Potenziale, Grenzen und Prioritäten. Grüner Wasserstoff für die Energiewende

Erste Veröffentlichung richtet Blick auf Wärmesektor

Grüner Wasserstoff wird in einem zukunftsfähigen Energiesystem eine wichtige Rolle spielen. Allerdings ist er derzeit noch eine knappe Ressource, weshalb die Potenziale und Grenzen seines Einsatzes in verschiedenen Einsatzfeldern fundiert bewertet werden müssen. Wo liegen die Anwendungsfälle, in denen grüner Wasserstoff alternativlos ist? Wo ist er verzichtbar, weil es effizientere Wege der Dekarbonisierung gibt? Diesen Fragen widmet sich eine mehrteilige Studienreihe des Energiewende-Verbundprojekts Norddeutsches Reallabor (NRL).

Grüner Wasserstoff (aus Ökostrom) – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Die Studienreihe trägt den Titel „Potenziale, Grenzen und Prioritäten. Grüner Wasserstoff für die Energiewende” und gibt einen Überblick von der Wasserstofferzeugung bis hin zur Anwendung in den verschiedenen Verbrauchssektoren. Durch techno-ökonomische Betrachtungen werden relevante Technologien in Hinblick auf ihre Potenziale und Grenzen bewertet und daraus Prioritäten für den zukünftigen Einsatz von grünem Wasserstoff abgeleitet.

„Für einen energieeffizienten Markthochlauf geht es nicht darum, möglichst viele theoretische Anwendungsfälle für grünen Wasserstoff zu finden, sondern zu identifizieren, wo der Einsatz von grünem Wasserstoff alternativlos ist und wo demzufolge prioritär neue Geschäftsmodelle bzw. Wertschöpfungsketten erforderlich sind. Hierzu soll unsere Studienreihe beitragen“, erklärt Prof. Dr. Jens-Eric von Düsterlho, Leiter des Departments Wirtschaft an der HAW Hamburg und Leiter der hinter den Veröffentlichungen stehenden Arbeitsgruppe des Norddeutschen Reallabors (NRL).

Das NRL ist ein vom BMWK gefördertes Verbundprojekt, in dem 50 Partner aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik neue Wege zur Klimaneutralität aufzeigen wollen. Die aktuelle Studienreihe ist im NRL-Teilvorhaben „Neue Markt- & Geschäftsmodelle, Regulatorik“ des Norddeutschen Reallabors angesiedelt, das die Erprobungsvorhaben der Industriepartner des NRL aus einer ökonomischen Perspektive wissenschaftlich begleitet. Beteiligte Partner sind das Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E) der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg und die Hochschule Flensburg. Forschungsgrundlage waren Literaturrecherchen, Interviews mit Expert*innen aus dem NRL-Projekt sowie eigene Modelle und Berechnungen zu Kosten und CO₂-Einsparungen.

Wasserstoff im Gebäudesektor: Wärmepumpe deutlich effizienter

Den Auftakt der Reihe macht – neben einer für sich stehenden Hinführung zum Thema grüner Wasserstoff – zunächst eine Veröffentlichung zum Gebäudesektor, auf den 41 Prozent der deutschen CO₂-Äq-Emissionen entfallen. Der zentrale Einsatz von Wasserstoff in der Fernwärmeerzeugung kann in Kraftwerkskonzepten sinnvoll sein – zur Abdeckung von Spitzenlasten oder durch Kraft-Wärme-Kopplung. In der Studie steht insbesondere die dezentrale Wärmeerzeugung durch Wasserstoff auf dem Prüfstand. Durch die direkte Verbrennung von Brennstoffen in Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD) und Haushalten entstehen 13 Prozent der deutschen CO₂-Äq-Emissionen. Der CO₂-Ausstoß dieser Form der Wärmebereitstellung muss sich bis 2030 um 43 Prozent reduzieren, um die bundesweiten Klimaziele einzuhalten. Dies erfordert neben einer umfassenden Gebäudesanierungsstrategie ein schnelles Überdenken der einsetzbaren Heiztechnologien.

Um verschiedene Heiztechnologien vor dem Hintergrund des prognostizierten Markthochlaufs von Wasserstoff ökonomisch zu bewerten, wurden die tatsächlich anfallenden Kosten im Zeitverlauf verglichen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass auf Wasserstoff ausgerichtete Gas-Brennwertthermen an dieser Stelle nicht sinnvoll sind: „Aus Effizienzgründen ist der Einsatz von Wasserstoff für die dezentrale Wärmebereitstellung nicht zu priorisieren, da hier ein Vielfaches an grüner elektrischer Energie für die Elektrolyse im Vergleich zu einem Szenario mit Wärmepumpen notwendig wäre”, betont Felix Doucet, Autor der Studie und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am CC4E. Der direkte Vergleich zeige, dass der Einsatz von erneuerbarem Strom pro kWh zu erzeugender Wärme bei der Verbrennung von grünem Wasserstoff in Brennwertthermen fünf- bis sechsmal höher ist als bei der direkten Nutzung in einer Wärmepumpe.

Wenn alle Gebäudenutzer*innen der gezeigten Vorteilhaftigkeit von Wärmepumpen folgen würden und es keine Restriktionen im Stromnetz gäbe, könnten große Teile der bestehenden Gasnetzinfrastruktur in Wohngebieten obsolet werden, so die Studie weiter. Eine Ertüchtigung der Gasnetze für einen Wasserstofftransport in Wohngebiete wäre aus ökonomischer Sicht jedenfalls nicht zielführender als die ohnehin notwendige Ertüchtigung des Stromnetzes.

Wenngleich die Verbrennung von Wasserstoff zur dezentralen Wärmeerzeugung im direkten Kostenvergleich mit Wärmepumpen unvorteilhaft ist, könnte die Abwärme von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, die zur Produktion von grünem Wasserstoff für andere Sektoren notwendig sind, zur Effizienz-Steigerung in Wärmenetze eingespeist werden. Standorte von Elektrolyseuren sollten daher idealerweise so gewählt werden, dass ein Wasserstoffnetz bzw. ein Wasserstoffspeicher vorhanden ist und gleichzeitig ein Wärmenetzanschluss bzw. eine Nutzungsmöglichkeit für die Wärme gegeben sind, empfehlen die Studienautor*innen.

Wärmenetze können die Vorteile von unterschiedlichen Wärmeerzeugern aufgreifen: So kann bei hohem Angebot erneuerbarer Energien und damit bei günstigen Strompreisen eine Wärmepumpe betrieben werden, bei hohen Strompreisen kann mit Kraft-Wärmekopplung Strom und Wärme aus einem Brennstoff erzeugt werden, zum Beispiel grünem Wasserstoff oder daraus hergestelltem Methan.

Fortsetzung der Reihe mit Fokus auf weitere Sektoren

Bis zum Sommer sollen in lockerer Folge drei weitere Studien der Reihe veröffentlicht werden. Sie widmen sich der Wasserstoffanwendung im Verkehrssektor, der Wasserstoffanwendung im
Industriesektor und der Wasserstoff-Erzeugung. Den Abschluss macht eine Publikation zu Wasserstoffanwendungen im Sektorenvergleich.

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