Wasserstofftransport: Wie kommt die Energie zum Kunden? Teil 1

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Die wahrscheinlich größte Herausforderung der Energiewende besteht darin, die aus regenerativen Quellen gewonnenen Energie für den Kunden verfügbar zu machen – und zwar am Ort des Bedarfs zu dem Zeitpunkt, an dem sie benötigt wird. Die Möglichkeit, Energie zu speichern und zu transportieren, ist folglich der wesentliche Erfolgsfaktor der Energiewende.

Anders als Strom lässt sich Wasserstoff verlustarm über größere Distanzen transportieren und vor allem speichern. Das macht das Gas zu einem vielversprechenden Energieträger der Zukunft. Doch wie funktioniert der Wasserstofftransport und welche Kosten entstehen dabei?

Im ersten Teil unserer Miniserie „Wasserstofftransport: Wie kommt die Energie zum Kunden?“ betrachten wir diese Fragestellung auf der globalen Ebene und analysieren den internationalen Transport von Wasserstoff von den erwarteten Produktionsländern hin zu den voraussichtlichen Verbrauchern. Die regionale Verteilung und Versorgung einzelner Kunden werden wir im zweiten Teil detaillierter betrachten.

Gründe für einen globalen Wasserstofftransport

Die Herstellungskosten von grünem Wasserstoff, werden maßgeblich von zwei Faktoren beeinflusst: den Kosten von erneuerbarem Strom und dessen Verfügbarkeit. Analysen, zum Beispiel von Fasihi und Breyer, zeigen, dass sich insbesondere Australien, große Teile Afrikas und Südamerikas sowie einige Regionen in den USA für die Wasserstoffproduktion anbieten.

Die Nachfrage von Wasserstoff wird hingegen primär von den Industrienationen getrieben, die den Energieträger für die Produktion sowie den Transportsektor benötigen. Laut einer Studie von McKinsey sind das, neben den USA, insbesondere Europa, China, Japan und Korea ­und damit überwiegend Länder, die auch zukünftig vergleichsweise hohe Produktionskosten für grünen Wasserstoff haben werden.

Vor diesem Hintergrund ist der Wasserstofftransport eine logische Folge des geografischen Ungleichgewichts zwischen hohem Bedarf und günstigen Produktionsbedingungen bei grünem Wasserstoff. Doch welche technischen Möglichkeiten gibt es für den Transport des hochflüchtigen Gases?

Wasserstofftransport per Schiff

Optionen für den Wasserstofftransport

Als technisches Gas, bieten sich für den globalen Wasserstofftransport ähnliche Lösungen an, wie sie auch für den Transport von Erdgas über längere Distanzen genutzt werden. Zu nennen wären hier an erster Stelle der Einsatz von Pipelines für den Transport über Land oder kürzere Seestrecken sowie, analog zu Flüssiggas (LNG), der Schiffstransport von verflüssigtem Wasserstoff.

Die Schwierigkeit beim Wasserstofftransport liegt jedoch in der geringen Energiedichte von Wasserstoff. Um die gleiche Energiemenge verglichen zu LNG zu transportieren, wird in etwa das vier- bis fünffache Volumen an flüssigem Wasserstoff benötigt – beim Transport im gasförmigen Zustand liegt das Verhältnis etwa bei eins zu drei.

Um das Volumen (und damit die Kosten) beim Wasserstofftransport zu reduzieren, kann Wasserstoff in flüssige Energieträger mit deutlich höherer Energiedichte umgewandelt werden. Hierzu bieten sich Ammoniak oder organische Verbindungen (LOHC = liquid organic hydrogen carrier / flüssige organische Wasserstoffträger) wie beispielsweise Methanol an, die dann per Schiff zum Zielort transportiert werden können.

Was kostet der globale Wasserstofftransport?

Für den Wasserstofftransport per Pipeline sind die Kosten für das Rohrleitungssystem sowie die Kosten für die Verdichtung des Wasserstoffs ausschlaggebend. Die absoluten Kosten liegen dabei laut einer Studie von Galimova et al. aktuell bei etwa 0,50 € je 1000 km Transportstrecke. Durch die starke Abhängigkeit der Kosten von der Strecke sind Pipelines insbesondere für kürzere Strecken attraktiv. Das gilt vor allem dann, wenn neue Pipelines gebaut werden müssen.

Für die übrigen drei Optionen setzen sich die Transportkosten aus drei Elementen zusammen: der Umwandlung des Wasserstoffs in das Transportmedium, den Transport, und die Rückumwandlung in gasförmigen Wasserstoff.

