Der Mythos: Wasserstoff ist eine No-Regrets-Lösung für jeden Sektor
Die Vielseitigkeit von Wasserstoff als Dekarbonisierungslösung hat zu einem Mangel an Konsens und Klarheit darüber geführt, wo er wirklich benötigt wird. Wasserstoff wird manchmal als das „Schweizer Taschenmesser“ der Dekarbonisierung bezeichnet, das in fast allen Bereichen eine Rolle spielen kann, wie es sein kann verbrannt B. zur Erzeugung von Strom oder Wärme, dienen als kohlenstofffreier Input für die Produktion „grüner“ Stahl und Dünger, und treiben alles von Personenkraftwagen an Hochsee-Frachtschiffe.
Die Realität: Wasserstoff sollte für „schwer zu beseitigende“ Sektoren priorisiert werden
Theoretisch lässt sich mit Wasserstoff tatsächlich fast jeder Sektor dekarbonisieren. Aber nur weil es kann, heißt das nicht, dass es sollte. Als eines von mehreren Werkzeugen in der Dekarbonisierungs-Toolbox sollte Wasserstoff dort priorisiert werden, wo Energieeffizienz und direkte Elektrifizierung nicht möglich sind. Insbesondere das Potenzial von Wasserstoff, die am schwersten zu reduzierenden Sektoren schnell und kostengünstig zu dekarbonisieren, macht ihn zu einem notwendigen Bestandteil der Umstellung auf saubere Energie.
Einer der Faktoren, die die globale Dekarbonisierung einschränken, ist die Knappheit und der Wert von erneuerbarem Strom, der zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff verwendet wird. Schon jetzt braucht die Welt eine weitaus mehr saubere Strominfrastruktur, da sich der Stromverbrauch im Jahr 2050 allein aufgrund des Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstums verdoppeln wird – und nur 10 Prozent Strom heute kommt von Sonne und Wind. Nimmt man den Strom hinzu, der für die Herstellung von grünem Wasserstoff zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie und des Verkehrs benötigt wird, könnte sich der Stromverbrauch verdreifachen. Vor diesem Hintergrund ist es auf Makroebene wichtig, der Senkung des Stromverbrauchs und der möglichst effizienten Nutzung erneuerbaren Stroms Priorität einzuräumen. Daher eignen sich viele der heutigen Mikro-Business-Cases von Wasserstoff zum Heizen von Gebäuden, zur Stromerzeugung oder zum Betanken von leichten Nutzfahrzeugen besser für Investitionen in Energieeffizienz oder direkte Elektrifizierung (siehe Abbildung 1 unten).
Es gibt jedoch mehrere Anwendungen, bei denen Energieeffizienz und direkte Elektrifizierung unerschwinglich, unpraktisch oder einfach unmöglich sind. Geben Sie Wasserstoff ein. Angesichts seiner Flexibilität, technologischen Reife und relativ niedrigen Kosten Wasserstoff ist eine der wichtigsten Lösungen zur Dekarbonisierung der sogenannten schwer zu reduzierenden Sektoren wie Stahlerzeugung und Schifffahrt.
Das beste Werkzeug für einen schwierigen Job
Die spezifischen Anwendungen, in denen Wasserstoff glänzt, können je nach Geographie variieren, insbesondere da mehrere entwickelte Volkswirtschaften über Landbeschränkungen verfügen und nur begrenzt in der Lage sind, erneuerbare Kapazitäten aufzubauen. Aber noch bevor wir die realwirtschaftlichen Einschränkungen berücksichtigen, gibt es mehrere unbedenkliche Anwendungen von Wasserstoff mit hoher Priorität, die heute im Mittelpunkt der Politik und Investitionen stehen sollten: Düngemittelproduktion, Petrochemie und Raffination, Stahlproduktion, Seeschifffahrt und, in in einigen Märkten auch Langstrecken-Schwerlastverkehr per Bahn und Lkw. Diese Sektoren benötigen alle Wasserstoff zur Dekarbonisierung, sind technologiereif für den Übergang und tragen erheblich zu den globalen Emissionen bei. Mit der Zeit wird Wasserstoff wahrscheinlich über diese Kernanwendungen hinaus expandieren.
Abbildung 1 veranschaulicht die CO2-Reduktion pro Kilowattstunde (kWh) kohlenstofffreien Stroms, der entweder direkt in elektrifizierten Endanwendungen oder indirekt durch die Erzeugung von Wasserstoff verwendet wird. Diese quantitative Bewertung bestätigt die maßgebliche Philosophie der vorrangigen Anwendungen von Wasserstoff: Verwenden Sie Wasserstoff dort, wo Sie nicht elektrifizieren können. Die direkte Nutzung von Strom, wann immer möglich, bietet das größte Emissionsminderungspotenzial, vor allem angesichts der geringen Round-Trip-Effizienz der Verwendung von Wasserstoff in diesen Anwendungen (Gebäudeheizung, Stromerzeugung und Leichttransport).
