H2-Realitätscheck Nr. 1 des Rocky Mountain Institute
Thomas Koch Blank, Raghav Muralidharan, Kaitlyn Ramirez, Alexandra Wall und Tessa Weiss entzauberten am 09.05.2022 auf der Internetseite des Rocky Mountain Institute (RMI) den Irrglauben, Wasserstoff berge ein Klimarisiko.
Der Mythos: Jüngste Berichte legen nahe, dass die großtechnische Produktion von Wasserstoff den Bemühungen um eine Verringerung der globalen Erwärmung mehr schaden als nutzen könnte.
Die Realität: Der Nutzen für das Klima, der sich aus einer gut regulierten, sauberen Wasserstoffwirtschaft ergibt, überwiegt die Auswirkungen jeglicher Emissionen, vor allem, wenn wir mit erneuerbaren Energien produziertem Wasserstoff Vorrang einräumen.
Gastanks (Wasserstoff und Kohlendioxid) in Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Das Potenzial von Wasserstoff ausschöpfen
Wasserstoff ist ein leistungsfähiges Instrument zur Dekarbonisierung von Teilen der Wirtschaft, in denen eine Elektrifizierung nicht machbar ist. Er hat das Potenzial, die Emissionen um 11-13 Kilogramm Kohlendioxidäquivalent (CO2e) pro verbrauchtem Kilogramm im Vergleich zu fossilen Energieträgern zu reduzieren. Bei Prozessen wie der Stahlerzeugung können die Emissionen sogar noch stärker reduziert werden (25-30 kg CO2e pro kg H2). Durch den Einsatz von Wasserstoff in großem Maßstab könnten die Vereinigten Staaten etwa 15 % ihrer jährlichen Kohlendioxidemissionen einsparen.
Die Realisierung dieses Potenzials hängt davon ab, dass die Herstellung, die Speicherung, der Transport und der Verbrauch von Wasserstoff in einer Weise erfolgen, die die Emissionen bei jedem Schritt minimiert. Jede Entscheidung, die in der Wasserstoffversorgungskette getroffen wird, ist entscheidend für den letztlich erzielten Emissionsvorteil.
Bei der Erzeugung von sauberem Wasserstoff bedeutet dies, dass Regulierungsbehörden und Hersteller sich aktiv mit der Kohlenstoffintensität der Energieversorgung, der vorgelagerten Methanleckage und den Kohlenstoffabscheidungsraten befassen müssen. Theoretisch können sowohl „blauer“ als auch „grüner“ Wasserstoff – die am häufigsten in Betracht gezogenen Produktionswege – nahezu emissionsfrei hergestellt werden. Für grünen Wasserstoff (der durch Aufspaltung von Wassermolekülen erzeugt wird) ist die Verwendung von erneuerbarem Strom zum Betrieb der Elektrolyseure erforderlich. Für blauen Wasserstoff (der aus Erdgas hergestellt wird) sind Technologien zur Kohlenstoffabscheidung erforderlich, die eine noch nie dagewesene Abscheidungsleistung erbringen, sowie die weitgehende Eliminierung von Methanleckagen bei der Erdgasversorgung.
Wasserstoffleckagen sind ein zusätzliches Emissionsrisiko, das bei beiden Produktionswegen besteht, auch wenn sie heute in der Regel nicht in der Emissionsbilanzierung erfasst werden. Obwohl eine angemessene Regulierung von entscheidender Bedeutung ist, stellen Leckagen in der Versorgungskette das geringste Risiko dar, und es gibt Instrumente und Technologien, um dieses Risiko zu verringern.
Warum ist ausgetretener Wasserstoff ein Problem?
Einige neue Untersuchungen zeigen Szenarien auf, nach denen ausgetretener Wasserstoff erheblich zur Klimaerwärmung beiträgt. Wasserstoff, der an irgendeiner Stelle der Lieferkette in die Atmosphäre gelangt, kann als indirektes Treibhausgas wirken, indem er mit Schadstoffen wie Methan reagiert und deren Lebensdauer in der Atmosphäre verlängert. Ausgelaufener Wasserstoff kann sich auch auf die Ozonkonzentration auswirken, und beeinträchtigt dann die Luftqualität und die Erholung der Ozonschicht, und er kann in der Atmosphäre Wasserdampf erzeugen – damit den Treibhauseffekt verstärken.
Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass entweichender Wasserstoff möglicherweise stärker zur globalen Erwärmung beiträgt als bisher angenommen. Doch selbst bei hohen Leckageraten hat grüner Wasserstoff kurz- und langfristig einen unbestreitbar positiven Klimanutzen, vor allem im Vergleich zu den nachweislich großen Klimaschäden der fossilen Brennstoffe, die er ersetzt.
Wasserstoff ist nicht die einzige Energieversorgungskette mit Problemen im Zusammenhang mit Leckagen. Der wichtigste Energieträger, auf den die Einführung von Wasserstoff abzielt, ist Erdgas, was es zu einem wichtigen Vergleichsmaßstab für Wasserstoff macht.