Die Verflüssigung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv und der Transport von verflüssigtem Wasserstoff erfordert besonderes Equipment, das hohe Investitionskosten erfordert. Aus diesem Grund bietet sich diese Option hauptsächlich für den Transport von großen Mengen über kleinere Distanzen an, bei denen die Investitionen auf ein hohes Wasserstoffvolumen verteilt werden können.

LOHC benötigen ein organisches Trägermaterial und somit nachhaltigen Kohlenstoff, der nur in begrenzten Mengen verfügbar ist. Gleichzeitig bietet die hohe Energiedichte geringe Transportkosten und eine Rückumwandlung in Wasserstoff ist nicht zwingend erforderlich, da viele LOHCs direkt als Energieträger genutzt werden können. Insbesondere der erste Faktor sorgt dafür, dass der Wasserstofftransport über LOHCs primär für kleinere Volumina und über längere Distanzen attraktiv ist.

Anders als LOHC enthält Ammoniak keinen Kohlenstoff, sondern nur Stickstoff, der in industriellem Maßstab aus der Luft gewonnen werden kann. Kombiniert mit den geringen Transportkosten aufgrund seiner hohen Energiedichte ist Ammoniak das Medium der Wahl für den Wasserstofftransport bei großen Mengen und langen Distanzen.

Die Grafik aus dem Bericht von Herib Blanco fasst die Ergebnisse anschaulich zusammen: Je nach Umfang und Distanz bieten sich unterschiedliche Lösungen für den Wasserstofftransport an. Die absoluten Kosten für den internationalen Transport liegen dabei heute laut einer Studie von Roland Berger im Bereich von zwei bis fünf Euro pro Kilogramm Wasserstoff – abhängig von Distanz und Transportmedium.

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Die 3 Preistreiber von grünem Wasserstoff

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Grüner Wasserstoff  wird als ein wesentlicher Baustein für eine nachhaltige und klimaneutrale Energieversorgung angesehen. Weder bei der Herstellung noch bei der Nutzung wird Kohlendioxid freigesetzt, der Wasserstoff kann gespeichert und transportiert werden und er eignet sich für die Sektorenkopplung, also die Kopplung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor. Doch kommen diese Vorteile aktuell zu einem hohen Preis: Statista weist für 2019 Wasserstoff-Produktionskosten von 16,50 €/kg aus.

 

Einflussfaktoren für Wasserstoff-Produktionskosten

Die wesentliche Frage für einen wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz von grünem Wasserstoff muss vor diesem Hintergrund lauten: Wie weit lassen sich die Kosten minimieren? Um diese Frage zumindest ein Stück weit besserverstehen zu können hilft ein Blick auf die Zusammensetzung der Wasserstoff-Produktionskosten. Diese werden im Wesentlichen von vier Faktoren bestimmt:

  • den Investitionskosten,
  • den fixen Betriebskosten,
  • den variablen Betriebskosten und
  • der Auslastung.

Die Investitionskosten umfassen die Kosten für den Elektrolyseur, die Leistungselektronik, die Hilfssysteme und andere Bauelemente. Sie hängen von der Art der genutzten Elektrolyse und der Größe der Anlage ab. Da die industrielle Fertigung von Elektrolyseuren ein vergleichbar junger Industriezweig ist und entsprechende Anlagen heute noch nicht in großen Stückzahlen geplant werden, geht z.B. das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme davon aus, dass sich die Investitionskosten bis 2030 in etwas halbieren.

Die fixen Betriebskosten werden im Wesentlichen durch die Wartungs- und Personalkosten bestimmt. Damit sind in für diesen Baustein der Wasserstoff-Produktionskosten keine signifikanten Sprünge zu erwarten; eine Entwicklung parallel zur allgemeinen Lohn- Kostenentwicklung scheint hier das wahrscheinlichste Szenario zu sein.

Die variablen Betriebskosten werden von den Stromkosten dominiert, die Kosten für Wasser und anderen in kleinem Mengen benötigte Verbrauchsmaterialien fallen im Vergleich dazu nicht ins Gewicht. Je nach Größe der Anlage und Energiequelle kann der erneuerbare Strom dabei zu Gestehungskosten zwischen 0,03 und 0,17 €/kWh produziert werden.

