Die Herstellung von Wasserstoff kann teuer und energieintensiv sein, und Transport und Speicherung können schwierig sein. Die Infrastruktur, die für eine breite Einführung von Wasserstoff als Kraftstoffquelle erforderlich ist, wird noch lange nicht vollständig entwickelt. Trotz allem will Europa weltweit führend in der Wasserstoffwirtschaft sein und setzt mit REPowerEU gezielt auf erneuerbaren Wasserstoff.
Allgegenwärtige H2
Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1. Es ist das leichteste und am häufigsten vorkommende Element im Universum und macht etwa 75 % seiner Elementmasse aus. Wasserstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das leicht entzündlich ist und den höchsten Energiegehalt pro Gewichtseinheit aller bekannten Brennstoffe hat. Es ist ein Baustein des Wassers, ein wichtiger Bestandteil des täglichen Lebens.
Wasserstoff kann auf vielfältige Weise als Brennstoff verwendet werden, einschließlich Verbrennung, Brennstoffzellen und als Rohstoff in industriellen Prozessen. Bei der Verbrennung wird Wasserstoff mit Sauerstoff verbrannt, um Wärme zu erzeugen, die zur Stromerzeugung oder zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet werden kann. In Brennstoffzellen wird Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu Strom umgesetzt, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Brennstoffzellen werden häufig in Transportanwendungen wie Autos, Bussen und sogar Flugzeugen verwendet.
Die Farben des Wasserstoffs
Die Industrie verwendet ein allgemein bekanntes Diagramm, um verschiedene Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff zu beschreiben.
- Grauer Wasserstoff: Dies ist Wasserstoff, der durch Steam Methan Reforming (SMR) aus Erdgas hergestellt wird. Es ist die am häufigsten verwendete Methode zur Wasserstofferzeugung, verursacht aber auch eine erhebliche Menge an Treibhausgasemissionen.
- Blauer Wasserstoff: Dies ist ähnlich wie grauer Wasserstoff, aber die Kohlenstoffemissionen von SMR werden aufgefangen und gespeichert oder genutzt, normalerweise durch die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS).
- Türkisfarbener Wasserstoff: Dieser wird durch einen Prozess namens Methanpyrolyse hergestellt, der Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff zerlegt, ohne CO2 zu emittieren. Dies ist eine noch junge Technologie und noch nicht im Handel erhältlich.
- Grüner Wasserstoff: Dieser wird durch Elektrolyse hergestellt, wobei Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonnen- oder Windkraft verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Es ist die nachhaltigste und umweltfreundlichste Methode der Wasserstofferzeugung.
- Gelber Wasserstoff: Dieser wird durch die Vergasung von Biomasse wie landwirtschaftlichen Abfällen, Holzhackschnitzeln und anderen organischen Materialien hergestellt.
- Lila Wasserstoff: Dieser wird durch den Prozess der Elektrolyse hergestellt, verwendet jedoch anstelle von erneuerbarem Strom Strom aus Kernkraft.
- Brauner Wasserstoff: Dieser wird durch Kohlevergasung hergestellt, die eine stark umweltbelastende Methode der Wasserstofferzeugung ist.
- Schwarzer Wasserstoff: Dieser wird durch die Vergasung von Kohle hergestellt, die die umweltschädlichste Methode der Wasserstoffherstellung ist.
Jede dieser Farben des Spektrums verschmutzt auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlichem Ausmaß. Zur Abtrennung des Wasserstoffs werden derzeit mehr oder weniger fossile Brennstoffquellen genutzt, denen jeder seinen eigenen Umgang mit dem Schadstoff überlässt.
Das Problem bei allen ist, dass die direkte Verbrennung von Erdgas zur Wärme- oder Stromerzeugung effizienter und oft weniger umweltschädlich ist als die Umwandlung in Wasserstoffbrennstoff.
Der Grund, warum Erdgas immer noch zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird, ist, dass es sich um ein etabliertes Verfahren handelt und eine bedeutende Infrastruktur für die Verarbeitung und den Transport von Erdgas vorhanden ist. Darüber hinaus ist Erdgas in der Regel günstiger als andere Rohstoffe wie Biomasse oder Strom aus erneuerbaren Quellen. Es ist vor allem eine Frage der Bequemlichkeit.
Die einzig (logischerweise!) wahre und umweltfreundliche Art, Wasserstoff herzustellen, ist die Farbe „Grün“, hergestellt aus Strom aus erneuerbaren Quellen. Andererseits sagen Wissenschaftler, dass in der Praxis sowohl “graue” als auch “grüne” Produktionsmethoden die gleichen CO2-Mengen produzieren. Der Unterschied besteht darin, dass bei gleichen CO2-Mengen bei grünem Wasserstoff keine fossilen Brennstoffe zugeführt werden und er damit langfristig etwas kostenlos ist.
