Klimaschutz auf der Straße: Anderer Brennstoff oder andere Mobilität?

Im Straßenverkehr entsteht viel CO2. Um das Fahren künftig klimafreundlicher zu gestalten, werden E-Fahrzeuge und Kraftstoffe auf Basis von grünem Wasserstoff entwickelt. Ob es damit aber möglich ist, die bisherigen Verbrennungsprozesse zu ersetzen, ist aus verschiedenen Gründen noch offen. Vielleicht muss sich auch die Mobilität insgesamt ändern. Im Forschungsprojekt Kopernikus entwickeln Wissenschaftler daher gemeinsam mit Bürgern und Unternehmen verschiedene Wege zu mehr Klimaschutz im Straßenverkehr.

Das Projekt Kopernikus wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und bearbeitet mit seinen vier Teilprojekten Ariadne, Ensure, P2X und Synergie unterschiedliche Schwerpunkte der Energiewende. Für den Verkehrssektor untersuchen die Forscher, welche Antriebsenergien es gibt und wie eine Verkehrsinfrastruktur aussehen könnte.

Mineralöl hat den größten Anteil am Primärenergieverbrauch

Deutschland importiert rund 70 des Primärenergiebedarfs. Davon ist etwa ein Drittel Mineralöl, das zu zwei Dritteln im Verkehrssektor landet und etwa 20 Prozent der deutschen Treibhausgasemissionen verursacht. Mit der heutigen Struktur des Energieverbrauch wird es nicht ausreichen, allein den Stromsektor klimaneutral zu gestalten. Auch der Verkehrssektor muss seine Verbrennungsprozesse verändern, um die Klimaziele zu erreichen.

Antriebswende: Autofahren ohne CO2

Um Emissionen im Straßenverkehr künftig zu vermeiden, wäre ein Weg, CO2-freie Energiequellen für die Mobilität zu nutzen. So geht das in den Teilprojekten ENSURE und P2X untersuchte Konzept einer Antriebswende davon aus, dass Fahrzeuge vermehrt mit grünem Strom und alternativen Kraftstoffen fahren. Allerdings wäre der Strombedarf für die heute geleisteten Fahrstrecken erheblich.

Stephan Rupp, stellvertretender Teilprojektleiter im Kopernikus-Projekt ENSURE und zuständig für die Geschäftsentwicklung Leistungselektronik bei der Maschinenfabrik Reinhausen macht die Dimension einer Elektrifizierung der Mobilität deutlich: „Das Stromnetz transportiert 600 Terawattstunden. Der Straßenverkehr hat einen Energiebedarf von 700 Terawattstunden, dieser ist also insgesamt größer als die gesamte Stromproduktion.“

Ob wirklich soviel Strom gebraucht wird hängt auch davon ab, welche Art der Motoren verwendet werden. Denn die Effizienz der verschiedenen Antriebssysteme ist sehr unterschiedlich. E-Fuels entsprechen im Prinzip den heutigen Kraftstoffen, werden aber nicht aus Erdöl, sondern aus grünem Wasserstoff hergestellt. Damit könnten vorhandene Motoren CO2-neutral werden.

Strom oder E-Fuels?

Wenn es darum geht, die Energie auf die Straße zu bringen, macht es einen Unterschied, ob die Fahrzeuge mit Strom oder mit E-Fuels fahren: „Ein batteriegetriebenes Fahrzeug wandelt annähernd die komplette elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Ein Verbrennungsmotor, der mit E-Fuel befeuert wird, produziert überwiegend Wärme und nur zu ¼ Bewegungsenergie“, erläutert Rupp.

Bei einer kompletten Umstellung des heutigen Straßenverkehrs auf E-Fuels würden dann mit 700 TWh deutlich mehr Primärenergie in Form von Strom benötigt, als heute durch das Netz fließt. Bei einer direkten Nutzung von Strom kämen die Fahrzeuge hingegen mit rund 250 TWh Strom aus, hat Rupp errechnet. Gemessen an dem gegenwärtigen Strombedarf wären das etwa 50% mehr. Bei einem nächtlichen Ladevorgang wäre der Stromtransport auch mit der vorhanden Netzinfrastruktur zu schaffen.

Bisher ist unklar, wie die entsprechenden grünen Strommengen erzeugt werden können. Beim weiteren Ausbau von Solar- und Windanlagen zeichnet sich ab, dass die Flächen knapp werden. Aber auch bei den E-Fuels ist noch nicht absehbar, wie diese in großem Stil produziert werden. Grüner Wasserstoff oder daraus gewonnene synthetische Kraftstoffe existieren bisher in Konzepten und Modellversuchen, aber nicht als Wirtschaftszweig.

