Mit Wasserstoff günstiger zur Klimaneutralität

 

• Modellierungsstudie zeigt, dass der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger erhebliche Kosten bei der Dekarbonisierung einsparen kann

 

• auch im Schwerlastverkehr von LKW könnte Wasserstoff demnach eine Rolle spielen

 

• unabhängige Forschende diskutieren Einsatz von Wasserstoff in verschiedenen Sektoren, sehen Produktion durch fossile Quellen kritisch

 

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger könnte erhebliche Kosten sparen, wenn die globale Wirtschaft bis zum Jahr 2050 klimaneutral werden soll. Das ist das Ergebnis einer Studie, die unter anderem von Forschenden des Pacific Northwest National Laboratory der USA erstellt wurde und die am 17.05.2024 in der Fachzeitschrift „One Earth“ veröffentlicht wurde (siehe Primärquelle).

Mit einer Weiterentwicklung des Modells GCAM (global change analysis model) haben die Forschenden 24 Szenarien berechnet, in denen das Energiesystem bis 2050 klimaneutral ist. Die Szenarien unterscheiden sich in den Annahmen bezüglich der sozioökonomischen Entwicklung sowie der Verfügbarkeit von Wasserstoff, Batterien und Netto-Negativ-Technologien (DACCS und BECCS). Es werden jeweils Produktion, Verteilung und Nachfrage nach Wasserstoff modelliert und berechnet, wie Wasserstoff zur kosteneffizienten Umgestaltung des Energiesystems beitragen kann. Dabei werden alle Sektoren der globalen Wirtschaft mit einbezogen.

Die Ergebnisse: In den Szenarien, in denen Wasserstoff als Energieträger zur Verfügung steht, deckt dieser bis 2050 zwischen zwei und neun Prozent des Endenergiebedarfs. Das Erreichen der Klimaneutralität ist dann zwischen 15 und 22 Prozent günstiger, als in den Szenarien, in denen Wasserstoff – als direkter Energieträger, in Form von Ammoniak, Biokraftstoffen, E-Fuels oder als Quelle für Elektrizität – nicht genutzt werden kann. Vor allem im internationalen Schiffverkehr und im LKW-Schwertransport könnten demnach durch den Einsatz von Wasserstoff Kosten eingespart werden.

Das SMC hat unabhängige Expertinnen und Experten gebeten, die methodische Qualität der Studie und die Relevanz der Ergebnisse einzuordnen.

• Prof. Dr. Johan Lilliestam, Professor für Sustainability Transition Policy, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
• Prof. Dr. Jochen Linßen, Leiter der Abteilung „Technikbewertung und vernetze Infrastrukturen“, Institut für techno-ökonomische Systemanalyse, Forschungszentrum Jülich
• Prof. Dr. Michael Sterner, Leiter der Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher, Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg

Statements

Prof. Dr. Johan Lilliestam

Professor für Sustainability Transition Policy, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Ergebnisse zur Kostenreduktion

„Solche Ergebnisse sind nicht überraschend. Sie decken sich mit manchen bisherigen Studien und sind anders als manche anderen Studien – eine solche Studie ist ein weiteres Puzzlestück, nicht mehr, aber auch nicht weniger. Meiner Einschätzung nach ist der wichtigste Wert solcher Studien: Sie zeigen, dass es durchaus Zukünfte geben kann, in denen Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen kann, ohne dass dadurch die Kosten durch die Decke gehen.“

Einordnung der Unsicherheiten

„Die Unsicherheiten liegen natürlich zum Teil in den Kostenannahmen, aber viel stärker in der Modellformulierung selbst: Dieses Modell kann zum Beispiel keine Fluktuationen bei Wind- und Solarstrom abbilden, und somit sieht es einen der wichtigsten Faktoren in der Energiewende nicht. Genauso bleiben viele sehr wichtige Annahmen versteckt, obwohl sie die Ergebnisse stark beeinflussen: Wie viel Energie brauchen wir wann und wo? Wo stehen die Stahlwerke und wie viel Stahl wird gebraucht? Um wie viel wächst die Weltwirtschaft und wie viel wächst jedes Land und jeder Sektor? Das sieht man zum Beispiel im Ergebnis: Über ein Viertel des Güterzugverkehrs soll mit Wasserstoff betrieben werden, was zumindest in Europa seltsam erscheint. Denn die meisten großen Güterzugkorridore sind bereits elektrifiziert – was aber scheinbar nicht berücksichtigt wurde.“

