Global gedacht: Produktion von grünem Wasserstoff in großem Stil möglich

Günstige Standorte für die Produktion von grünem Wasserstoff

 Wasserstoff muss keine Luftnummer werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) haben ermittelt, dass es mit der Perspektive 2050 weltweit ausreichend günstige Standorte für die Produktion von grünem Wasserstoff gibt. Ein Online-Tool bietet konkrete Informationen zu Produktionsbedingungen und Kosten für alle Länder im Vergleich.

Grüner Wasserstoff gilt als Lösung für viele offene Fragen der Energiewende. Allerdings bringt er selbst die grundlegende Frage mit sich, ob es überhaupt realistisch ist, entsprechende Mengen zu erzeugen. Hintergrund des Zweifels an einer Verfügbarkeit in großen Mengen, ist der hohe Energiebedarf eines Elektrolyseurs. Wird dieser mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, bedeutet dies, dass zunächst große Mengen von Sonnen- und Windstrom erzeugt werden müssen.

Ein Gruppe von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE hat weltweit 600 Standorte für Power-to-X (PtX) analysiert und kommt zu einer optimistischen Einschätzung. Die Analyse hat ergeben, das außerhalb Europas langfristig etwa 109.000 Terrawattstunden flüssiger grüner Wasserstoff produziert werden kann.

Energieeffizienz, Elektrifizierung mit grünem Wasserstoff kombinieren

Grundsätzlich gehen die Wissenschaftler davon aus, dass Strom auch künftig prioritär direkt genutzt werden sollte. Für Anwendungen, in denen das nicht möglich ist, kann Wasserstoff fossile Energieträger ersetzen.

Rechnet man die zur Verfügung stehenden Mengen nach dem heutigen Anteil an der Weltbevölkerung auf Deutschland herunter, stehen 770 Terawattstunden Wasserstoff zur Verfügung. »Das genügt, um den verbleibenden Brenn- und Kraftstoffbedarf zu decken – vorausgesetzt, Energieeffizienz und direkte Stromnutzung haben jederzeit absoluten Vorrang«, erläutert Norman Gerhardt, Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse, Fraunhofer IEE.

Unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitskriterien wie ausreichender Wasserverfügbarkeit und dem soziökonomischen Rahmen kommen viele Standorte für eine Wasserstofferzeugung in Betracht. Besonders günstige Standorte gibt es in den USA, Australien, Argentinien und Russland. Chile und Kanada weisen ebenfalls ein gutes Potenzial auf.

Auch näher an Europa gelegene Staaten wie Ägypten oder Libyen wären prinzipiell in der Lage, große PtX-Volumina zu liefern – und auch grünen gasförmigen Wasserstoff, da die Transportstrecken vergleichsweise kurz sind. In diesen Ländern seien die sozioökonomischen Bedingungen jedoch schlechter, so dass die Investitionsrisiken und damit die Finanzierungskosten höher wären.

Nachhaltigkeit für PtX-Standorte berücksichtigt

Untersucht wurde das Potenzial für Photovoltaik- und Onshore-Windanlagen in Kombination mit Elektrolyseuren und Transportmöglichkeiten für flüssigen Wasserstoff per Schiff. Ausgeschlossen wurden dabei Orte, an denen es zu Konflikten mit dem Naturschutz oder der Nahrungsmittelproduktion kommen könnte.

Der PtX-Atlas ist als interaktives online-Tool erschienen und steht kostenlos auf der Website des Projektes zur Verfügung. Die Arbeiten sind im Rahmen des Forschungsprojektes DeV-KopSys erfolgt, das durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit gefördert wurde. Der Überblick soll als Orientierung dienen, welche Regionen sich längerfristig zu Energieschwerpunkten entwickeln und über eine Energiepartnerschaft gefördert werden könnten.