Verkehrswende: Mobilität mit anderen Mitteln

Die Betrachtung der Antriebsenergie ist allerdings nur ein Weg, um CO2 im Verkehrssektor zu vermeiden. Ein alternativer Ansatz einer Verkehrswende konzentriert sich auf eine Mobilitätswende im Sinne von Verhaltensänderungen. Im Teilprojekt Ariadne wird untersucht, ob die Bevölkerung bereit wäre, mit dem Fahrrad oder dem öffentlichen Personennahverkehr anstelle vom Auto zu fahren und wie der richtige Rahmen dafür aussehen könnte.

Die Wissenschaftler befragen dazu jährlich 6.800 Menschen in Deutschland, um Anliegen und Bewertungen der Bürger zur Strom- und Verkehrswende einzufangen. Fast 80 Prozent der Teilnehmenden sehen die Transformation als Gemeinschaftsaufgabe, bei der jeder Mensch einen Beitrag zum Gelingen leisten sollte. Mehr als die Hälfte der Menschen beschreibt die Umsetzung der Energiewende jedoch als teuer oder bürgerfern und wünscht sich mehr Tempo.

Bildquelle: Ariadne

Außerdem diskutierten rund 90 zufällig ausgewählte Bürger bei digitalen Treffen, was ihnen bei einer Verkehrswende wichtig ist. Ein Ergebnis: Die Bürger empfinden die Notwendigkeit einer Verkehrswende. Ihre eigene Möglichkeiten daran teilzunehmen, erleben sie aber als sehr begrenzt, vor allem wegen der bestehenden Infrastruktur. Dazu gehört sowohl die Situation von Straßen und Radwegen vor Ort als auch die persönliche Situation im Sinne eines „Ich würde ja anders wollen, wenn ich nur könnte“.

Wenn die Infrastruktur da ist – wird sie genutzt

Die Infrastruktur ist damit ein wichtiger Ansatzpunkt, um den Straßenverkehr zu gestalten: „Wenn wir Straßen bauen, fahren die Menschen mehr Auto. Doch wenn wir Radwege bauen, dann fahren sie auch mehr Fahrrad. Das Gefühl der Leute, dass die Infrastruktur ihr Handeln beeinflusst, ist durch Daten belegbar. Zudem ist es belegbar, dass Menschen schnell bereit sind, ihr Transportmittel zu wechseln,“ erläutert Arwen Colell, Politik-Analystin des Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change (MCC Berlin), die Ergebnisse des Kopernikus-Projekts Ariadne.

Andererseits zeigt sich in den Befragungen auch ein klarer Wunsch nach einer Verkehrswende ohne Verhaltensänderung. Florian Koller, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und ebenfalls für das Kopernikus-Projekt tätig, verweist auf die Trägheit des Verhaltens: „Das Mobilitätsverhalten ist sehr routiniert. Selbst wenn die Einstellung stimmt und das Umweltbewusstsein da ist, bedeutet das nicht, dass die Menschen ohne geänderte Rahmenbedingungen auch ihr Verhalten ändern. “

Insofern steht Koller einer Mobilitätswende eher skeptisch gegenüber: „Wir sehen in den in Ariadne genutzten Modellen, dass die direkte Elektrifizierung im Verkehrssektor für den Zeitraum bis 2030 das größte Potenzial für CO2-Einsparung hat. Danach ergeben sich Potenziale auch für die indirekte Elektrifizierung, z.B. durch Wasserstoff.“

Deutlich wurde in den Untersuchungen auch, dass das Auto des Deutschen liebstes Kind ist. Es steht für Freiheit und Mobilität. Aber auch das Gegenteil ist richtig: Nach einer aktuellen Umfrage erleben viel Befragte gerade den Verzicht auf das Auto als ein Gewinn von Freiheit. Auch darin könnte eine Chance für eine Mobilitätswende liegen.

Unabhängig von mehr Klimaschutz haben die Bürger Hoffnungen, dass eine Verkehrswende ihre Lebensqualität verbessert. Die Erwartungen richten sich auf weniger Lärm, bessere Luft und kürzere Wege durch kompaktere Siedlungsstrukturen. Zudem wünschen sich viele Bürger einen besseren öffentlichen Nahverkehr, eine Fahrradinfrastruktur sowie die Möglichkeit zum Carsharing.