Der Schlüssel zum Verständnis liegt in der Anlageneffizienz, die bei intermittierenden Energiequellen für die Elektrolyse, wie Wind und Sonne, viel schlechter ist. Wasserstoff mit Dampf-Methan-Reformierung ist einfach praktischer bei kontinuierlicher Spitzeneffizienz zu produzieren.
Kosten der Geschäftstätigkeit
Die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffkraftstoff können je nach verwendeter Produktionsmethode und der Verfügbarkeit kostengünstiger Ausgangsmaterialien wie Erdgas oder Biomasse variieren. Derzeit sind die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffkraftstoff im Allgemeinen höher als die Kosten für die Herstellung herkömmlicher Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel.
Es ist leicht zu erkennen, dass die sauberste und wünschenswerteste Form der Wasserstoffproduktion gleichzeitig die teuerste ist, und zwar um den Faktor x2 – x10 im Vergleich zu herkömmlichen Rohstoffen. Ganz am Anfang wird es für die EU ein harter Kampf, die Vorteile eines so teuren Endprodukts mit begrenztem praktischem Nutzen zu beschreiben.
Die Planer von REPowerEU haben Herz und Verstand am rechten Fleck, aber die Realität spricht stark gegen solche Investitionen – es sei denn, es wird eine europaweite Anstrengung geben, dieses gemeinsame Ziel zu erreichen.
Fehlende Infrastruktur
Laut einem Bericht der Europäischen Kommission gab es ab 2021 in der EU über 200 Wasserstofftankstellen, mit den höchsten Konzentrationen in Deutschland, Frankreich und Großbritannien. Die Mehrzahl dieser Stationen konzentriert sich auf städtische Gebiete und entlang wichtiger Verkehrswege, und es gibt immer noch viele Regionen ohne Zugang zu einer Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur.
Die EU hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2030 mindestens 40.000 Wasserstofftankstellen einzurichten, um die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft zu unterstützen.
In Europa gibt es nur mehrere Wasserstoffpipelines, darunter eine 180 km lange Pipeline, die von Rotterdam in den Niederlanden nach Antwerpen in Belgien führt, und eine 160 km lange Pipeline, die von der Rhein-Ruhr-Region in Deutschland nach Köln führt. Allerdings ist die bestehende Wasserstoff-Pipeline-Infrastruktur im Vergleich zu dem derzeit bestehenden umfangreichen Netzwerk von Erdgas-Pipelines begrenzt.
Dänemark und Deutschland gaben kürzlich Pläne zum gemeinsamen Bau einer Pipeline zum Transport von Wasserstoff zwischen diesen beiden Ländern bekannt. In einer unverbindlichen Vereinbarung wollen beide Länder die dänische Wasserstoffproduktion kooperativ auf über 20 TWh mit einer geplanten Elektrolyseurkapazität von 6 GW bis 2030 steigern.
Um das Ziel der EU zu erreichen, bis 2030 20 Millionen Tonnen Wasserstoff zu produzieren, zu importieren und zu transportieren, wird es entscheidend sein, die Implementierung der Wasserstoffinfrastruktur so schnell wie möglich zu beschleunigen. Während sich die grenzüberschreitende Wasserstoffinfrastruktur noch in den Anfängen befindet, haben die überarbeiteten transeuropäischen Energienetze die Wasserstoffinfrastruktur bereits in ihre Planung und Entwicklung einbezogen.
Die erforderlichen Gesamtinvestitionen für die primären Wasserstoffinfrastrukturkategorien werden voraussichtlich etwa 28 bis 38 Mrd. EUR für EU-interne Pipelines und 6 bis 11 Mrd. EUR für die Speicherung betragen. Man muss beachten, die EU will mindestens 35 Milliarden Kubikmeter importiertes Erdgas loswerden und nutzt dazu Wasserstoff, Biogas und Biomethan um jeden Preis.
Sehr wenige Autos, die Wasserstoff verwenden
Einige europäische Autohersteller haben Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge entwickelt. Beispielsweise haben die deutschen Autohersteller BMW und Mercedes-Benz beide Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge in begrenzter Anzahl eingeführt, und der französische Autohersteller PSA Group (jetzt Stellantis) hat ebenfalls die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie entwickelt.