Abbildung 1: Emissionsminderungspotenzial pro kWh Stromeinsatz
Hinweis: Gebäudewärme vergleicht eine Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von 2,92 und eine Wasserstofffeuerung mit 80 Prozent Wirkungsgrad mit einer Erdgasverbrennung. Die Stromerzeugung vergleicht die direkte Elektrifizierung und eine Wasserstoffturbine mit einem Wirkungsgrad von 60 Prozent mit der Erdgasverbrennung. Leichte Nutzfahrzeuge vergleicht ein zu 50 Prozent Tank-to-Wheels effizientes Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug und zu 70 Prozent Tank-to-Wheels batteriebetriebenes Elektrofahrzeug mit einem 30 Prozent Tank-to-Wheels-Benzin-Verbrennungsmotor, einschließlich Strom für die Wasserstoffkompression. Wasserstoff ersetzt Kokskohle für Stahl, durch Dampfmethanreformierung erzeugten Wasserstoff für Düngemittel und Diesel für LKWs. Ammoniak ersetzt Schweröl in einem Verbrennungsmotor mit 39 Prozent Wirkungsgrad für die Seeschifffahrt. Quelle: Emissionsintensitätswerte von UVP
No-Regret-Anwendungen heute
Wasserstoff ist bereits heute weit verbreitet – das Problem ist, dass ein Großteil davon emissionsintensiver Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen ist. Die Wasserstoffproduktion für die Düngemittel- und Ölraffination trägt derzeit etwa 2 Prozent zu den weltweiten Emissionen bei. Die Verwendung von sauberem Wasserstoff zur Dekarbonisierung dieser heutigen Nutzungen von kohlenstoffintensivem Wasserstoff ist eine notwendige Anwendung, und die EU hat sich dazu verpflichtet den gesamten „grauen“ Wasserstoff ersetzen bis 2030 aus Erdgas gewonnen werden. Angesichts des 1:1-Austauschs zwischen sauberen und konventionellen Wasserstoffrohstoffen könnten diese Sektoren als Lokomotive für die Skalierung der Lieferkette dienen und Kostensenkungen für saubere Wasserstofftechnologie vorantreiben.
Wasserstoff hat auch für die Stahlerzeugung höchste Priorität angesichts der Größenordnung der Emissionen des Sektors und der begrenzten Alternativen zur Dekarbonisierung. Die Stahlherstellung ist heute für ~8 Prozent der weltweiten Emissionen verantwortlich, hauptsächlich aufgrund der Verwendung von Kokskohle, um den Sauerstoff aus Eisenerz zu entfernen, um reines Eisen zu erzeugen, ein chemischer Prozess, der als „Reduktion“ bezeichnet wird. Der Ersatz von Kokskohle durch Wasserstoff in diesem Reduktionsprozess ist die vielversprechendste und ausgereifteste Lösung zur Dekarbonisierung der Stahlherstellung.
In ähnlicher Weise hat die Seeschifffahrt – ~2,5 Prozent der weltweiten Emissionen, Tendenz steigend – nur wenige Dekarbonisierungsoptionen für Tiefseereisen über wasserstoffbasierte Rohstoffe hinaus. Eine Elektrifizierung ist für regionale Fahrten möglich, aber für die Langstreckenschifffahrt, die für die meisten Emissionen des Sektors verantwortlich ist, werden Wasserstoff oder seine Derivate (z. B. Ammoniak oder Methanol) erforderlich sein. Biokraftstoffe stellen eine Alternative zu wasserstoffbasierten Kraftstoffen dar, aber die Rohstoffe sind begrenzt und werden weitgehend eher für die Verwendung in der Luftfahrt priorisiert in der Seeschifffahrt.
Schwerlast-Lkw, die etwa 4,5 Prozent der weltweiten Emissionen ausmachen, sehen wahrscheinlich einen Bedarf an Wasserstoff für die schwersten Fahrzeuge auf Langstrecken, da die Energiedichte der Batterien und die langen Ladezeiten in Verbindung mit den für die Reise erforderlichen Entfernungen begrenzt sind .