Die Ergebnisse des „Sozialen Nachhaltigkeitsbarometers 2021“ sind auf ariadneprojekt.de online verfügbar.

 

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

 

 

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

 

 

Von der Extraktions- zur Kreislaufwirtschaft

kuhlmann_4083_Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)_Christian Schlüter

Andreas Kuhlmann im Interview: „Es ist wichtig, dass wir die gesellschaftliche Debatte über eine Transformation mit der Diskussion über die weiteren Schritte der Energiewende verzahnen.“

Die Corona-Pandemie hat die grundlegenden Probleme in der Welt nicht kleiner gemacht. Und so bleibt auch der Klimaschutz eine zentrale Herausforderung des Jahrhunderts, nicht nur für die Energiewirtschaft. Für eine nachhaltige Dekarbonisierung ist es elementar, sowohl die Sektoren der Wirtschaft als auch die Wertvorstellungen der Gesellschaft zu integrieren. Im Interview für die Zeitschrift et – Energiewirtschaftliche Tagesfragen erläutert Andreas Kuhlmann, Vorsitzender der Geschäftsführung der Deutschen Energieagentur (dena), weshalb des so wichtig ist, die unterschiedlichen Debatten über die Transformation des Gesamtsystems zu verzahnen.

Nach Einschätzung von Kuhlmann verharrt die gesellschaftliche Diskussion in einem Spannungsfeld zwischen apokalyptischen Reitern und Apologeten des grünen Wachstums. Das habe zur Folge, dass die tatsächlichen Anforderungen einer grundlegenden Transformation bis 2050 unterschätzt werden. Klimaschutz werde nicht mit einfachen Reparaturmaßnahmen zu schaffen sein. Die Gesellschaft befinde sich nach wie vor im Rausch einer Extraktionswirtschaft, die in den letzten 200 Jahren aufgebaut worden sei. Es zeige sich, dass das nicht die Zukunft sein könne, sondern eine Kreislaufwirtschaft entwickelt werden müsse.

Grünes Wachstum als Lösung

Das bedeute aber nicht, dass es vor allem um den Verzicht auf Wachstumsprozesse gehe, stellt Kuhlmann klar. Wachstum sei nötig nicht nur für die Strukturen und Stabilität in Deutschland, sondern auch global. Gerade ärmere Länder benötigten eine Entwicklungsperspektive. Die Lösung müsse „grünes“, anderes Wachstum sein, dass sich an den 17 Sustainable Development Goals der Weltgemeinschaft bis 2030 orientiert. Dazu zählten Armutsbekämpfung, Bildung und Gesundheitsvorsorge ebenso wie saubere, bezahlbare Versorgung mit Energie und Wasser sowie Nachhaltigkeit bei Produktion, Konsum und weltweite Klimaschutzmaßnahmen.

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„Wir brauchen leistungsstärkere Anlagen für die bestehenden Standorte“

Hermann Albers, Präsident Bundesverband Windenergie

Hermann Albers, Präsident Bundesverband Windenergie, erläutert, weshalb bestehende Windparks durch leistungsstärkere ersetzt werden sollten. (Bildquelle: BWE)

Der Ausbau von Windenergieanlagen an Land ist ein zentraler Baustein, um die Energieerzeugung zu dekarbonisieren. Mehr Windenergie bedeutet aber nicht unbedingt mehr Windräder. Nachdem sich bereits viele Windräder drehen, geht es nun vermehrt darum, die bestehenden Anlagen zu ertüchtigen. Im Interview mit der Zeitschrift netzpraxis erläutert Hermann Albers, Präsident Bundesverband Windenergie (BWE), weshalb es nun um Leistungssteigerungen, Netzanforderungen und Betriebskonzepte geht. 

Die erneuerbaren Energien haben 2018 über 40 Prozent der Stromerzeugung in Deutschland übernommen. Dazu hat die Windenergie an Land mit 111 Terrawattstunden (TWh) etwa hälftig beigetragen. Nach den Zielen der Bundesregierung soll bis 2050 der Strom zu 95 Prozent aus erneuerbaren Quellen erzeugt werden. Dazu müssen im Jahr 2050 insgesamt 200 GW installierte Windenergieleistung on-shore zur Verfügung stehen, so Albers. Das bedeute einen jährlichen Zubau von 4.700 MW. Im letzten Jahr und auch in den ersten sechs Monaten 2019 wurde dieser Wert allerdings nicht erreicht.