Derzeit weltweit führend in der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie ist Toyota, ein japanischer Autohersteller. Sie bieten ihr Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug der zweiten Generation in Europa namens Mirai an, eine mittelgroße viertürige Limousine, die von einem Elektromotor angetrieben wird, der eine Brennstoffzelle zur Stromerzeugung an Bord mit einer Reichweite von rund 650 km (402 Meilen) verwendet auf einem einzigen Wasserstofftank.
Toyota hat vor kurzem auch einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor (HICE) eingeführt, der Wasserstoff als Kraftstoff ohne Probleme mit Stickstoffverbindungen verwendet, die üblicherweise aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen auftreten. Wenn Wasserstoff in normaler Atmosphäre oxidiert, entsteht Wasserdampf und keine Schadstoffe. Wenn es in HICE passiert, können während des Verbrennungsprozesses Stickoxide (NOx) entstehen, die mit anderen Verbindungen in der Atmosphäre reagieren können, um schädliche Stickstoffverbindungen wie Salpetersäure (HNO3) und Stickstoffdioxid (NO2) zu bilden.
Es gibt mehrere Gründe, warum Autohersteller derzeit nicht mehr Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge produzieren. Einer der Hauptgründe sind die hohen Produktionskosten der Brennstoffzellentechnologie, die immer noch teurer ist als herkömmliche Verbrennungsmotoren oder batterieelektrische Fahrzeuge. Darüber hinaus macht es der Mangel an Wasserstofftankinfrastruktur in vielen Teilen der Welt für Autohersteller schwierig, Brennstoffzellenfahrzeuge an Verbraucher zu vermarkten.
Darüber hinaus erhalten batterieelektrische Fahrzeuge derzeit mehr Aufmerksamkeit und Investitionen von Autoherstellern, wobei viele große Autohersteller in den kommenden Jahren erhebliche Verpflichtungen zur Herstellung von Elektrofahrzeugen eingehen. Infolgedessen kann es sein, dass weniger Fokus und Investitionen auf die Entwicklung und Produktion von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen gelegt werden.
Das Henne-Ei-Problem bei Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen: Autohersteller zögern, mehr dieser Fahrzeuge zu produzieren, bis es eine robuste Infrastruktur von Tankstellen gibt, aber die Entwicklung dieser Infrastruktur wird wahrscheinlich nicht stattfinden, bis mehr Brennstoffzellenfahrzeuge auf dem Markt sind. Dies ist eine große Hürde, die erhebliche Investitionen und Koordination zwischen Autoherstellern, Regierungen und der Privatindustrie erfordern wird, um sie zu überwinden.
Extreme Technologielösungen machen H2 -Technologie schwer erreichbar
Wasserstoff ist ein kleines und schlüpfriges Molekül, es entweicht leicht durch jede Dichtung, es diffundiert sogar in Metalle und macht sie spröde. Da Wasserstoff sehr leicht ist, muss er, um eine erhebliche Energiedichte in einem kleinen Volumen zu haben, das praktisch in einem Fahrzeug herumgetragen werden kann, unter hohen Drücken betrieben werden und 700 bar für die Technologie der IV-Generation erreichen.
Tanks, die solchen immensen Drücken standhalten und jeder Art von äußerer Beschädigung standhalten, müssen mit hohen Spezifikationen hergestellt werden. Solche Tanks haben normalerweise eine Verbundstruktur aus Kohlefaser für Steifigkeit, spezielle Polymere, die das Entweichen von Wasserstoff verhindern, und eine Glasfaser-Außenschicht, um sie stark und haltbar zu machen, was sie schwer und teuer macht.
Beim Stand der Technik geht täglich etwa 1 Prozent des in Tanks gespeicherten Wasserstoffs verloren. Für Wasserstoff sind aufgrund seines niedrigen Molekulargewichts und seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit spezielle Dichtungen erforderlich. Einige häufig verwendete Dichtungsmaterialien für Wasserstoffanwendungen umfassen Elastomere wie Viton, Kalrez und Chemraz sowie Metalldichtungen wie Kupfer und Aluminium. Wasserstoffdichtungen erfordern häufig spezielle Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen, um eine Wasserstoffversprödung zu verhindern und eine langfristige Leistung zu gewährleisten, was den Preis des fertigen Produkts noch einmal erhöht.
Elektroden für Brennstoffzellen werden aus schwer erhältlichen seltenen Metallen wie Platin, Palladium und Iridium hergestellt. Platin ist eine Schlüsselkomponente in den Katalysatorschichten vieler Brennstoffzellen, und es ist teuer und relativ selten. Der größte Platinproduzent ist Südafrika, auf das etwa 75% des weltweiten Angebots entfallen, der Rest wird in Russland, Simbabwe, Kanada und den Vereinigten Staaten produziert. Obwohl weiterhin daran geforscht wird, die in Brennstoffzellen benötigte Menge an Platin zu reduzieren oder es vollständig durch andere Materialien zu ersetzen, wird Platin bei der Herstellung von Autos mit Wasserstoffantrieb immer noch dringend benötigt.