Kosteneinsparungen nach Sektoren

„Hierzu gibt es unterschiedliche Ergebnisse, weswegen ich vorsichtig wäre mit Aussagen, wo man am meisten Kosten sparen kann. Die technologische Entwicklung ist sehr schnell. Sektoren, die bisher als ‚schwierig zu dekarbonisieren‘ galten, fangen heute schon an, sich in Richtung CO₂-Neutralität zu entwickeln.“

Wasserstoff als Antrieb für LKW

„So galten LKW vor ein paar Jahren noch als nicht elektrifizierbar, weshalb Wasserstoff als die wichtigste Option für CO₂-freie Antriebe galt. Heute fahren schon erste batterie-elektrische LKW. Elektrische Busse stehen kurz vor dem Durchbruch und sind bereits die häufigste Art von neuen Bussen in einigen Ländern – zum Beispiel in Finnland, Norwegen und den Niederlanden. Da elektrische Autos in den letzten Jahren sehr große Entwicklungsschritte gemacht haben, sind auch elektrische LKW und Busse enorm viel besser – und auch viel billiger – geworden. Weitere Entwicklungsschritte sind sicherlich zu erwarten, da die ganze E-Mobilitätsindustrie gerade gewaltig wächst. Der Wettbewerbsvorteil von elektrischen LKW und Bussen ist nicht überraschend: Wasserstoff- und batteriegetriebene Busse sind beide elektrisch, entweder durch eine Brennstoffzelle oder durch einen Akku. Sie haben den gleichen Motor und unterscheiden sich vor allem durch die Art, wie sie ihre Energie mitbringen. Und hier ist Wasserstoff einfach nicht so effizient wie Batterien – ein Wettbewerbsvorteil, der sehr wahrscheinlich noch größer werden wird, da die Batterieentwicklung, getrieben von der E-Autoindustrie, einfach rasant vorangeht.“

„Mein Argument ist also, dass man vorsichtig sein muss mit ‚schwierig zu dekarbonisieren‘, denn die Welt ändert sich schneller, als man schreiben kann. Aber bereits mit heutiger Technologie scheint der Akku auch für LKW und Busse bereits ‚gewonnen‘ zu haben, was vor ein paar Jahren noch anders aussah.“

Andere Sektoren

„Für einige Sektoren ist Wasserstoff aus heutiger Sicht potenziell interessant und mangels anderer technischer Alternativen auch kompetitiv. Dies betrifft zum Beispiel die Stahl- und Chemieindustrie, aber auch synthetische Treibstoffe – zum Beispiel für Flugzeuge oder eventuell auch Schiffe – wenn wir diese mit atmosphärischem CO₂ herstellen. Für das Heizen von Gebäuden wird Wasserstoff kaum eine Rolle spielen, da es viel zu teuer ist und bleiben wird und andere Technologien wie Wärmepumpen viel effizienter und günstiger bleiben werden.“

Herstellung von Wasserstoff durch fossile Energien

„Blauer Wasserstoff mit CCS ist aus Klimasicht keine vernünftige Lösung. CCS kann Wasserstoff nicht klimaneutral machen. Es fängt zwar das meiste CO₂ bei der Produktion ab, aber eben nicht alles – und vor allem löst es das Problem der Pipelinelecks nicht. Da Erdgas (Methan) aber ein sehr potentes Treibhausgas ist, ist der Treibhauseffekt von Erdgas bis zu doppelt so hoch wie der, der durch die Verbrennung von Methan entsteht. Das CO₂, das bei der Verbrennung entsteht oder bei der Produktion von Wasserstoff mit CCS abgeschieden wird, macht nur die eine Hälfte des Treibhausgaseffektes aus. Die andere Hälfte stammt aus Methanlecks bei der Produktion und beim Transport und wird nicht im Modell abgebildet. Blauer Wasserstoff klingt intuitiv erst mal gut – legen wir doch mit bekannten Technologien plus etwas CCS los – ist aber vor allem für die Gasindustrie und nicht fürs Klima nützlich. Es muss grüner Wasserstoff sein, aus erneuerbarem Strom und Wasser produziert. Mit blauem Wasserstoff anzufangen, führt zu den falschen Investitionen – wir bauen uns das falsche Produktions- und Transportnetzwerk auf.“