Der PtX-Atlas ist ab dem 1. Juni 2021 online: https://devkopsys.de/ptx-atlas/

Bildnachweis: Fraunhofer IEE

 

Akzeptieren und mitmachen: Die Europäische Idee einer Energieversorgung durch Bürger

Selbstversorgung einer Wohnsiedlung in Amsterdam

Energiegemeinschaft Schoonship in Amsterdam / Bildquelle: Isabel Nabuurs http://www.isabelnabuurs.nl

Energy community – der Begriff klingt gut, die Bedeutung bleibt zunächst wage. Dahinter steht eine Vielzahl von Organisationsformen stehen, die sich derzeit etablieren und sehr unterschiedliche Mitglieder haben. Die EU sieht in solchen Gemeinschaften einen Weg, die Energiewende in der Gesellschaft zu verankern. Auf einer Online-Veranstaltung der österreichischen Initiative „Mission Innovation Austria“ wurde über die unterschiedlichen Ausprägungen in den EU-Mitgliedsstaaten diskutiert.

In den Anfängen wurde die Energiewende vom Mut und dem Engagement einzelner Individualisten und Gruppierungen getrieben, die sich persönlich stark eingebracht haben. Inzwischen ist der Klimaschutz im „Mainstream“ von Politik, Wirtschaft und Gesellschaft angekommen. Dabei hat der Transformationsprozess an Dynamik verloren. Im Gegenteil: Nun sind es oft die Anwohner, die gegen den Ausbau von erneuerbaren Energien protestieren. Restriktive Abstandsregelungen für Windkraftwerke und eine Mengenbeschränkung für Solaranlagen bremsen Investoren.

Energiewende für alle: Smarter Consumer, Smarter Kunde, Smarter Bürger

Sowohl im regulatorischen Rahmen als auch in den Anwohnerprotesten spiegelt sich das Grundproblem der Energiewende: Es fehlt an Akzeptanz für neue Infrastrukturprojekte. Damit wird deutlich, dass die Energiewende nicht gegen die Gesellschaft vorankommen kann. Nicht nur Unternehmen, auch Bürger und Wähler müssen den Transformationsprozess mittragen. Neudeutsch heißt das „smart“ werden.

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Viele Wege, ein Ziel: Weniger CO2-Emissionen

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Szenarien der Europäischen Kommission zur CO2-Reduktion

Wie lässt sich der Klimaschutz voranbringen? Kaum ein Thema wird derzeit gesellschaftlich so breit diskutiert. Dabei ist die Notwendigkeit, CO2-Emissionen maßgeblich zu reduzieren, allgemein anerkannt. Die zuständigen Institutionen auf europäischer und deutscher Ebene haben unterschiedliche Vorstellungen zu den Wegen und Zielen. Dem Umweltbundesamt (UBA) gehen die Vorschläge der EU-Kommission nicht weit genug. 

Die EU-Kommission hat mit ihrer Mitteilung vom 28.11.2018 ein Strategiepapier mit acht Szenerien bis 2050 vorgelegt. Das Umweltbundesamt hatte bereits 2018 dazu Stellung bezogen und nun den Kommissionsvorschlag analysiert. Auf nationaler Ebene sollen bis zum Jahresende die Strategien für Umsetzung des Abkommens von Paris erarbeitet sein.

Nach dem Sonderbericht des IPCC steigen die Risiken für Mensch und Natur bei einer globalen Erwärmung von 1,5° auf 2° Celsius drastisch an. Bisher ist die globale Durchschnittstemperatur bereits um etwa 1° Celsius gestiegen. Daher ist es für das UBA prioritär, die Anstrengungen noch vor 2030 deutlich zu erhöhen, um bis dahin eine Trendwende einzuleiten. Dabei sollte die Begrenzung der globalen Erwärmung auf 1,5° Celsius mit sozial, wirtschafts- und umweltverträglichen Maßnahmen in Einklang mit den Nachhaltigkeitszielen erfolgen.

Acht Szenarien zur CO2-Reduktion

Die Europäische Kommission hat in ihrer Kommunikation vom November 2018 acht Szenarien beschrieben, wie bis 2050 die CO2–Emissionen verringert werden können. Zwei Szenarien gehen von Null-Emissionen aus, die übrigen sechs Szenarien sehen eine Minderung von 80 bis 90 Prozent vor. Konkret betrachtet werden dabei der Weg einer Elektrifizierung, einer Wasserstoffwirtschaft, die Nutzung von Power-to-X, eine Steigerung der Energieeffizienz und eine Kreislaufwirtschaft. Das sechste Szenario sieht die Kombination dieser Maßnahmen vor und die Varianten sieben und acht betrachten zusätzlich den Einsatz von CCS und eine grundlegende Änderung des Lebensstils.