Der letzte Faktor für die Wasserstoff-Produktionskosten ist die Auslastung der Elektrolyse. Während die variablen Betriebskosten direkt proportional zur Menge des erzeugten Wasserstoffs ist, fallen die fixen Betriebskosten und – über die Abschreibung – die Investitionskosten pauschal pro Jahr an. Die Auslastung, und damit die Menge an hergestelltem Wasserstoff, bestimmt folglich, wie hoch der Anteil dieser beiden Kostenbausteine an den Wasserstoff-Produktionskosten tatsächlich ist. Da ein Betreiber seine Anlage nach Möglichkeit voll auslasten möchte, hängt die Auslastung in erster Linie von der Verfügbarkeit des erneuerbaren Stroms ab.

Zusammenhänge der Wasserstoff-Produktionskosten

Die Wasserstoff-Produktionskosten lassen sich vereinfacht aus den vier Einflussfaktoren und der Dauer der Abschreibung, in der Regel 10 Jahre, nach dieser Formel berechnen:

 

K = V + (F + I / t) / (A * N)

 

K = Wasserstoff-Produktionskosten [€/kg]

V = variable Kosten [€/kg]

F = fixe Kosten [€/a]

I = Investitionsvolumen [€]

t = Dauer der Abschreibung [a]

A = Auslastung [%]

N = nominale Produktion [kg/a]

 

Wie zuvor dargestellt, lassen sich in der Gleichung in erster Linie zwei Faktoren beeinflussen: der Strompreis und damit die variablen Kosten sowie die Auslastung. Die Wasserstoff-Produktionskosten werden dann geringer, wenn die Stromkosten sinken und die Auslastung steigt. Doch leider können diese beiden Einflussfaktoren nicht unabhängig voneinander variiert werden.

In den folgenden Beispielrechnungen für die Wasserstoff-Produktionskosten gehe ich exemplarisch von einer Elektrolyse mit 10 MW Nennleistung und 65% Wirkungsgrad aus, was bei Vollauslastung (100%) einer jährlichen Produktion von etwa 1500 t Wasserstoff entspricht. Als Investitionsvolumen werden 10 M€ bei einer Abschreibungsdauer von 10 Jahre angesetzt und als jährliche Fixkosten werden 150 k€ angenommen. Bei den variablen Kosten wird nur der Strom für die Elektrolyse einbezogen, alle anderen Beiträge werden ignoriert.

Wasserstoff-Produktionskosten

Berücksichtigt man, dass die Potenziale für große Wasserkraftanlagen in Deutschland de facto ausgeschöpft sind und das Optimal-Szenario mit einem 10 MW Wasserkraftwerk daher nicht realistisch und folglich ausgegraut ist, erkennt man sehr gut, dass die variablen Kosten und die fixen Kostenbestanteile sich genau gegenläufig verhalten.

Wasserstoff-Produktionskosten optimieren

Vor dem Hintergrund dieser Beispielberechnungen stellt sich die Frage, wie sich die Wasserstoff-Produktionskosten reduzieren lassen um grünen Wasserstoff nicht nur ökologisch, sondern auch wirtschaftlich zu einem interessanten Energieträger zu machen.

Ein wichtiger Faktor ist sicherlich die zu erwartende Degression der absoluten Investitionskosten. Selbst wenn ein Teil dieser Kostenreduktion durch Inflation aufgefressen wird, bleibt der relative Effekt bestehen, da die Inflation auch andere Energieoptionen verteuert.

Während für Elektrolyseure noch deutliche Kostenreduktionen zu erwarten sind, sind die Kostenpotentiale im Bereich der Wind- und Solarenergie weitestgehend aufgebraucht. Damit sind im Bereich der variablen Kosten nur noch geringfügige Einsparpotentiale zu erwarten. Das gilt insbesondere, da die Standorte mit guten Bedingungen für die Stromerzeugung aus Wind und Sonne in Deutschland in näherer Zukunft komplett genutzt werden dürften und damit mehr B- und C-Lagen mit geringerer Ausbeute in die Nutzung gehen werden.

Der letzte Optimierungsfaktor ist somit die Auslastung der Elektrolyseure. Da die Verfügbarkeit von Wind und Sonne nicht beeinflusst werden kann, bieten sich hier zwei Optionen an: die Nutzung von Stromspeichern oder die Kombination mehrerer Stromquellen.

Die Nutzung von Batterien oder vergleichbaren Stromspeichern ist aktuell mit sehr hohen Kosten verbunden. Zwar lässt sich die Auslastung der Elektrolyse auf diesem Weg deutlich steigern, die dazu notwendigen Stromspeicher benötigen jedoch signifikante Zusatzinvestitionen, so dass die Wasserstoff-Produktionskosten unter dem Strich noch weiter steigen.

