Nach der Begrüßung durch den Moderator des Forums Dirk Filzek, House of Energy e.V, übernimmt House of Energy Geschäftsführer Prof. Dr. Peter Birkner die Einführung in den Zukunftsmarkt Wasserstoff.

Das nachhaltige System der Energiewende basiert auf den Säulen „Erneuerbare Energien“ und „Effizienz / Suffizienz“. In beiden ist Strom die dominierende Energieform. Zum einen wird bei der Nutzung von regenerativen Energiequellen in der Regel Strom erzeugt und zum anderen sind Stromanwendungen hocheffizient. Dennoch wird es keine „all electric world“ geben. Die Grenzen von Strom liegen in seiner Wirksamkeit. Effiziente Anwendungen müssen nicht notwendigerweise effektiv im Sinne der angestrebten Funktion sein. Daher ist es vor allem im Verkehrssektor aber auch im Wärmesektor erforderlich auf andere Energieformen zurückzugreifen. Damit kommen chemische Energieträger ins Spiel. Der einfachste ist Wasserstoff, aber auch synthetische Kraftstoffe wie Ammoniak, Methanol oder Kerosin spielen eine Rolle (siehe Grafik).

Aus Effizienzgründen sind so viele Anwendungen wie möglich elektrisch zu betreiben. Es wird aber im Wärmebereich Fälle geben, wo dies weder wirtschaftlich noch technisch darstellbar ist. Dann bietet Wasserstoff eine Alternative zu Wärmepumpe und Fernwärme. Im Mobilitätssektor spielen chemische Verbindungen eine umso größere Rolle, je schwerer das zu betreibende Verkehrsmittel ist und je weiter es fahren soll: LKW, Bus, Züge ohne Oberleitung. Weiterhin ist auch die Binnenschifffahrt, der weltweite Schiffsverkehr und die Luftfahrt zu betrachten. Wasserstoff hat auch hier seine Einsatzgebiete, aber es werden mit Blick auf die Energiedichte auch flüssige Energieträger benötigt. Die genauen Grenzen der einzelnen Anwendungsfelder sind heute nur schwer festzulegen. Zu dynamisch verläuft hier die technische Entwicklung, durch die letztendlich die preiswerteste Lösung bestimmt wird.

Es gibt verschiedene Verfahren der Wasserstoffherstellung. Nachhaltig ist nur die Variante, die auf Elektrolyse von Wasser unter Einsatz von grünem Strom basiert. In diesem Zusammenhang spielt auch die Flexibilität von Elektrolyseuren eine Rolle. In gewissem Umfang können sie durch eine der Verfügbarkeit von grünem Strom angepasste Betriebsweise die Stabilisierung des Stromsystems unterstützen. Auch der umgekehrte Weg ist möglich, wenn Wasserstoff als Energieträger für Kraftwerke oder KWK-Anlagen eingesetzt wird. Wasserstoff ist damit nicht nur ein Stoff, der in Mobilität, Wärmeerzeugung oder in der Industrie, sondern er bietet auch Optionen zu Stabilisierung des Stromsystems sowie zur Speicherung von Energie, z.B. zur Bewältigung der Dunkelflaute.

In der näheren Zukunft erwarten wir eine Reihe von Entwicklungen im Kontext mit Wasserstoff. Er wird sich als feste Größe einer nachhaltigen Energieversorgung etablieren. Doch welche Perspektiven bietet uns Wasserstoff und wo genau stehen wir heute? Und was sind die Herausforderungen? Hinweise versuchen die folgenden vier Impulsvorträge zu geben, die sich mit den folgenden Aspekten befassen:

• Großräumiger Transport von Wasserstoff
• Regulierung von Wasserstoffsystemen
• Wasserstoff im industriellen Kontext und Kreislaufwirtschaft
• Moderne Wasserstofftechnologien

Vortrag 1: Leitungsgebundener Wasserstofftransport – Eine Vision für Deutschland

Rolf Wagner ist Referent für Marktgebietsmanagement und Geschäftsentwicklung bei GASCADE Gastransport GmbH und sagt „Ein Wasserstoff-Startnetz bietet Industriezweigen wie Stahl und Chemie die Möglichkeit, klimaneutral zu werden. Bei entsprechenden Anpassungen des Rechtsrahmens ist dies zu akzeptablen Kosten realisierbar.“

GASCADE hat mit anderen Fernleitungsnetzbetreibern untersucht, welche Möglichkeiten es für ein visionäres Netz gibt und welche Grundvoraussetzungen für Wasserstoff notwendig sind. In Gesprächen mit Industrie und Erzeugern wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:

• Wasserstoff und Erdgas sind jeder für sich wertvoller als die Beimischung von Wasserstoff in bestehende Erdgasinfrastrukturen. Anfangswird es aber vermutlich, je nach Netzbereich und Netzstufe (z.B. im Fernleitungs- oder Verteilnetz) auch einer Beimischung von Wasserstoff bedürfen, um diesen aufzunehmen.
• Die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoff spielt natürlich eine große Rolle, insbesondere für die industriellen Nutzer, deren Endprodukte konkurrenzfähig bleiben müssen.

