Weltweit nimmt der Anteil der erneuerbaren Energien schnell zu. In dem Zuge wächst auch die Rolle von elektrischem Strom im Energiesystem: Mobilität und Wärmebereitstellung werden zunehmend elektrisch. Doch wird unser Energiesystem vollständig elektrifiziert? Welche Rolle kann dabei Wasserstoff (H2) spielen?
Wasserstoff ist universell nutzbar
Wasserstoff ist ein extrem vielseitig nutzbarer Energieträger und Chemierohstoff. Er kann zur Stromerzeugung mit Hilfe von Gasturbinen oder Brennstoffzellen genutzt werden, als Rohstoff für Schiffs- oder Flugzeugtreibstoff, aber auch im Stahlwerk zur klimaneutralen Erzeugung von Rohstahl. Zudem kann Wasserstoff direkt zur Wärmeerzeugung genutzt werden, gerade wenn sehr hohe Temperaturen gefordert sind. Wasserstoff ist zudem ein langfristig verlustfrei speicherbarer Energieträger.
Transport und Speicherung von Wasserstoff
Für den Transport von Wasserstoff bietet sich bei Entfernungen unter 4000 km der Transport in Pipelines an. Für längere Entfernungen ist der Schiffstransport in Form von Ammoniak (NH3) eine Alternative. Ammoniak kann direkt zur Herstellung von Düngemitteln verwendet werden. Die Speicherung Wasserstoff wird bevorzugt in der Form gespeichert, in der er auch transportiert wird. Für die Langzeitspeicherung großer Gasmengen können Salzkavernen genutzt werden, in denen heute schon Erdgas gespeichert wird. In kleineren Mengen wird Wasserstoff in Druckflaschen bei 200 bis 700 bar gespeichert.
Farben von Wasserstoff
Zunächst ist festzuhalten, dass das farblose Gas nur dann ein sinnvoller Baustein im künftigen Energiesystem wird, wenn es vollständig aus erneuerbarem Strom erzeugt wird. Das geschieht mit Hilfe von Elektrolyseuren, heute mit Wirkungsgraden zwischen 70 und 80 Prozent. Der so erzeugte Wasserstoff wird als grüner Wasserstoff bezeichnet. Heute käuflicher, grauer Wasserstoff wird aus Erdgas hergestellt. Das dabei entstehende Kohlendioxid entweicht in die Atmosphäre.
Wird es abgeschieden und im Untergrund eingelagert, spricht man von blauem Wasserstoff. Da technisch erreichbare Abscheideraten bei 80 bis 85 Prozent liegen, gilt blauer Wasserstoff als kohlenstoffarm, nicht als kohlenstofffrei. Beim Aufbau von Produktionskapazitäten für blauen Wasserstoff besteht das Risiko von Lock-in-Effekten, also von Sackgassen. So kann aus der als Brückentechnologie gedachten Lösung eine problematische, langfristig Kohlendioxid emittierende Technologie werden.
Wasserstoff für Gebäudewärme
Gelegentlich wird die Verwendung von Wasserstoff zur Wärmeerzeugung in Gebäuden mit einem H2-Heizkessel diskutiert, der ähnlich einem Erdgaskessel den Heizstoff direkt verbrennt. Technisch ist dies möglich. Einzelne Gasversorger werben dafür, dass im heutigen Erdgasnetz künftig einfach auf Wasserstoff umgestellt werden könnte. Ein Vergleich der Gesamtwirkungsgrade zeigt aber, dass die Wasserstoffnutzung in Wohngebäuden der Wärmepumpe weit unterlegen ist.
KEA-BW
So erreicht die Verbrennung von Wasserstoff in H2-Kesseln einen Gesamt-Wirkungsgrad von etwa 60 Prozent, das heißt nur 60 Prozent einer zur Wasserstofferzeugung eingesetzten Kilowattstunde Strom kommt als Wärme in den Gebäuden an. Gleichzeitig erreichen Wärmepumpen je nach Wärmequelle eine Jahresarbeitszahl von typischerweise 2,5 bis 4, das heißt eine eingesetzte Kilowattstunde Strom erzeugt bis zu vier Kilowattstunden Wärme. Das bedeutet, dass die Wärmeversorgung über Wasserstoff vier- bis sechsmal mehr Windenergie- und Photovoltaikanlagen erfordert als die Beheizung mit Wärmepumpen. Studien zeigen, dass die Heizung mit Wasserstoff sehr teuer wird.
Wasserstoff für Wärmenetze
Die zentrale Wärmeversorgung von Haushalten durch Wärmenetze kann eine wirtschaftliche Alternative in dicht bebauten Quartieren sein. Hier kann Wasserstoff für die Wärmebereitstellung als Ergänzung zu anderen erneuerbaren Wärmequellen eine Rolle spielen: Wasserstoff wird dabei perspektivisch in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) genutzt werden.