Erfolgsversprechender ist die Kopplung mehrerer Energiequellen. Bei der Nutzung von Wind-, Solar- und ggf. Wasserkraft in Kombination lässt sich eine deutliche Steigerung der Auslastung bei akzeptablen mittleren Stromkosten erreichen. Allerdings setzt dieses Szenario eine nominelle Überversorgung mit Strom voraus. Folglich muss an sonnigen, Windstarken Tagen ein signifikanter Anteil des Stroms anderweitig vermarktet werden, was ggf. einen Einfluss auf die effektiven Stromkosten hat.

Diese Modellüberlegungen zeigen die Komplexität in der Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie tiefer in diese Thematik einsteigen wollen, oder folgen Sie uns auf LinkedIn für regelmäßige Updates rund um das Thema Wasserstoff.

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Die 7 Farben des Wasserstoffs

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Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses und vollkommen ungiftiges Gas.

Wasserstoff ist farblos. Das steht nicht nur in der Definition des TÜV Süd, sondern auch in jeder anderen Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften des Gases. Dennoch findet man in der Diskussion um Wasserstoff als Energieträger regelmäßig Aussagen zu grünem, gelben, grauem, … Wasserstoff. Die Farbbezeichnungen kennzeichnen dabei nicht die optischen Eigenschaften des Gases, sondern sollen Aufschluss über die Herstellung des Wasserstoffs und damit letztlich seine Umweltverträglichkeit geben.

Wasserstoff

Vorkommen und Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum und macht über 90% aller Atome bzw. etwa 75% der gesamten Masse der sichtbaren Materie aus. Auf unserem Heimatplaneten hingegen trägt Wasserstoff noch nicht einmal zu 1% zur planetaren Masse bei. Gleichzeitig liegt Wasserstoff auf der Erde fast ausschließlich in gebundener Form vor – meistens als Wasser, aber auch in Erdgas oder Erdöl. Ein Anzapfen natürlicher Wasserstoffreservoirs ist folglich auf der Erde wirtschaftlich nicht möglich.

Um Wasserstoff in größeren Mengen verfügbar zu machen, müssen natürlich vorkommende Verbindungen aufgebrochen werden. Im technischen Maßstab haben sich dabei drei Verfahren durchgesetzt: die Dampfreformierung, die Methanpyrolyse und die Elektrolyse.

Bei der Dampfreformierung, dem heute gängigsten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff, reagiert ein Kohlenwasserstoff – meist Methan – mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In einem nachfolgenden Reaktionsschritt wird das giftige Kohlenmonoxid mit Wasser unter Abscheidung von zusätzlichem Wasserstoff zu Kohlendioxid oxidiert.

Die Methanpyrolyse nutzt, wie der Name suggeriert, Methan als Ausgangsprodukt zur Wasserstoffherstellung. In diesem Prozess wird Methan über einen thermischen Prozess in Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Da Kohlenstoff anders als Kohlendioxid ein Feststoff ist, lässt er sich bei diesem Prozess leicht abtrennen und emissionsfrei lagern bzw. in anderen Prozessen nutzen.

Der bekannteste Prozess dürfte die Elektrolyse sein. Hier wird Wasser, die häufigste wasserstoffhaltige Verbindung auf der Erde, durch eine elektrische Spannung in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Da der Prozess keine kohlenstoffhaltigen Substanzen verwendet, ist die Wasserstoffherstellung zunächst einmal frei von CO2-Emissionen.

So kommen die Farben in den Wasserstoff

Wasserstoff und Wasserstoffderivate, also aus Wasserstoff hergestellte Energieträger, nehmen potenziell einen wichtigen Platz in einer nachhaltigen, klimaschonenden Energieversorgung ein, da bei der Umsetzung von Wasserstoff kein Kohlendioxid oder andere Klimagase freigesetzt werden. Um die Klimafreundlichkeit von Wasserstoff beurteilen zu können, benötigt man jedoch das Wissen um seine Herstellung – und hier kommt die „Farbenlehre des Wasserstoffs“ ins Spiel.

Die „Farbe“ des Wasserstoffs kennzeichnet, aus welchem Energieträger und über welches Herstellungsverfahren der Wasserstoff produziert wurde. Aus diesen Informationen lässt sich grob ableiten, inwieweit der eingesetzte Wasserstoff in seiner Gesamtbilanz als klimaneutral oder klimaschädlich eingestuft werden muss.

