Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt im Interview

„Wasserstoff kann praktisch jede Form der Energienachfrage decken“

Wasserstoff ist nahezu unbegrenzt verfügbar und kann für sehr verschiedene Anwendungen aufbereitet werden. Entscheidend sind jedoch die Aufwände für diese Aufbereitung und für die Bereitstellung, betont Energie-Experte Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt von der TU Hamburg im Interview

Text: Heinz-Jürgen Köhler

Auf Europa-, Bundes- Länder- und Städteebene werden Wasserstoff-Initiativen angeschoben. Inwieweit ist Wasserstoff für eine Defossilierung von Wirtschaft und Gesellschaft alternativlos?

Will man die hochgesteckten Klimaschutzziele erreichen – und dies scheint vor dem Hintergrund des fortschreitenden Klimawandels dringend geboten, kann der Sekundärenergieträger Wasserstoff sicherlich ein wesentlicher, gegebenenfalls der wesentliche Baustein in einem zukünftig klimafreundlicheren und nachhaltigeren Energiesystem darstellen. Ob der derzeit zweifellos gehypte Sekundärenergieträger Wasserstoff diesen Beitrag unter Kosteneffizienzgesichtspunkten, auch in den von der Politik vielfach gewünschten relativ kurzen Zeiträumen wirklich leisten kann, bleibt aber abzuwarten. Zumal ein zukünftig nachhaltigeres Energiesystem aus Kostengründen auf den heute vorhandenen Infrastrukturen aufbauen muss und diese nicht beliebig schnell verändert werden können.

Deshalb sehe ich – aus heutiger Sicht – den Wasserstoff als eine wesentliche Stütze in einem zukünftigen Energiesystem nicht als alternativlos; es sprechen aber sehr viele und sehr gute Gründe für die Option „Wasserstoff“. Vor diesem Hintergrund sind die staatlichen Wasserstoffinitiativen durchaus gut begründet und auch nach meinem Dafürhalten gerechtfertigt. 

Die Erzeugung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Wie sinnvoll ist es da auf Wasserstoff zu setzen?

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, mit dem nahezu jede Form der Energienachfrage relativ effizient gedeckt und der – da er aus Wasser und elektrischer Energie aus regenerativen Energien wie Wind und Sonne produzierbar ist – praktisch in beliebigen Größenordnungen verfügbar gemacht werden kann. Natürlich müssen die entsprechenden Anlagen beispielsweise zur Stromerzeugung (z.?B. Photovoltaikanlagen, Windenergieanlagen) erst aufgebaut, die Elektrolyseure installiert und optimiert, die Versorgungsketten etabliert und die Endnutzungssysteme ins Energiesystem integriert werden. Dies ist aufwändig und zum Teil teuer.

Auch ist sicher noch Forschung notwendig, damit die einzelnen Technologiebausteine optimal und sicher funktionieren und innerhalb der Bereitstellungskette problemlos integriert werden können. Trotzdem ist nach meinem Dafürhalten Wasserstoff immer noch der Sekundärenergieträger, der unter Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsaspekten bisher am weitgehendsten durchdacht, erforscht und verstanden wird – auch wenn sicherlich noch viele Teilaspekte ungelöst sind. Deshalb sprechen aus meiner Sicht sehr gute Gründe dafür, auf die Option „Wasserstoff“ im Energiesystem zu setzen.

Foto: VDI Hamburg ©Nadine Grenningloh

Mit Wasserstoff, so heißt es, könnten die nicht abgefragten Mengen regenerativer Energie aus Wind und Sonne sinnvoll verbraucht werden. Für wie stichhaltig halten Sie dieses Argument? Und wie relevant sind die Wasserstoff-Mengen, die auf diesem Weg erzeugt werden können?

Sogenannter Überschussstrom ist Strom, der mit Wind- und Photovoltaikanlagen derzeit erzeugt werden kann, aber im Stromversorgungssystem aus technischen Gründen nicht nutzbar ist. Dies kann daran liegen, dass entweder aktuell im Versorgungsnetz keine Nachfrage dafür vorhanden ist oder infolge von Leitungskapazitätslimitierungen diese elektrische Energie nicht zum Ort der Nachfrage transportiert werden kann. Die absoluten Mengen an Überschussstrom sind aber bisher insgesamt gering. In der Summe dürfte maximal an ein paar hundert Stunden im Jahr sogenannter Überschussstrom – in stark schwankenden Anteilen und nur regional begrenzt – anfallen.