Um die Produktionspotentiale für Wasserstoff zu untersuchen, wurde bei der Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE) eine Studie in Auftrag gegeben. Betrachtet wurde der Zeitraum 2020 bis 2050. Die Ergebnisse zusammengefasst:

• gerade im Küstenbereich besteht hohes Produktionspotential für Wasserstoff
• die Nachfrage liegt aber nicht im Küstenbereich, sondern in den bekannten Industriegebieten (Rhein-Main-Gebiet, Ruhrgebiet, Chemiedreieck Mitteldeutschland, Großraum HH, etc.)

Die Langversion der Studie ist bei FfE veröffentlicht.

FAZIT: Bisherige Erdgasleitungen sollen umgestellt werden. Bis 2030 soll ein erstes Startnetz im Nordwesten des Landes geschaffen werden. Dort liegt momentan das größte Potential, weil es genügend Netzkapazität, Produktion und auch Speichermöglichkeiten (Kavernenspeicher) gibt. Eine erste Nutzung für reinen Wasserstoff ist ab 2030 denkbar. Dazu wären aber klare Signale aus der Politik zu geplanten Regulierungen nötig.

Vortrag 2: Regulierungsrahmen für die leitungsgebundene Wasserstoffinfrastruktur

Dr. Olaf Däuper ist Rechtsanwalt bei Becker Büttner Held PartGmbB und befasst sich mit Rechtsfragen rund um die Energiewende. Einen speziellen Schwerpunkt stellt hierbei die Regulierung von Infrastrukturen dar. Er sagt: „Aus Erdgasnetzbetreibern werden „Kombinetzbetreiber“. Es braucht einen Regulierungsrahmen 2.0 mit einer gemeinsamen Regulierung für Wasserstoff und Erdgas (wobei die Netze für Erdgas und Wasserstoff mittelfristig getrennt sein sollten).“

Im Zuge der Liberalisierung der Energiewirtschaft wurden Ende der 1990´er Jahre umfassende Entflechtungs-, Zugangs- und Entgeltregelungen eingeführt. Ziel war es, dass eine Netzinfrastruktur Angebot und Nachfrage von leitungsgebundenen Energien effizient und ohne Gefahr von Missbrauch bedient. Eine geeignete Regulierung der Netze ist als Grundlage für einen funktionierenden wettbewerblichen Markt zu verstehen.

Wasserstoff muss nicht zwangsläufig über Leitungen transportiert werden. Das wäre zurzeit aber effizienter und alternativlos, wenn man in größerem Rahmen in Wasserstoff einsteigen möchte. Man müsste nämlich nicht auf der grünen Wiese anfangen: es gibt bereits reine Wasserstoffanwendungen, es gibt Erdgasinfrastrukturen und auch Netze und Personal. Ein Regulierungsregime ist vorhanden, dies müsste nur weiterentwickelt werden.

Der europäische Rechtsrahmen ist in der Gasbinnenmarkt-Richtlinie geregelt, die bisher nur für Erdgastransporte ausgestaltet ist. Diese müsste auf Wasserstoff angepasst werden. Reine Wasserstoffnetze egal ob grün, blau oder türkis sind zurzeit nicht reguliert, Beimischung anderer Gase wie z.B. Biogas ko-reguliert.

Das EnWG (Energiewirtschaftsgesetz) reguliert auf nationaler Ebene und verfolgt zurzeit einen technologiespezifischen Ansatz. Bei diesem darf Wasserstoff nur mittels Elektrolyse hergestellt und in ein Gasversorgungsnetz eingespeist werden. Grüner Wasserstoff aus mind. 80% erneuerbaren Quellen erzeugt wird als Biogas erfasst. Blauer oder reiner Wasserstoff sind nicht reguliert.

Deshalb hat der Bundesrat eine Erweiterungsinitiative gestartet. Zusammen mit der Bundesnetzagentur wurden Konsultationen Mitte des Jahres begonnen. Dabei stellte sich in der Politik als favorisierte Lösung ein 2-Stufen-Modell heraus. Erste Stufe: Pilotprojekte mit grünem Wasserstoff (eher Insellösungen) haben einen Fokus auf Produktion, nicht so sehr auf Regulierung, und sollen rechtssicher gefördert werden. Stufe 2: Erst nach der Bundestagswahl 2022 soll ein Marktdesign mit Regulierungsrahmen auf den Weg gebracht werden. Vorbehalt: wenn nach der Wahl andere Parteien regieren, kann sich die Ausrichtung verschieben. Die genauen Schritte sind noch offen und befinden sich im Diskussionsprozess.