Leider haben sich mehrere Farbsysteme mit unterschiedlich feinen Aufgliederungen und teilweise auch unterschiedlicher Nutzung der Farbbezeichnungen herausgebildet. An dieser Stelle halten wir uns an die Definitionen des Nationalen Wasserstoffrats und der Bundesregierung.

Wasserstoff, der aus Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen mittels Dampfreformierung hergestellt wird, wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Unter idealen Prozessbedingungen entstehen dabei aus einem Methan- und zwei Wassermolekülen vier Wasserstoff- und ein Kohlendioxidmolekül, wobei letzteres an die Atmosphäre abgegeben wird. Der Wirkungsgrad des Prozesses liegt bei etwa 70%.

Technisch ist es möglich, das entstehende Kohlendioxid abzutrennen und in unterirdischen Speichern oder gashaltenden Gesteinsschichten einzulagern. Diese Prozesserweiterung verhindert Kohlendioxidemissionen in die Atmosphäre, führt jedoch auch zu einer Reduktion des Wirkungsgrads, da die Abtrennung und Komprimierung des Kohlendioxids zusätzliche Energie benötigt. Den produzierten Wasserstoff bezeichnet man als blauen Wasserstoff.

Türkiser Wasserstoff wird über Methanpyrolyse hergestellt. Wie grauer und blauer Wasserstoff basiert er auf fossilen Kohlenwasserstoffen. Da der Kohlenstoff der Methanmoleküle am Ende der Umwandlung jedoch in fester Form vorliegt, gibt es keine Kohlendioxidemissionen, vorausgesetzt, die für den Prozess benötigte Energie wird CO2-neutral zur Verfügung gestellt. Diese Technologie ist aktuell noch in der Entwicklung und nicht großskalig kommerziell verfügbar.

Roter, gelber und grüner Wasserstoff wird mittels Wasserelektrolyse generiert und somit ebenfalls ohne direkte Kohlendioxidemissionen, wobei der Wirkungsgrad heutiger Elektrolyseure bei etwa 65% liegt. Die Farbunterscheidung kennzeichnet hier, wie der für die Elektrolyse genutzte Strom generiert wird.

Im Falle von gelbem Wasserstoff wird die Elektrolyse mit Netzstrom betrieben, also dem Mix an fossilen, nuklearen und erneuerbaren Energiequellen, die zum entsprechenden Zeitpunkt für die Stromerzeugung eingesetzt werden. Da sich die Zusammensetzung des Netzstroms aufgrund von Strombedarf und dem Angebot an Strom aus Windkraft und Fotovoltaik kontinuierlich ändert, sind auch die Kohlendioxidemissionen des Netzstroms variabel. Bei einem hohen Anteil an Strom aus fossilen Quellen können sie letztlich temporär sogar höher sein als bei grauem Wasserstoff.

Bei rotem Wasserstoff wird der für die Elektrolyse benötigte Strom ausschließlich aus Atomkraftwerken bezogen. Hierbei werden keine Kohlendioxidemissionen freigesetzt, der produzierte Wasserstoff ist folglich klimaneutral. Allerdings entstehen bei der Nutzung von Atomkraft radioaktive Reststoffe, die sicher gelagert bzw. entsorgt werden müssen, was wiederum mit Risiken verbunden ist.

Kommt der Strom für die Wasserstoffproduktion ausschließlich aus erneuerbaren Quellen, also Wind-, Solar- und Wasserkraft, so spricht man von grünem Wasserstoff. Bei grünem Wasserstoff fallen keine Kohlendioxidemissionen oder sonstige problematische Nebenprodukte bei der Herstellung an. Allerdings ist die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom wetterabhängig, so dass eine kontinuierliche Produktion von grünem Wasserstoff nur mit erheblichen Investitionen in Stromspeicher möglich ist.

Unter orangefarbenem Wasserstoff wiederum wird Wasserstoff zusammengefasst, der aus Abfällen und Biomasse hergestellt wird, und zwar unabhängig vom Produktionspfad. Eine allgemeine Bewertung der Effizienz und der Kohlendioxidemissionen ist daher bei orangefarbenem Wasserstoff nicht möglich: sie hängt direkt von den genutzten Energieträgern und dem Produktionsverfahren ab.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie eine nachhaltige und wirtschaftliche Wasserstoffversorgung aussehen kann, dann kontaktieren Sie uns oder folgen Sie uns auf LinkedIn, um regelmäßig Updates oder eine individuelle Beratung zu erhalten.

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