Umweltverträglichkeit wird unterschiedlich verstanden

Nicht alle, der in den Szenarien untersuchten Maßnahmen entsprechen dabei den Grundsätzen des UBA für Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit. So geht die Europäische Kommission zwar in allen Szenarien von einem Anteil von 81 bis 85% erneuerbare Energien an der Stromerzeugung aus, sieht aber auch einen Anteil von 12 bis 15 Prozent Kernenergie und etwa 20 GW Kapazität an Kohlekraftwerken. „Zentral für einen wirksamen Klimaschutz ist der Ausstieg aus der Kohleverstromung, wie ihn die sogenannte Kohlekommission vorgeschlagen hat . Auch Kernenergie ist kein Weg, um umweltbewusst das CO2-Ziel zu erreichen, “ erläutert Michael Angrick, Vizepräsident des UBA. Ebenfalls problematisch sei ein weiterer Ausbau von Biomasse aufgrund fehlender Flächen.

Auch über das Minderungsziel bis 2050 gehen die Meinungen auseinander. In einigen Szenarien der Europäischen Kommission wird eine Reduktion von 80 bis 90 Prozent angestrebt. Nach Einschätzung des UBA wir dies nicht ausreichen, um den Klimawandel aufzuhalten. „Wir brauchen ein Net-Zero-Ziel für 2050, um eine Klimaerwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken“, ist Angrick überzeugt. „Net-Zero bedeutet, dass zunächst alle vermeidbaren Emissionen reduziert werden. Für unvermeidbare Emissionen müssen Ausgleichsmaßnahmen geschaffen werden.

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Fraunhofer-Energiewende-Barometer 2019: Energiewende ist zu langsam

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Hans-Martin Henning, Leiter Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Clemens Hoffmann, Leiter Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) sowie Mario Ragwitz, stellvertretender Leiter Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung (ISI). (Bildquelle: Fraunhofer | Volker Beushausen)

Der Umbau des Energiesystems steht unter Beobachtung von drei Fraunhofer-Instituten. Den jährlichen Entwicklungsstand fassen die Wissenschaftler im Energiewende-Barometer zusammen. Für 2019 haben drei Professoren der Fraunhofer-Institute in Kassel, Karlsruhe und Freiburg Veröffentlichung der Ergebnisse mit einer Warnung verknüpft. Um die Klimaziele von Paris zu erreichen muss die Energiewende massiv vorangetrieben werden. Neben vermehrten Ausbau von Solar- und Windparks geht es vor allem darum, die Sektorenkopplung zu entwickeln.

„In die nächste Phase der Energiewende müssen die Sektoren Verkehr, Wärme und Industrie unbedingt einbezogen werden. Dazu brauchen wir den politischen Willen und gesellschaftliche Akzeptanz, um die in Paris gesetzten Klimaziele zu erreichen,“ so das gemeinsame Fazit von Clemens Hoffmann, Leiter Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE), Hans-Martin Henning, Leiter Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und Mario Ragwitz, stellvertretender Leiter Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung (ISI). Neben einem Ausbau einer CO2-freien Energieerzeugung bedeute dies eine Sanierung von Gebäuden, die Elektrifizierung der Wärmeerzeugung und der Mobilität sowie die Entwicklung CO2- emissionsfreier Industrieprozesse.

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Gebäude-Energiemanagement als zentraler Akteur im Smart Grid

Siemens-Kempten-31Wie wird das Smart Grid eigentlich smart? Für den Ausgleich von flexiblen Stromangebot und flexibler Stromnachfrage gibt es unterschiedliche Ideen: Zunächst war es die Waschmaschine, die sich nach der Stromproduktion aus Sonne und Wind richten sollte. Inzwischen wird das Flexibilitätspotenzial der Stromnachfrage bei der Steuerung bei Elektroautos, Wärmepumpen und Stromspeichern gesehen. Ausprobiert haben das die Unternehmen Siemens und Allgäuer Überlandwerk. Im Modellprojekt pebbles arbeiten sie gemeinsam daran, ein Smart Grid in der Realität aufzubauen und einen Lokalen Marktplatz zu erproben. Über die Erfahrungen aus Wilpoldsried berichten Michael Lucke, Allgäuer Überlandwerk und Stefan Nießen, Siemens im Gespräch mit der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft. 