Relevanz von Modellierungsstudien

„Es ist wichtig, vorherzusagen, in welchen Sektoren und für welche Verwendungen Wasserstoff überhaupt in Frage kommen könnte. Fast noch wichtiger ist es, zu wissen, in welchen Sektoren Wasserstoff nicht kompetitiv sein wird, damit wir dort sinnvollere Lösungen entwickeln und bauen können. Dies ist wichtig, da wir bereits jetzt das Wasserstoffnetzwerk für die Zukunft planen und bauen müssen. Dafür muss man ungefähr abschätzen können, wie viel wo nachgefragt werden könnte. Infrastrukturen und Netzwerke zu planen und zu bauen, dauert sehr lange und sie sind sehr langlebig: Entscheidungen, die heute getroffen werden, bestimmen mit, wie die Infrastruktur im Jahr 2075 aussieht.“

Prof. Dr. Jochen Linßen

Leiter der Abteilung „Technikbewertung und vernetze Infrastrukturen“, Institut für techno-ökonomische Systemanalyse, Forschungszentrum Jülich

Das verwendete Modell

„GCAM ist ein globales, ökonomisches Gleichgewichtsmodell, mit dem der Einfluss von externen Faktoren auf die globale Volkswirtschaft analysiert werden kann. Der Nachteil dieses sehr hoch aggregierten Modells ist die vereinfachte Abbildung von technologischen Eigenschaften und damit die Vernachlässigung von wichtigen Zusammenhängen im Energiesystem – zum Beispiel der Absicherung von Dunkelflauten in erneuerbaren Systemen. Weiterer Nachteil ist die endogene Abbildung von neuen bisher nicht verwendeten Techniken – zum Beispiel von grünem Wasserstoff – da die Modelle mit Hilfe von Vergangenheitsdaten kalibriert werden. Das hier verwendete Modell ist Open Source verfügbar und damit ist der Ansatz transparent. Zum Verständnis der Ergebnisse fehlt jedoch die Offenlegung der Inputdaten für die wichtigen Szenarien.“

Einordnung der Unsicherheiten

„Die Ergebnisse der Studie, dass Wasserstoff in den schwer zu elektrifizierenden Bereichen – Stahl- und Zementindustrie, Langstreckenverkehr auf der Straße und Schiffsverkehr – eingesetzt werden soll, ist allgemein akzeptiert [1] [2]. Die erzielbaren Kosteneinsparungen für das Erreichen von Treibhausgasneutralität bei nicht sinnvoll elektrifizierbaren Anwendungen – etwa weil sehr große stationäre Batteriekapazitäten nötig wären – sind ebenfalls bekannt. Die Deckung des Endenergiebedarfs zwischen zwei und neun Prozent fällt auf Grund der nicht vorhandenen Modelldetaillierung – bezüglich zeitlicher und räumlicher Auflösung sowie Technikvielfalt – bei den Wasserstofftechniken deutlich zu gering aus. Es werden unter anderem die Überbrückung von Dunkelflauten, die Flexibilität in erneuerbaren Energiesystemen und die Option des Handels von erneuerbaren Energien durch Wasserstoff vernachlässigt. Damit wird ein wesentlicher Teil der durch Wasserstoff gelieferten Versorgungssicherheit nicht betrachtet.“

Kosteneinsparung nach Sektoren

„Sehr große Einigkeit herrscht in globalen und nationalen Szenarien darüber, dass aus Gründen der CO₂-Vermeidungskosten der Industriebereich an erster Stelle des Wasserstoffeinsatzes stehen sollte. Der Schwerlastverkehr und auch der regionale nicht elektrifizierte Schienenverkehr sind ebenfalls kosteneffiziente Einsatzgebiete [3]. In der vorliegenden Studie wird nicht auf die Überbrückung von Dunkelflauten im Stromsystem eingegangen, die Systemrelevanz in Stromsystemen hat, die von erneuerbaren Energien dominiert werden. Beim internationalen Schiffsverkehr wird der Einsatz von reinem Wasserstoff kontrovers diskutiert. Der Einsatz von grünen Wasserstoff-Derivaten (gasförmige oder flüssige Energieträger auf Basis von Wasserstoff, zum Beispiel Methan, Ammoniak oder E-Fuels; Anm. d. Red.) scheint hier eher angezeigt zu sein.“