Fazit: Alles dreht sich darum, die bestehende Erdgasinfrastruktur auf Wasserstoff auszuweiten – anfangs als Beimischung bis schließlich zum Transport reinen Wasserstoffs in den 2040´er Jahren. Die Anknüpfung an bestehende Erdgasnetze ist sinnvoll, kostengünstig und regulatorisch elegant. Man müsste keine komplett neuen Gesetze entwerfen und hätte eine geringere Kapitalbelastung. Sonderabschreibungen und Rückbaukosten für bestehende Netze wie bei einem Ausstieg aus Erdgas ohne entsprechende Nachnutzung könnten vermieden werden.

Vortrag 3: Perspektiven und Herausforderungen in der Wasserstoffwirtschaft

Prof. Dr. Thomas Bayer ist Leiter Neue Technologien bei Infraserv GmbH & Co. Höchst KG. Er sagt: “Wasserstoff kann Mobilität nachhaltig gestalten und zur Erzeugung von Chemikalien dienen sowie in der Sektorenkopplung eine wichtige Aufgabe übernehmen.“ Er zeigte konkrete Möglichkeiten am Beispiel des Industriepark Höchst auf.

Bei CO₂-Einsparungen darf man die Chemie nicht außer Acht lassen. Die chemische Industrie ist ein großer Verbraucher von fossilen Energieträgern. Diese werden auch als Rohstoffe zur Herstellung von Chemieprodukten eingesetzt. Beim Ersatz der fossilen Rohstoffe wird Wasserstoff eine Rolle spielen.

Wasserstoff ist für die chemische Industrie nichts Neues. Seit circa 100 Jahren besteht Erfahrung im Transport und im Einsatz von Wasserstoff im Industriepark Höchst. Seit über zehn Jahren gibt es eine öffentliche Tankstelle, wo PKW, Busse und LKW tanken können. Bisher gibt es noch nicht so viele Fahrzeuge, das ändert sich gerade: es gibt immer mehr Wasserstoff-Fahrzeuge, z.B. auch durch den Einsatz von Brennstoffzellenbussen im Werkverkehr des Industrieparks.

Neue Ideen werden Realität, unter anderem der Einsatz von Wasserstoff für Schienenfahrzeuge. Gerade im Regionalverkehr sind viele Strecken nicht elektrifiziert (Abdeckung ca. 60 %). Hier könnten Wasserstoff-betriebene Züge ein Ersatz für Dieselzüge sein. Das Problem dabei: wie sieht eine Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur für den Schienenverkehr aus? Diese Betankungsinfrastruktur ist von Infraserv für die Nahverkehrstriebfahrzeuge des Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) in einer Machbarkeits- und Realisierungsstudie entwickelt worden und wird zurzeit realisiert. Der RMV wird mit 27 Brennstoffzellen-betriebenen Zügen im Winterfahrplan 2022/23 starten.

Infraserv Höchst hat einen Innovation Campus und ist an Forschungsprojekten beteiligt. Dazu gibt es vor Ort eine Versorgung mit Wasserstoff und weiterer Infrastruktur.

Einige Beispiele, in welchen Bereichen gearbeitet wird:

• CO₂ als Chemierohstoff
• Elektrolyse von Wasser
• Herstellung von Chemierohstoffen

FAZIT: Die Chemieindustrie ist ein ganz wichtiger Player, der Wasserstoff, Technologien und Infrastruktur für eine nachhaltige Zukunft bereitstellen kann.

Vortrag 4: Innovative Technologien zur Wasserstoffbereitstellung

Stephan Hillebrand ist einer der drei Geschäftsführer der sera Hydrogen GmbH und sagt: „Der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist ein wichtiges Element, um unsere Klimaziele zu erreichen. Die Wasserstofftechnologie ist der Treibstoff der Zukunft.“

sera Hydrogen liefert Wasserstofftankstellen und setzt seinen Fokus auf Mobilität und Transport. Das Hauptthema ist zurzeit die Wasserstoffverdichtung: 1000 Wasserstoff-Kompressoren sind weltweit im Einsatz, drei Technologien sind für die Wasserstoff-Hochdruckverdichtung vorhanden.

An/ den sera Wasserstofftankstellen gibt es drei Quellen zur Wasserstoffbereitstellung. Quelle 1: der Wasserstoff wird in Trailern (LKW) angeliefert, strömt in den sogenannten Technology Container und wird anschließend in den Storage Tanks gelagert. Quelle 2 – hierzu werden in den letzten Monaten verstärkt Anfragen registriert – ist eine dezentrale Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse direkt vor Ort an der Tankstelle. Zur Entkoppelung des flukturierenden EE-Stroms wird der grüne Wasserstoff in Vorratsspeichern gelagert, die entsprechend dimensioniert werden müssen. Quelle 3 ist die Anlieferung per Pipeline. Das ist allerdings eine Sonderlösung, da Pipelines eher in Verteilerzentren münden und der Wasserstoff dann per LKW weitertransportiert wird.