Der Name pebbels steht für „Peer-to-Peer Energiehandel auf der Basis von Blockchain“. Ziel ist die Implementierung eines lokalen Marktplatzes, bei dem Erzeuger, Verbraucher und  Prosumer ihren Strom verkaufen und die Flexibilität ihrer Geräte vermarkten können. Das sei in Deutschland bisher noch nicht in der Praxis getestet worden, auch wenn die Idee dazu schon fast „Common sense“ sei, betont Nießen.

Die Stromanbieter sind Betreiber von kleineren Photovoltaikanlagen, die Konsumenten sind normale Verbraucher und auch intelligente Verbraucher mit Gebäudemanagementsystem, das den Strombedarf ihrer Wärmepumpe, des elektrischen Autos und die Stromspeicherung automatisch regelt. Auf dem Markt handeln diese Teilnehmer primär untereinander, können aber am Handel auf übergeordneten Märkten teilnehmen. Wichtigstes Ziel war zu zeigen, dass dies technisch einwandfrei funktioniert.

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Ein Index für Batteriespeicher

Wieviel Strom passt in eine Batterie? Die Stromspeicherung ist für viele Prosumer eine Black Box. Dabei wird die Kombination von Photovoltaik mit einem Batteriespeicher immer beliebter. Nach Einschätzung der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin (HTW) sind es bereits mehr als 100.000 Gebäudeanlagen.

Um die Vergleichbarkeit der Systeme zu verbessern hat die HTW einen Index entwickelt. In einem Beitrag der Zeitschrift EW – Magazin für die Energiewirtschaft 1/2019 wird erläutert, wie sich die Effizienz von Batterien einschätzen lässt.

Im Rahmen einer Stromspeicher-Inspektion hat die HTW mit Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt 2018 erstmals die Energieeffizienz von 20 Geräten überprüft. Nach Untersuchungen der Forschungsgruppe unter Leitung von Volker Quaschning bestehen dabei deutliche Unterschiede bei den Speichern, die für Verbraucher, Installateure und Energieberater nur schwer zu erkennen sind. Effizienzverluste treten insbesondere durch eine falsche Dimensionierung der Leistungselektronik, bei der Regelung oder der Energieumwandlung auf. Um die Ergebnisse aus Prüfberichten verbraucherfreundlicher darzustellen, hat die HTW die relevanten Verlustursachen in einer Kennzahl, dem sogenannten System Performance Index (SPI)zusammenfasst. 

Zudem stellten die Forscher fest, dass zwischen der Größe des Speichersystems und der Effizienz kein unmittelbarer Zusammenhang besteht. Hohe Umwandlungs- und Standby-Verluste von überdimensionierten Speichersystemen schmälerten den eigentlichen Nutzen der Stromspeicherung. Dagegen könnten kleine und effiziente Speichersysteme sogar eine geringere Stromrechnung am Jahresende ermöglichen. „Allein in den ersten zehn Jahren beträgt der finanzielle Vorteil eines hocheffizienten Speichersystems bis zu 1000 Euro“, berichtet Quaschning. Das Credo je größer die Speicherkapazität, um so größer die erzielbare Eigenversorgung sei dabei kein Naturgesetz.

Zur Bewertung von Speichersystemen für Wohngebäude formulierten die Wissenschaftler fünf Kriterien als Zeichen von Effizienz: 

  • Bei einer Ausgangsleistung von 1 kW deuten Umwandlungswirkungsgrade der Leistungselektronik oberhalb von 95% auf ein sehr gutes Teillastverhalten. 
  • Erstrebenswert sind mittlere Batteriewirkungsgrade von über 95%.
  • Die Standby-Leistungsaufnahme der PV-Speichersysteme sollte aufgrund der hohen Verweilzeit der Batteriespeicher im entladenen Zustand bei unter 5 W liegen.
  • Geringe stationäre Regelungsabweichungen von weniger als 5 W während des Lade- und Entladevorgangs lassen auf eine sehr genaue Systemregelung schließen.
  • Der Batteriespeicher sollte in weniger als 2 Sekunden nach einem Leistungssprung seine Leistungsaufnahme oder -abgabe anpassen.

Der vollständige Beitrag ist in EW 1/2019 erschienen. Informationen zur Untersuchung unter www.stromspeicher-inspektion.de