Europas Potenzial für erneuerbare Energien
Im Juli 2021 verabschiedete die Europäische Kommission das „Fit for 55“-Paket, das die bestehenden Klima- und Energiegesetze aktualisiert, um das neue EU-Ziel zu erreichen, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um mindestens 55% zu reduzieren. Dieses Paket ist Teil von European Green Deal, der darauf abzielt, die EU bis 2050 klimaneutral zu machen. Die überarbeitete Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) ist ein Schlüsselelement des „Fit for 55“-Pakets, wodurch das bisherige Ziel gestärkt wird, sicherzustellen, dass bis 2030 mindestens 32% des Energieverbrauchs in der EU aus erneuerbaren Energiequellen stammt.
Die überarbeitete RED II legt ein neues EU-Ziel von mindestens 40% Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch bis 2030 fest, zusammen mit neuen sektoralen Zielen. Im Rahmen des im Mai 2022 eingeführten REPowerEU-Plans schlägt die Kommission vor, dieses Ziel für erneuerbare Energien bis 2030 auf einen Anteil von 45% anzuheben.
Wenn wir die Zahlen für verschiedene Arten erneuerbarer Energien zusammenzählen, erhalten wir immer die gleiche alte Antwort – es kommt darauf an. Bei der Energieerzeugung gilt als wichtigste Regel der Wirkungsgrad pro Euro. Nicht alle europäischen Regionen sind für alle Arten von Investitionen in erneuerbare Energiesysteme geeignet und können nicht eine Technologie universell einsetzen. Es gibt viele Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, bevor Sie eine Investition tätigen.
Windkraft
Die Rolle der Offshore-Windenergie bei der Erreichung der Ziele des EU Green Deal kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Zu diesem Zweck zielt die Offshore-Strategie für erneuerbare Energien der Europäischen Kommission darauf ab, bis 2050 300 GW Offshore-Windkrafterzeugungskapazität in das Energiesystem zu integrieren. Ein solch umfassender Übergang stellt das europäische Stromsystem jedoch vor mehrere Herausforderungen.
Zu diesen Herausforderungen gehören die Notwendigkeit, kostengünstige Verbindungen und Netzentwicklungen herzustellen, die Systemsicherheit zu gewährleisten, eine vollständige Neudefinition von Stromflussmustern zu ermöglichen, Raumplanungs- und Umweltbelange anzugehen, eine integrierte Perspektive über Zeit, Raum und Sektoren hinweg zu erreichen und Flexibilität zu gewährleisten Ressourcen zum Ausgleich des Energiesystems.
Ziel von REPowerEU ist es, die Energiesicherheit Europas zu verbessern, indem die derzeitige Windenergiekapazität von 190 GW bis 2030 auf mindestens 480 GW erhöht wird. Um dies zu erreichen, müssten die Genehmigungsverfahren gestrafft und die europäische Lieferkette für Windenergie gestärkt werden. Darüber hinaus wären erhebliche Investitionen in Offshore-Netzinfrastruktur, Hafenanlagen und Schiffe erforderlich.
Deutschland, Dänemark, die Niederlande und Belgien haben bereits einen 135-Milliarden-Euro-Pakt unterzeichnet, um die Offshore-Windkraftkapazität bis 2050 auf 150 GW zu erhöhen. Ziel der Vereinbarung ist die Verzehnfachung der Offshore-Windkraftkapazität in der Region, die voraussichtlich insgesamt angezogen werden soll Investitionen von 135 Milliarden Euro aus dem Privatsektor. Die tatsächliche Zahl könnte jedoch noch höher liegen, da die Europäische Kommission geschätzt hat, dass insgesamt 800 Milliarden Euro an Investitionen in die Offshore-Energie erforderlich sind, um das EU-Ziel für 2050 zu erreichen.
Die vier Nationen planen auch, die Zusammenarbeit bei der Produktion von aus erneuerbarer Energie gewonnenem “grünem” Wasserstoff zu verstärken und die zugehörige Infrastruktur in der Region auszubauen. Außerdem wollen sie bis 2030 in 30 GW Elektrolyseurkapazität investieren.