Das ist aus ökonomischer Sicht auch das primäre Problem einer potenziellen Nutzung dieses Überschussstroms. Wollte man diese Energie nutzen – und unter Energieeffizienzgründen wäre das sicher sehr sinnvoll, könnte ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung nur diese relativ wenigen Stunden im Jahr betrieben werden; aus betriebswirtschaftlicher Sicht ist das vor dem Hintergrund der Marktpreise für Wasserstoff einerseits und den zu tätigenden hohen Investitionen unter anderem für den Elektrolyseur und die zusätzlich benötigte Wasserstoffinfrastruktur andererseits bisher praktisch kaum darstellbar.

In welchem Anwendungsbereich kann Wasserstoff am effizientesten eingesetzt werden: in der Mobilität, der Industrie oder in Haushalten zur Wärmeerzeugung?

Diese Frage kann nicht unmittelbar beantwortet werden. In allen genannten Bereichen gibt es Wasserstoff-basierte Konzepte und Systeme, die hocheffizient und potenziell kompatibel mit dem heutigen beziehungsweise dem zu erwartenden zukünftigen Energiesystem sind. Auch wird intensiv an entsprechenden weitergehenden Konzepten gearbeitet. Deshalb sind bei allen genannten Anwendungsbereichen in den kommenden Jahren vielversprechende und klimaeffiziente Lösungen zu erwarten, bei denen der Wasserstoff aber nicht der ausschließlich genutzte Energieträger sein muss; nach meinem Dafürhalten könnten sich auch entsprechende Hybridlösungen am Markt etablieren.

Wie schätzen Sie die Möglichkeiten für Wasserstoff als Beimischung zu Erdgas ein? Auf welche Beimengungsrate kann man da kommen und welche Vorteile bringt das mit sich?

Wasserstoff kann heute schon in bestimmten (kleineren) Anteilen Erdgas zugemischt werden. Die entsprechenden erlaubten Wasserstoffanteile, die derzeit von unterschiedlichen Akteuren kommuniziert werden, variieren erheblich zwischen verschiedenen Quellen. Insgesamt zeichnet sich aber ab, dass eine Zumischung im einstelligen Prozentbereich unter bestimmten Rahmenbedingungen weitgehend problemlos sein dürfte und potenziell bereits kurzfristig umgesetzt werden könnte; in näherer Zukunft könnten auch Anteile im unteren zweistelligen Bereich möglich sein. Der Vorteil einer derartigen Zumischung ist, dass damit Erdgas – als ein wichtiger Energieträger in Deutschland und Europa – zunehmend defossiliert – und damit klimafreundlicher – werden kann.

„Wasserstoff ist der Sekundärenergieträger, der unter Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsaspekten bisher am weitgehendsten durchdacht, erforscht und verstanden wird.“

Außerdem könnte – wenn es gelingt, das gesamte Erdgasversorgungssystem sukzessive „Wasserstoff-ready“ zu gestalten – die vorhandene Infrastruktur auch weiterhin genutzt und damit merklich zum Klimaschutz beigetragen werden. Unter diesen Bedingungen müssten dann auch die vorhandenen Endnutzungsgeräte sukzessive auf das Brenngas Wasserstoff umgestellt werden; damit wäre beispielsweise auch eine weitgehende Defossilierung im Wärmesektor möglich, da Erdgas heute rund die Hälfte der Heizenergie in Deutschland bereitstellt.

Zur Anwendung von Wasserstoff im Verkehrsbereich: Welche Anwendung ist sinnvoller in Bezug auf den Wirkungsgrad – Wasserstoff als Kraftstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen oder als chemischer Baustein in Kohlenwasserstoff-basierten Kraftstoffen?

Aus meiner Sicht stellt sich die Frage so nicht. Entscheidend ist, wie der Mobilitätssektor möglichst schnell und effizient defossiliert werden kann. Damit kann und wird es vermutlich nicht nur eine Lösung geben. Wahrscheinlich ist eher, dass mehrere Lösungen zukünftig im Transportsektor zu finden sein werden; dies gilt für Mobilitätslösungen ohne Wasserstoff (also Elektrofahrzeuge), für Brennstoffzellenfahrzeuge für große Reichweiten und schwere Lasten (schwerer Güterfernverkehr) und für Power-to-Liquid-Lösungen (PtL) beispielsweise für den Luftverkehr und die internationale Seeschifffahrt. Wollen wir die Herkulesaufgabe einer Erreichung der Klimaschutzziele auch im Mobilitätssektor erfüllen, kann es nur heißen „sowohl als auch“ und nicht „entweder oder“.