Längerfristige Anwendungen für Wasserstoff
Die Luftfahrt bietet mehrere Optionen zur Dekarbonisierung, wobei die Machbarkeit je nach Flugzeuggröße und Flugstrecke variiert. Für kürzere Strecken ist die Elektrifizierung eine Option. Für längere Strecken kristallisieren sich Biokraftstoffe, Synfuels oder Wasserstoff als Kernlösungen heraus. Es gibt jedoch technologische, gestalterische und regulatorische Hürden, die genommen werden müssen, bevor Wasserstoff in diesem Sektor einsatzbereit ist; Bis dahin beschränkt sich der emissionsfreie Luftverkehr auf die Verwendung von „Drop-in-Fuels“, die keinen Flugzeugwechsel erfordern. Um die Dekarbonisierung der Luftfahrt zu beschleunigen, sobald die flugzeugseitige Technologie bereit ist, sollte die Wasserstoffinfrastruktur heute mit Blick auf eine zukünftige Versorgung der Flughäfen im Jahr 2030 aufgebaut werden.
Da die Netze eine vollständige Dekarbonisierung anstreben, benötigen sie sauberen, stabilen Strom, um von 80 Prozent auf 100 Prozent kohlenstofffreien Strom umzusteigen. Wasserstoff ist eine von vielen Optionen, um diesen Bedarf zu decken, zusammen mit Lösungen wie Demand Response, Batterien, CO2-Abscheidung und -Speicherung sowie Geothermie. Auch wenn die Entscheidung über die wirtschaftliche Lösung noch aussteht, bieten die Einfachheit und Flexibilität von Wasserstoff – insbesondere als saisonale Speicherressource – entscheidende Vorteile. Wann diese Ressourcen benötigt werden, um eine weitere Dekarbonisierung des Energiesystems zu ermöglichen, ist von Netz zu Netz unterschiedlich, aber im Allgemeinen sollte erneuerbarer Strom heute direkt in das Netz eingespeist werden, anstatt zur Herstellung von Wasserstoff zur Rückverstromung verwendet zu werden.
Wo die direkte Elektrifizierung wahrscheinlich gewinnt
Das Beheizen von Gebäuden und der Personentransport in leichten Nutzfahrzeugen sind Anwendungen, die wahrscheinlich besser für die direkte Elektrifizierung geeignet sind als für Wasserstoff, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Wärmepumpen sind eine kommerziell erhältliche, kostengünstigere und effizientere Lösung zur Dekarbonisierung von Gebäuden in gemäßigten und warmen Klimazonen. Die Effizienz und Verfügbarkeit von batterieelektrischen Fahrzeugen für den Personenverkehr machen die direkte Elektrifizierung ebenfalls häufig zur bevorzugten Lösung. Es wird jedoch wahrscheinlich Fälle geben, in denen Wasserstoff eine praktikable Lösung sein könnte, z. B. an Standorten mit eingeschränkten erneuerbaren Energien oder in Fällen, in denen ein Austausch der Infrastruktur gegen Strom unglaublich schwierig ist.
Neben der direkten Verwendung von Wasserstoff zur Wärme- und Stromerzeugung in Gebäuden hat das Mischen von Erdgas mit Wasserstoff einige Aufmerksamkeit erhalten. Das Mischen von Wasserstoff mit Erdgas erfordert keine Aufrüstung von Pipelines, Turbinen oder Kesselinfrastruktur, die in einem reinen Wasserstoffsystem alle unterschiedlich sind. Allerdings ist die Emissionsminderung durch das Mischen von Wasserstoff mit Erdgas begrenzt. Das Mischen von so viel Wasserstoff, wie die meisten Pipelines vor dem Abbau verarbeiten können (~20 Volumenprozent), führt zu einer Emissionsreduzierung von nur 7 Prozent, angesichts der geringeren volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu Methan in Erdgas.
Wasserstoff ist der Schlüssel zum Erreichen unserer Klimaziele, aber der Einsatz von Wasserstoff in Fällen, in denen Energieeffizienz und direkte Elektrifizierung bessere Optionen sind, wird unsere Fähigkeit behindern, unser Energiesystem schnell und kostengünstig zu dekarbonisieren. Um die systemweite effiziente Nutzung von wertvollem sauberen Strom zu maximieren, sollte Wasserstoff verwendet werden, wenn diese Lösungen nicht möglich sind. Düngemittel, Ölraffination und Petrochemie, Stahlherstellung und Schwerlasttransporte über lange Strecken sind heute unbedenkliche Anwendungen von Wasserstoff, zu denen sich mit der Zeit die Luftfahrt und die Langzeitenergiespeicherung gesellen könnten.
Durch Tessa Weiss, Thomas Koch Blank
© 2021 Rocky Mountain Institut. Veröffentlichung mit Genehmigung. Ursprünglich gepostet am RMI-Ausgang.
Ausgewähltes Bild mit freundlicher Genehmigung von Siemens.
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