Solarenergie
Trotz eines Rückgangs der Kosten für Solarphotovoltaik (PV) um über 80% in den letzten zehn Jahren betrug ihr Beitrag zum Stromnetz der EU im Jahr 2020 nur 5%. Bei der Wärmeerzeugung machte Solarstrom nur 1,5% aus.
Die European Solar Rooftops Initiative wurde in Brüssel ins Leben gerufen, um den Übergang weg von gasbetriebener Energie und Heizung in Wohnungen, Büros, Geschäften und Fabriken zu beschleunigen. Die Initiative wurde von der EU und den nationalen Regierungen unterstützt, die Maßnahmen ergriffen haben, um die Genehmigungsfristen für Dachinstallationen auf drei Monate zu begrenzen. Durch diese Initiative haben Länder erfolgreich EU-Fördermittel genutzt und Förderprogramme für Dachpaneele gestartet und bis 2025 in allen geeigneten öffentlichen Gebäuden Solarenergie installiert. Die Initiative hat eine Schlüsselrolle bei der Steigerung des Anteils von Solarenergie am Strommix der EU gespielt und hat dazu beigetragen, die Treibhausgasemissionen der Region zu reduzieren.
In einem bedeutenden Schritt zur Förderung der europäischen Solarindustrie hat die EU mehrere Initiativen und Fonds gestartet, die darauf abzielen, Investitionen in die Fertigung und Qualifizierung von Arbeitnehmern im Solarsektor zu unterstützen. Die neu gegründete „EU Solar Industry Alliance“ soll das Budget des Blocks und den Innovationsfonds für den Kohlenstoffmarkt nutzen, um zur Finanzierung von Solarherstellungsprojekten in Europa beizutragen. Im Rahmen der Initiative werden Regierungen und Ausbildungsanbieter zusammenarbeiten, um Arbeitnehmer im Solarsektor zu schulen.
Derzeit hat Europa etwa 14 geplante Projekte zur Herstellung von Solarkomponenten, von denen einige eine erhebliche Finanzierung für den Start erfordern. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat die EU proaktive Schritte unternommen, um diese Projekte durch die Gründung der „EU Solar Industry Alliance“ zu unterstützen.
In den letzten Jahren hatte Europa Mühe, mit Chinas großen Solarfabriken zu konkurrieren, auf die 2020 75% der Solarmodulimporte der EU entfielen. Obwohl die EU zwischen 2013 und 2018 Antidumping- und Antisubventionskontrollen für Solarmodule aus China eingeführt hat, hat Europa es als schwierig empfunden, mit China in Bezug auf die Solarherstellung zu konkurrieren. Mit den neu eingerichteten Initiativen und Fonds ist die EU jedoch optimistisch, die Solarindustrie des Kontinents anzukurbeln und die Abhängigkeit von Importen aus anderen Ländern zu verringern.
Erneuerbare Wasserstoffwelt laut EU
Erneuerbarer Wasserstoff wird der Schlüssel sein, um Erdgas, Kohle und Öl in schwer zu dekarbonisierenden Industrien und im Verkehr zu ersetzen. REPowerEU hat sich zum Ziel gesetzt, rund 664 TWh Energieimporte zu ersetzen: 10 Millionen Tonnen inländische erneuerbare Wasserstoffproduktion und 10 Millionen Tonnen erneuerbare Wasserstoffimporte bis 2030.
Der vollständige Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft würde eine starke Steigerung der Kapazität erneuerbarer Energien erfordern. Es ist erwähnenswert, dass ein vollständiger Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft wahrscheinlich nicht über Nacht erfolgen wird sondern wahrscheinlich schrittweise über mehrere Jahrzehnte, was Zeit für die Entwicklung der erforderlichen Infrastruktur und Kapazitäten bietet.
Eine Studie der Internationalen Energieagentur (IEA) ergab, dass die Deckung von nur 5% des weltweiten Energiebedarfs mit Wasserstoff bis 2050 den Einsatz von 3.600 GW an Elektrolyseurkapazität erfordern würde, was mehr als dem Zehnfachen der derzeit weltweit installierten Kapazität von Wind- und Solarenergie entspricht.
Die riesige Kugel aus Wasserstoff ist in der EU langsam ins Rollen gekommen. In der Gegenwart und in naher Zukunft wird ein Mix aus Energiequellen, einschließlich erneuerbarer und nicht erneuerbarer Quellen, erforderlich sein, um den Energiebedarf einer Wasserstoffwirtschaft zu decken, insbesondere während der Übergangszeit. Das ist die Realität der Situation für die kommenden Jahrzehnte.
Aktuelle Nachrichten:
Council and Parliament reach provisional deal on renewable energy directive – 30. March 2023.