Für wie entscheidend halten Sie die Vorteile, die PtL-Kraftstoffe im Hinblick auf die Infrastruktur bieten?

Bestimmte Vorteile der Power-to-Liquid-Kraftstoffe (PtL) sind bestechend; für die vorhandene Verteilinfrastruktur und den heutigen Endnutzer ändert sich quasi nichts – außer vielleicht der Preis für den dann klimaneutralen PtL-Kraftstoff. Aber das ist nicht das einzige Bewertungskriterium. Die Energieeffizienz zwischen der eingesetzten elektrischen Energie und der daraus resultierenden Kilometerleistung auf der Straße ist batteriegetrieben mit Abstand am höchsten – aber mit dem Nachteil, dass eine entsprechende Energieversorgungsinfrastruktur aufgebaut werden muss und entsprechende Fahrzeugflotten verfügbar gemacht werden müssen, die bisher nur eine begrenzte Reichweite haben.

Setzt man demgegenüber Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen ein, muss ebenfalls eine entsprechende Versorgungsinfrastruktur aufgebaut und Wasserstoff-taugliche Fahrzeuge müssen vorhanden sein. Gegenüber der Batterielösung ist aber die Reichweite derartiger Fahrzeuge potenziell größer, die Betankungszeit deutlich geringer und die benötigte Infrastruktur näher an der heute bereits vorhandenen Kraftstoffverteilinfrastruktur, wie sie beispielsweise von CNG-Fahrzeugen (komprimiertes Erdgas) heute schon vorhanden ist. Der Systemwirkungsgrad vom Strom über den Wasserstoff zur Kilometerleistung im Vergleich zum Elektrofahrzeug ist aber merklich kleiner. Bei den PtL-Lösungen kann bei der Kraftstoffverteilinfrastruktur und bei der vorhandenen Fahrzeugflotte alles (weitgehend) so bleiben wie bisher; nur der Kraftstoff ist defossiliert – mit dem Nachteil der im Vergleich zu den beiden anderen Lösungen nochmals relativ höheren Umwandlungsverluste und den damit potenziell hohen Kraftstoffkosten. Damit dürfte sich ein Mischsystem entwickeln, bei dem die einzelnen Teilmobilitätsmärkte jeweils die am Markt und unter Kosteneffizienzgesichtspunkten am besten umsetzbare Lösung präferieren werden.  

Bei welchen industriellen Anwendungen von Wasserstoff sehen Sie die größten Vorteile?

Aus heutiger Sicht und unter Beachtung der gegenwärtigen ökonomischen Gegebenheiten würde ich eine stoffliche Nutzung beispielsweise in der chemischen Industrie am ehesten sehen. In den kommenden Jahren – wenn die Klimaschutzziele ambitionierter werden – kommen dann andere Industriebereiche hinzu (etwa Stahlverhüttung). Und natürlich bei der Kraftstofferzeugung, wenn man dieses Anwendungsfeld auch zu der industriellen Anwendung zählen möchte.

Wenn Sie einmal in die Zukunft schauen: Welche konkreten Anwendungsszenarien von Wasserstoff sehen Sie in der Welt von 2040?

Wasserstoff könnte in rund zwei Jahrzehnten als Energieträger Erdgas im deutschen Energiesystem teilweise bis weitgehend substituiert haben; damit dürfte dann die Heizwärme, die nicht beispielsweise mithilfe von Wärmepumpen und damit direkt mittels elektrischer Energie bereitgestellt wird, zum Teil aus Wasserstoff kommen. Außerdem dürfte Wasserstoff als Energieträger und zur stofflichen Nutzung in vielen Industriebranchen im Vergleich zu heute deutlich mehr an Bedeutung gewonnen haben. Das gilt auch für den Einsatz im Mobilitätssektor. Auch würde ich erwarten, dass wir in 20 Jahren – ähnlich wie heute Rohöl – Wasserstoff beispielsweise aus den Nahen Osten als Energieträger importieren, da wir als Energie-intensives Land auch in den kommenden Jahrzehnten auf einen Energieimport angewiesen sein werden.

Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt ist Leiter des Instituts für Umwelttechnik und Energiewirtschaft (IUE) der Technischen Universität Hamburg (TUHH). Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf regenerativen Energien als Teil des nationalen und globalen Energiesystems und ihrer technischen, ökonomischen und ökologischen Bewertung. Er ist Herausgeber der Standardwerke „Erneuerbare Energien“ und „Energie aus Biomasse“ und in verschiedenen Gremien, wie dem VDI aktiv.