Herstellung von Wasserstoff durch fossile Energien

„Die Darstellung von treibhausgasneutralen globalen Szenarien mit Erdgas und Kohle ohne CO₂-Abscheidung sind selbst unter Beachtung von teuren Negativ-Emissionstechniken – zum Beispiel Biomasse mit CCS – nicht nachzuvollziehen. Außerdem erreicht der Einsatz von CO₂-Abscheidung bei Kohle und Erdgas keine Treibhausgasneutralität: Optimistische CO₂-Abscheideraten liegen bei 85 Prozent, hinzu kommen Treibhausgasemissionen aus der Förderung und dem Transport von Erdgas. Es bleibt unklar, wie diese verbleibenden Treibhausgasemissionen kompensiert werden sollen. Der Einsatz von Biomasse mit CCS und anschließender dauerhafter Speicherung allein wird nicht ausreichen, wie das Szenario #2.5 der Veröffentlichung zeigt.“

Relevanz von Modellierungsstudien

„Wasserstoff bietet die Möglichkeit, Industrieprozesse zu elektrifizieren und – bei hohen Anteilen von erneuerbaren Energien in der Stromerzeugung – zu dekarbonisieren. Weiterhin sind Energiespeicheraufgaben mobil und auch stationär mit hohen Speicherkapazitäten günstiger zu realisieren. Die Systemrelevanz des Wasserstoffs in einem treibhausgasneutralen Energiesystem ist ein viel zu wenig beachteter Aspekt. Dies gilt sowohl für die Versorgungssicherheit bei schwachen Einspeiseperioden von erneuerbaren Energien als auch für die Elektrolyse als wichtige steuerbare Last zur Optimierung der Erntefaktoren von erneuerbaren Energien. Die Erstellung und Analyse von Energieszenarien geben Orientierung bezüglich Kosten, Auswirkung und Planung von Transformationspfaden. Hierzu sind technische, detaillierte Modelle mit multidisziplinären Ansätzen aus Ökonomie und Sozialwissenschaften zu kombinieren. Nur so gelingt es sowohl technisch und ökonomisch effiziente als auch gesellschaftlich akzeptierte Transformationspfade für das Energiesystem zu finden. Rein ökonomische Modelle decken nur Teilaspekte der Transformation ab und sollten daher immer aus mehreren Betrachtungswinkeln begleitet werden.“

Prof. Dr. Michael Sterner

Leiter der Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher, Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg

Ergebnisse zur Kostenreduktion

„Diese Studie zeigt wie viele andere, dass Wasserstoff und seine Folgeprodukte für die Klimaneutralität notwendig sind und die Gesamtkosten der Transformation senken. Dabei spielt Wasserstoff neben der Anwendung in der Industrie und in der Stromversorgung zur Absicherung von Dunkelflauten auch eine große Rolle im Verkehr – insbesondere im Langstrecken- und Schwerlastverkehr, also dem Flug- und Schiffsverkehr, bei Arbeitsmaschinen und LKW. Für kurze Strecken eignen sich die batteriebetriebenen LKW.“

Wasserstoff als Antrieb für LKW

„Für lange Strecken – gerade im grenzüberschreitenden Güterverkehr – ist neben der Bahn auch der Wasserstoff-LKW eine Option, die sich technisch und kostenseitig durchsetzt. Das gilt für die Energiesystemmodelle in dieser Studie, aber auch in unseren eigenen Modellen an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg. Sie sind Bestandteil der Lösung im Güterverkehr in den Kopernikus-Szenarien des Bundesministeriums für Bildung und Forschung [4] [5]. Und im nationalen Wasserstoffrat haben wir Anfang Mai den Bedarf an Wasserstoff für die große Transformation aktualisiert und sind zu ähnlichen Aussagen gekommen [5].“