Bis 2020 werden 30.000 Windanlagen an Land benötigt

Für den weiteren Ausbau seien aber nicht unbedingt mehr Standorte erforderlich.  Ende Juni 2019 gab es in Deutschland 29.248 Windanlagen an Land. 2050 werde knapp über 30.000 Windanlagen und 2 Prozent der Landesfläche in jedem Bundesland benötigt, schätzt Albers. Zwar müssten weiterhin neue Gebiete für die Windenergie ausgewiesen werden. Mit dem Auslaufen der Förderung für viele Altanlagen gehe es aber ab 2021 primär um eine Modernisierung und eine Steigerung der Leistung an bestehenden Standorten.

Leistungsstärkere Anlagen können doppelt soviel Strom erzeugen

Die neu installierten Anlagen seien mit der ersten Generation, die heute produziere, nicht mehr vergleichbar, betont Albers. Die Narbenhöhe sei in den letzten 20 Jahren durchschnittlich von 71 auf 132 m gestiegen und der Durchmesser der Rotorblätter durchschnittlich von 58 m auf 118 m. Heute würden neue Anlagen mit einer Leistung von 3 MW und mehr gebaut. Das sei etwa dreimal soviel wie im Jahr 2000. Weitere Technologiesprünge seine absehbar: Die Hersteller kündigen Leistungssteigerungen auf 5 bis 6 MW bis zum Jahr 2050 an. Generell sei davon ausgehen, dass es im Zuge des Repowerings zu einer Halbierung der Anlagenzahl bei einer Verdopplung der erzeugten Strommenge komme. Auch Anwohner befürworteten das Repowering häufig, da eine Reduktion der Anlagen mit einer Flurbereinigung einhergehe. Weiterlesen

Windanlagen im Genehmigungstau

Windkraftwerke vor Abendhimmel

Windräder in Brandenburg. Der Zubau bleibt hinter den Erwartungen zurück.

Gibt es zuviel oder zuwenig Windanlagen in Deutschland? Gemessen an den Zielen der Energiewende muss es noch deutlich mehr Windstrom werden. Viele Jahre kam der Ausbau gut voran, jetzt stockt die Entwicklung: An den Ausschreibungen nehmen weniger Gebote teil und Genehmigungen für Projekte stehen aus. Zu den Fakten und Hintergründen ist in der Zeitschrift Netzpraxis 9 / 2019 dazu der folgende Überblicksartikel erschienen.

Im ersten Halbjahr 2019 wurden nur 86 Windenergieanlagen mit einer Kapazität von insgesamt 287 MW gebaut. Das waren 82 Prozent weniger als im bereits schwachen Vorjahreszeitraum, ermittelte die Deutsche Windguard im Auftrag der Verbände Bundesverband WindEnergie (BWE) und VDMA Power Systems (VDMA). Grund für den historischen Tiefstand seien fehlende Genehmigungen und Verzögerungen durch laufende Klageverfahren.

Unter Berücksichtigung des Rückbaus alter Anlagen ergibt sich netto ein Plus von 35 Anlagen mit einer Kapazität von 231 MW. Gebaut wurde vor allem in Rheinland-Pfalz, Niedersachsen, Sachsen-Anhalt, Nordrhein-Westfalen und Mecklenburg-Vorpommern. Keine neuen Anlagen gab es hingegen in Bayern, Hessen, dem Saarland und den Stadtstaaten.

Ausbau bleibt hinter den Erwartungen zurück

Die Zahlen für die ersten sechs Monate 2019 bleiben hinter den vorgesehenen Ausbaumengen des EEG zurück und die Prognose für das gesamte Jahr 2019 wurde nach unten auf 1.500 MW korrigiert. Das Wachstum ist auf dem niedrigsten Stand seit Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahr 2000, warnen die Verbände. Um die Klimaschutzziele bis 2030 zu erreichen, müssten nach Einschätzung des BWE jährlich 4.700 MW hinzu kommen.

Diskrepanz zwischen Anspruch und Wirklichkeit

Hermann Albers, Präsident des BWE, sieht eine wachsende Diskrepanz zwischen Anspruch und Wirklichkeit: „Die Bundesregierung spricht einerseits von der Erreichung ambitionierter Ausbau- und Klimaschutzziele für die Jahre 2030 und 2050. Genehmigungsstau und Klageflut führen aber zur Unterzeichnung der aktuellen Ausschreibungen.“ Derzeit steckten 11.000 MW Windprojekte im Genehmigungsverfahren fest.

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