In der Gasversorgungskette gibt es vier Hauptbereiche, in denen Leckagen auftreten können: die vorgelagerte Produktion und die nachgelagerte Übertragung, Speicherung und Verteilung. Auf einer Kilogramm-zu-Kilogramm-Basis wird Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas, über einen Zeitraum von 100 Jahren bis zu dreimal mehr zur Erwärmung beitragen als Wasserstoff. In einem Zeitrahmen von 20 Jahren ist der Erwärmungseffekt von Methan doppelt so hoch wie der von Wasserstoff. Allerdings hat Wasserstoff eine höhere Energiedichte als Erdgas, so dass viel weniger Kraftstoff benötigt wird, um die gleiche Funktion zu erfüllen. Wasserstoff liefert pro Kilogramm 2,5 Mal mehr Energie als Methan (120 MJ/kg bzw. 50 MJ/kg), so dass die Erwärmungswirkung von Methan bis zu sieben Mal schlechter ist als die von Wasserstoff, wenn man das Erwärmungspotenzial in Bezug auf die in jedem Molekül enthaltene Energie betrachtet.
Vergleicht man die Leckagen in der Versorgungskette eines minimal regulierten Wasserstoffsystems mit denen eines durchschnittlichen Erdgassystems, so zeigt sich, dass Wasserstoff immer noch zu geringeren Emissionen führt. Betrachtet man Methanleckageraten, die bei Echtzeitmessungen beobachtet wurden (und nicht bei standardisierten Emissionsfaktoren angenommen wurden), wird der Unterschied noch größer. Führende Hersteller von grünem Wasserstoff haben gezeigt, dass Leckagen während der Produktion mit den heutigen Technologien und bewährten Betriebsverfahren in großem Maßstab leicht minimiert werden können. Darüber hinaus sind signifikante Leckagen bei Wasserstoff unwahrscheinlicher als bei Erdgas, da der Wert von Wasserstoff relativ hoch ist, die Infrastruktur neuer ist und die Erfahrungen aus der Erkennungs- und Überwachungstechnologie übernommen wurden, was zu einer Verringerung der Leckagen in der gesamten Lieferkette von Wasserstoff führen wird.
Selbst in einer nicht regulierten alternativen Realität mit hohen Leckageraten ist Wasserstoff in unserem Wettlauf um die Dekarbonisierung immer noch von Vorteil. Blauer Wasserstoff wird Vorteile gegenüber seinen ungebremsten fossilen Alternativen bieten, aber seine Klimaauswirkung bleibt angesichts der erheblichen Emissionsrisiken durch Methanleckagen und geringe Abscheidungsraten unsicherer als die des grünen Wasserstoffs.
Die Entwicklung robuster Technologien zur Leckvermeidung durch verbesserte Verbindungsstücke, Kompressoren und Speicherbehälter wird es neuen Systemen ermöglichen, nahezu lecksicher zu sein. Zuverlässige und kosteneffiziente Leckdetektoren werden wichtig sein, um sie in großem Maßstab einzusetzen. Die Hersteller bemühen sich bereits proaktiv um die Minimierung und Erkennung von Leckagen aus Sicherheitsgründen, aber diese Messverfahren sind eher rudimentär und darauf ausgelegt, das Zündrisiko zu begrenzen. Es sind jedoch empfindlichere Detektoren zur Überwachung kleiner Leckagemengen verfügbar. Anreize zur Unterstützung der Messung und Verringerung von Leckagen in großem Maßstab werden die Investitionen in solche Technologien fördern, da sich der globale Wettlauf um die Verbreitung von Wasserstoff intensiviert.
Die Verheißung von Wasserstoff-Hubs
Die Konzentration der Wasserstoffentwicklung auf Industrie- und Verkehrsknotenpunkte wird die Möglichkeiten für Leckagen in der gesamten Lieferkette minimieren. Wasserstoff bietet die größten Vorteile in Bezug auf die Emissionsreduzierung und die kurzfristige Kostenwettbewerbsfähigkeit bei zentralisierten, industriellen Anwendungen und als Treibstoff für die Schifffahrt. Der Einsatz von Wasserstoff an Knotenpunkten, die auf diese Endanwendungen ausgerichtet sind, wird den Bedarf an Übertragungs- und Verteilungssystemen und das Potenzial für Leckagen aus solchen Systemen begrenzen. Dezentrale Verwendungszwecke wie die Beheizung von Gebäuden und die Betankung des Personenverkehrs würden aufgrund der erforderlichen größeren Verteilungsnetze ein größeres Leckagerisiko mit sich bringen. Diese Sektoren eignen sich bereits besser für die Elektrifizierung als für die Umstellung auf Wasserstoff als Kraftstoff und sollten daher nicht vorrangig behandelt werden.
Mit einer transparenten Lieferkette und einer angemessenen Regulierung und Planung ist Wasserstoff ein äußerst wirksames Instrument zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen. Im Zuge des Wachstums der Branche wird die Kopplung von Anreizen zur Vermeidung von Leckagen eine Wasserstoffwirtschaft mit geringen Leckagen fördern, aber auch politische Vorgaben für Leistungsschwellen können eine wichtige Rolle spielen.
->Quelle: rmi.org/hydrogen-reality-check-1-hydrogen-is-not-a-significant-warming-risk