„Die Gründe sind technischer und wirtschaftlicher Natur: Oberleitungs-LKW sind nicht über das Versuchsstadium hinausgekommen. Ebenso ist der Aufbau einer Ladeinfrastruktur für LKW in hoher Zahl eine große technische Herausforderung für das Stromnetz und die Fahrplanung der Logistik. Deshalb setzen sich Wasserstoff-LKW hier trotz geringerer Wirkungsgrade auch kostenseitig durch.“

„Wenn der Wasserstoff an Standorten mit optimalen Wetterbedingungen – zum Beispiel in Chile – gewonnen wird, liegt der Stromertrag bis zu dreimal höher als bei einem durchschnittlichen Standort in Deutschland. Der motorische Wirkungsgradvorteil des Elektroantriebs gegenüber eines Brennstoffzellenantriebs bleibt mit etwa Faktor zwei derselbe. Wenn ein Windrad nun eine dreifache Auslastung und damit einen dreifachen Ertrag im Vergleich zu einem Standort in Deutschland erzielt, wird der Wirkungsgradverlust überkompensiert, sodass die LKW auf ähnliche Reichweiten kommen.“

„Aus einer industriepolitischen Sicht ist es ebenfalls sinnvoll, nicht nur auf eine Technologie zu setzen, sondern Vielfalt zuzulassen und sich darüber auch die globalen Märkte zu erschließen. Eine ‚one fits all‘-Lösung gibt es nicht – auch nicht im Verkehrsbereich. Auch wenn der E-PKW drei Mal effizienter ist als ein Verbrenner mit E-Fuels oder Biokraftstoffen, werden weltweit weiterhin Biokraftstoffe und E-Fuels genutzt werden.“

„In der aktuellen Diskussion zu LKW wird unter Verweis auf wissenschaftliche Studien suggeriert, dass das ‚Rennen im LKW-Bereich‘ zugunsten der rein batterieelektrischen Mobilität bereits gelaufen sei. Bei genauerem Blick zeigt sich, dass in vielen Studien die Annahmen so getroffen sind, dass die E-Mobilität automatisch in den Ergebnissen bevorzugt und die Wasserstoffmobilität benachteiligt wird. So werden Wirkungsgrade und Kosten entsprechend über- oder unterschätzt. Annahmen und Auftraggeber sind immer entscheidend. Studien von Think Tanks wie Agora oder Transport and Environment sind weniger aussagekräftig als peer-reviewte Studien in wissenschaftlichen Fachzeitschriften – wie die vorliegende Studie – die einem Vier-Augen-Prinzip unterlaufen sind. Das gilt nicht nur für Studien zur Mobilität, sondern sehr allgemein und ist entscheidend für die Interpretation von Studienergebnissen.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Prof. Dr. Johan Lilliestam: „Ich habe keine Interessenkonflikte.“

Prof. Dr. Jochen Linßen: „Keine Interessenkonflikte.“

Prof. Dr. Michael Sterner: „Ich bin Mitglied im Nationalen Wasserstoffrat. Diese Tätigkeit ist – neben vielen anderen meiner Tätigkeiten wie bei Greenpeace, BUND, Entwicklungshilfe, Kirchen etc. – ehrenamtlich. Ich sehe daher keinen Interessenkonflikt in der Bewertung dieser Studie.“

Primärquelle

Wolfram P et al. (2024): The hydrogen economy can reduce costs of climate change mitigation by up to 22%. One Earth. DOI: 10.1016/j.oneear.2024.04.012.

Literaturstellen, die von den Expertinnen und Experten zitiert wurden

[1] Internationale Energieagentur (2023): Global Hydrogen Review 2023.

[2] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (o.J.): Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Website des Fraunhofer ISI im Auftrag des BMWK (Stand 16.05.2024).

[3] Forschungszentrum Jülich (16.04.2024): Energieperspektiven 2030. Website zur Studie.

[4] Aufelder F et al. (2022): Optionen für ein nachhaltiges Energiesystem mit power-to-x-Technologien. Analyse des Kopernikus-Projektes.

[5] Kopernikus-Projekt Ariadne (2021): Ariadne-Report: Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045 - Szenarien und Pfade im Modellvergleich. DOI: 10.48485/pik.2021.006.

[6] Nationaler Wasserstoffrat (2024): Update 2024: Treibhausgaseinsparungen und der damit verbundene Wasserstoffbedarf in Deutschland.