Wasserstoff für Industrielle Prozesswärme
Wärmebedarfe mit Temperaturen bis 200 Grad Celsius lassen sich technisch durch Wärmepumpen decken. Bei Temperaturniveaus bis 1.000 Grad Celsius können elektrische Hochtemperaturerzeuger verwendet werden. Allerdings gibt es zahlreiche industrielle Fertigungsprozesse, die auf eine Flamme angewiesen sind und daher weiterhin Brennstoffe benötigen. Hier gibt es keine Alternative zu grünem Wasserstoff.
Wasserstoff im Mobilitätssektor
Lange Jahre galt Wasserstoff als der Energieträger für den Langstreckentransport. Zumindest im Straßenverkehr setzt sich derzeit durch die dynamische Entwicklung der Batterietechnologien auch für den LKW-Verkehr zunehmend der elektrische Antrieb durch. Alternativlos erscheint bislang die Nutzung von Wasserstoff im Flug- und Schiffsverkehr.
Bedarf an und Verfügbarkeit von Wasserstoff
Bereits heute werden große Mengen an Wasserstoff verbraucht, im Wesentlichen grauer Wasserstoff. Der heutige Wasserstoffbedarf Deutschlands könnte über eine Pipeline mit einem Meter Durchmesser gedeckt werden. Zur Erzeugung der entsprechenden Menge Wasserstoff sind überschlägig 200 Quadratkilometer PV-Fläche und 3.000 Windenergieanlagen der 5-Megawatt-Klasse erforderlich. Bei dem für 2045 avisierten Bedarf sind die Zahlen mit dem Faktor zehn zu multiplizieren. Der Ausbau der Wasserstofferzeugungskapazitäten erfolgt global bislang deutlich langsamer als angestrebt.
Kosten
Durch die Umwandlung von Strom zu Wasserstoff sind die Herstellungskosten für Wasserstoff im Vergleich zu Strom deutlich höher. In den meisten aktuellen Studien werden nur die Herstellungskosten des Wasserstoffs ausgewiesen. Berücksichtigt man Kosten für Transport und Vertrieb, Gewinnmargen, Markteffekte und Steuern, werden die Endkundenpreise nochmals deutlich darüber liegen.
Liebreich Associates
In einer Analyse aus dem Jahr 2023 werden Bereitstellungskosten zwischen 45 und 205 Euro pro Megawattstunde angegeben. Bei einer Vor-Ort-Produktion von Wasserstoff in Baden-Württemberg werden für das Jahr 2032 Bereitstellungskosten in Höhe von 130 bis 148 Euro pro Megawattstunde genannt. Diese Studien spiegeln die noch sehr hohen Bandbreiten und damit Unsicherheit wider.
Bedeutung für die Energieberatung
CO2-frei erzeugter Wasserstoff ist für ein treibhausgasneutrales Energie- und Wirtschaftssystem unverzichtbar. Wasserstoff wird perspektivisch dort erzeugt werden, wo ausreichend erneuerbarer Strom und Wasser zur Verfügung stehen. Wasserstoff wird allerdings perspektivisch nur dort zum Einsatz kommen, wo es keine wirtschaftlicheren Alternativen gibt. Dies werden in den meisten Fällen elektrische Lösungen sein. Wasserstoff für Gebäudewärme wird in den meisten Fällen keine kosteneffiziente Option darstellen.
Da die Frage nach Wasserstoff als künftiger Energieträger von Kunden aufgeworfen wird, gilt es, die oben aufgezeigten Risiken einer Entscheidung für eine hoch spekulative Versorgung mit Wasserstoff aufzuzeigen. Der Blick auf die Effizienznachteile dürften dabei für die meisten Endkunden verständlich machen, dass sich dies entsprechend auf den Bezugspreis auswirken muss. Zudem zeichnet sich ab, dass ein künftiges Wasserstoffnetz deutlich kleiner sin wird als das heutige Erdgasnetz und sich dabei auf industrielle Kunden fokussieren wird. Die langfristig empfehlenswerten Wärmeversorgungslösungen bleiben damit die Wärmepumpe und der Anschluss an ein Wärmenetz.
Der Artikel basiert auf einem Positionspapier, das der Autor gemeinsam mit Vertretern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, des ifeu – Instituts für Energie- und Umweltforschung, des Verbands der regionalen Energie- und Klimaschutzagenturen Baden-Württemberg und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg veröffentlicht hat.
KEA-BW
Als Geschäftsführer hat Dr. Volker Kienzlen den Aufbau und das Wachstum der KEA-BW Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg in zwei Jahrzehnten maßgeblich mitgestaltet. Ende 2025 hat er sich in den (Un-)Ruhestand verabschiedet.
