung des heutigen Anteils von 50 Prozent Erdgas an der Gebäudewärme würde einen zusätzlichen Bedarf von 250 TWh thermischer Nutzung des Wasserstoffs zur Deckung des Wärmebedarfs in Gebäuden bedeuten. Der Wärmesektor würde also zu einer Erhöhung des zukünftigen deutschen Wasserstoffbedarfs um 25 bis 40 Prozen führen“, so Hoffmann.

Die Forscher begründen ihre Empfehlung vor allem damit, dass bei der Herstellung von Wasserstoff die Wirkungsgradverluste erheblich sind, während bei der Wärmpumpe ein Hebel dafür sorge, dass mehr Energie in Form von Wärme oder Kälte zur Verfügung stehe als in Form von Strom eingesetzt werde.

Der Transport von Wasserstoff kann über Pipelines oder Tanker erfolgen. Das gut ausgebaute Erdgasnetz in Europa könnte dazu in Teilen für den Wasserstofftransport umgerüstet werden. In dem von Fraunhofer vorgeschlagenen Szenario würden zudem auf der Verteilnetzebene deutlich weniger Leitungen benötigt, da die Wohngebäude über Wärmepumpen beheizt würden.

 

http://www.iee.fraunhofer.de

Link zur Studie: https://www.iee.fraunhofer.de/content/dam/iee/energiesystemtechnik/de/Dokumente/Studien-Reports/FraunhoferIEE_Kurzstudie_H2_Gebaeudewaerme_Final_20200529.pdf

 

 

Elektrofahrzeuge als Stromspeicher

Stromüberschüsse zum Fahren nutzen

Jorgen Pluym, Honda Motor Europe: Die Technik für netzdienliches Laden ist da. Bildquelle: Honda

Während der Parkdauer können elektrische Autos an das Stromnetz angeschlossen werden und Erzeugungsüberschüsse aus erneuerbaren Energien speichern. Technisch ist sogar umgekehrt möglich, dass die Batterie Strom ins Netz liefert. Hierzu läuft in Großbritannien ein gemeinsamer Modellversuch von Honda und dem Aggregator Moixa. Im Interview mit der Zeitschrift „EW – Magazin für die Energiewirtschaft“ erläutert Jorgen Pluym, Energy Management Project Leader, Honda Motor Europe, welche Perspektiven er für eine Markteinführung sieht.

Das Unternehmen Honda bietet seinen Kunden einen flexiblen Tarif zum Laden von Elektrofahrzeugen an, der Erzeugungsspitzen von erneuerbaren Energien berücksichtigt. Perspektivisch sollen weitere Dienstleistungen wie bidirektionales Laden hinzukommen. Unter dem Namen e:Progress bietet Honda einen ergänzenden Service für Kunden von Elektrofahrzeugen an. Dazu gehöre die Auswahl, Installation der Ladestation und ein flexibler Tarif, der den fluktuierenden Verlauf der Stromerzeugung aus Sonnen- und Windenergie berücksichtige, erläutert Pluym.

Variabler Stromtarif spiegelt Erzeugung durch Sonne und Wind

Der variable Stromtarif für die E-Fahrzeug-Kunden wird von den drei Partnern Honda, Moixa und Vattenfall gemeinsam bereitgestellt. Honda verkauft die Ladestation an den Kunden. Diese kann über das Internet oder das Mobilfunknetz kommunizieren. Der Aggregator Moixa steuert den Ladevorgang über eine Cloud und berücksichtigt sowohl die Informationen zum Stromangebot als auch das Ladeverhalten des Kunden. Vattenfall bietet einen Tarif, der sich nach den Preisveränderungen an den Großhandelsmärkten richtet. Ziel ist es, dass das Auto ausreichend Energie hat, wenn der Kunde es benötigt und genau dann lädt, wenn viel billige Energie im Netz ist, weil die erneuerbaren Energien große Mengen einspeisen.

Modellversuch in London: Autos liefern Strom ins Netz

In London betreibt Honda zudem einen Modellversuch, bei dem die Autos außerdem auch entladen werden, wenn mehr Strom im Netz benötigt als aktuell erzeugt wird. Geplant seien auch Demonstrationsprojekte in Deutschland, berichtet Pluym. Allerdings hänge dies von den regulatorischen Rahmenbedingungen ab. In Deutschland müsse jedes einzelne Gerät durch die Übertragungsnetzbetreiber präqualifiziert werden. Außerdem seien für den Ladevorgang Umsatzsteuer und weitere staatliche Abgaben zu zahlen. Das mache das Angebot schwierig.

In Deutschland sind noch einige Hürden zu nehmen

Bisher werde in Deutschland die Flexibilität in den Märkten von den Übertragungsnetzbetreibern bereit gestellt. Aber mit einem steigenden Anteil von erneuerbaren Energie erwartet Honda, dass die Verteilnetzbetreiber ebenfalls Möglichkeiten entwickeln, um das Netz zu stützen. Dann seien Gesetzesänderungen und Standards in Deutschland nötig, um einen variablen Tarif bundesweit anbieten zu können. Ein kleines Problem sei auch, dass es 900 Verteilnetzbetreiber in Deutschland gebe. In Frankreich gebe es einen, in Großbritannien sechs, in den Niederlanden vier.

Honda ist überzeugt, dass sich der Markt verändern wird. Derzeit werde viel erneuerbare Erzeugung abgeregelt, die eigentlich genutzt werden könnte. Wir akzeptieren daher auch noch geringe Margen, denn wir wollen da sein, wenn die Veränderungen kommen, so Pluym. In Großbritannien seien die Fluktuationen deutlich stärker ausgeprägt.

Das vollständige Interview ist in EW 5/2020 erschienen.

Bildquelle: Honda

https://www.honda.de/cars.html

Zum  Zusammenspiel von Verteilnetz- und Übertragungsnetz: Datenaustausch und Stabilisierung im Verteilnetz