Die größte Herausforderung stellt momentan die große Bandbreite an unterschiedlichen Personenkraft-, Nutz- und Sonderfahrzeugen dar, die jeweils mit verschiedenen Drücken zu betanken sind und sehr unterschiedlichen Speicherkapazitäten aufweisen. Gerade mit der Zunahme an Großfahrzeugen und größer werdenden Fahrzeugflotten müssen sehr große Wasserstoffmengen gelagert, verdichtet und betankt werden, was technologisch betrachtet eine sehr anspruchsvolle Aufgabe ist.

FAZIT: Grüner Wasserstoff ist prädestiniert für eine nachhaltige Mobilität. Wichtig sind dabei neue Technologien. Diese sind aber da und wir können mit ihnen den Verkehr dekarbonisieren.

Nach einer regen Frage- und Antwortrunde fasst Prof. Birkner zusammen und gibt – bisher noch nicht diskutierte – Denkanstöße :

Auf die Masse bezogen hat Wasserstoff eine fast dreimal so hohe Energiedichte wie Methan. Doch mit Blick auf das Volumen kommt Wasserstoff bei gleichem Druck nur auf rund ein Drittel des Energiegehalts wie Methan. Soll also durch eine gegebene Rohrleitung die gleiche Energiemenge transportiert werden, sind Druck und / oder Volumenstrom zu erhöhen. Oder bei gleichem Druck wird ein reines Wasserstoffnetz nur ein Drittel der Energie eines vergleichbaren Methannetzes bereitstellen. Dies ist bei der Dimensionierung des Gasnetzes der Zukunft zu berücksichtigen. Bisher wird dieses Thema noch weitgehen „verdrängt“.

Bezüglich des Transports wurde sehr viel über Pipelines gesprochen. Zu überlegen wäre, ob der Transport wie bei den heutigen fossilen flüssigen Kraftstoffen auch über Tanks erfolgen kann. Zwar muss der dazu erforderliche Energieeinsatz (Stichwort Kompression) berücksichtigt werden, aber gleichzeitig nimmt die Flexibilität enorm zu und der Infrastrukturausbau kann begrenzt werden.

Zum Thema flexible Stütz-Kraftwerke im Stromnetz: Wir haben den Eckpunkte des Transformationspfads des Energiesystems. Wir haben Technologien, deren Stärken, Schwächen und Potentiale sich immer klarer abzeichnen. Dennoch ist die Ausprägung des Zielsystems noch nicht klar beschreibbar. Die technologische Entwicklung unterliegt immer noch einer gewissen Varianz. Am Ende des Tages geht es um Dekarbonisierung. Strom wird eine zentrale Rolle spielen. Aufgrund der höheren Volatilität von Quellen und Senken werden wir flexible Stützkraftwerke brauchen. Zudem wird Kraft-Wärme-Kopplung eine Rolle spielen. Hier gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder werden wir irgendwann einmal die Anlagen mit reinem Wasserstoff oder anderen CO₂-neutral hergestellten Brennstoffmixen betreiben, oder wir müssen uns doch noch einmal mit dem Thema „Carbon Capture“ beschäftigen. Herr Bayer hatte angesprochen, dass CO₂ nicht nur Abfallstoff, sondern auch Rohstoff ist. Wir sollten „Carbon Capture & Conversion“ wieder auf die Agenda setzen.

FAZIT: Wasserstoff ist ein wichtiges Thema. Die Wasserstoff-Wirtschaft steht noch ganz am Anfang. Unisono wurde hervorgehoben, dass Wasserstoff eine wichtige Perspektive für die Sektoren-übergreifende Dekarbonisierung unserer Wirtschaft bietet. Bei der Umsetzung liegt der Teufel im Detail. Daher sind ganzheitliche und differenzierte Betrachtungen essenziell.

Vielen Dank an alle Teilnehmer und die Referenten, die einen spannenden Überblick zum Thema gegeben haben vor allem mit dem Fokus auf Netze, Recht, Anwendungen, und Technologien. House of Energy beteiligt sich an der Ausarbeitung der Hessischen Wasserstoffstrategie und versteht sich als Ansprechpartner für das Thema Wasserstoff im Zusammenhang mit der Transformation des Energiesystems.

Eine Aufzeichnung der Veranstaltung ist noch die nächsten sechs Monate hier zu sehen.

Hintergrund: Die verschiedenen Farben des Wasserstoffs finden Sie auf der House of Energy Website erklärt.