Hellgrüner Wasserstoff tut es auch

Nachhaltig produzierter Wasserstoff kann nicht nur als Energiespeicher oder als Treibstoff f¨¹r Lastwagen zur Energiewende beitragen. In der Industrie k?nnte er ¨¹berall dort eingesetzt werden, wo heute schon Wasserstoff ben?tigt wird ¨C zum Beispiel f¨¹r die Herstellung von Ammoniak.

Weltweit werden j?hrlich 180 Millionen Tonnen davon produziert, vor allem f¨¹r die D¨¹ngemittelindustrie. Der Wasserstoff wird heute aus Erdgas gewonnen, was mit hohen Treibhausgasemissionen und einer Abh?ngigkeit von Erdgas-exportierenden L?ndern verbunden ist. K?me daf¨¹r als saubere Alternative gr¨¹ner Wasserstoff zum Einsatz, w¨¹rde dies helfen, den Klimazielen n?herzukommen und die Abh?ngigkeit zu verringern. Gr¨¹ner Wasserstoff wird ¨¹ber einen Prozess, der Elektrolyse genannt wird, mit nachhaltigem Strom produziert.

Forschende der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) und der ETH Z¨¹rich haben nun in einer Studie f¨¹r Europa berechnet, unter welchen Bedingungen es sich lohnt, die Ammoniakproduktion auf gr¨¹nen oder nahezu gr¨¹nen Wasserstoff umzustellen.

In Spanien und Norwegen bereits heute wirtschaftlich

Zwei Ergebnisse stechen dabei heraus. Erstens: In einigen europ?ischen L?ndern wie Norwegen, Spanien, Ungarn und Polen w?re es bereits heute wirtschaftlich, Ammoniak aus gr¨¹nem oder nahezu gr¨¹nem Wasserstoff herzustellen. In diesen L?ndern kann nachhaltiger Strom aus Sonnen- oder Windenergie besonders kosteng¨¹nstig hergestellt werden. Gr¨¹nde daf¨¹r sind die vorteilhaften geografischen Bedingungen, staatliche F?rderung oder generell tiefe Stromkosten. Letztere erlauben es, auf billigen Strom aus dem Netz auszuweichen, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht. Teure Speicherl?sungen f¨¹r nachhaltigen Strom sind daher dort ¨¹berfl¨¹ssig.

Zweitens: Der Strom muss nicht v?llig fossilfrei sein, um grosse positive Effekte f¨¹r das Klima zu erzielen. Laut der Studie ist es auch sinnvoll, nur mehrheitlich erneuerbaren Strom zu nutzen. In Zeiten ohne Sonne und Wind k?nnte man Strom aus dem Netz beziehen, der teilweise aus fossilen Quellen stammt.

Ein Kilogramm CO₂ w?re in Ordnung f¨¹rs Klima

Hauptautor der Studie ist Stefano Mingolla. Der Doktorand an der HKUST arbeitete ein halbes Jahr in der Gruppe von Giovanni Sansavini, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Z¨¹rich. ?Wenn man nahezu gr¨¹nen Wasserstoff f¨¹r die Ammoniakproduktion verwendet, erreicht man damit sehr schnell sehr viel, das ist eine ?low hanging fruit??, erkl?rt Sansavini. ?Dies im Gegensatz zu anderen Anwendungen, wo Wasserstoff einfach ein Energiespeicher ist und es Umwandlungen von einer Energieform in die andere braucht. Bei der Ammoniakproduktion hingegen dient Wasserstoff direkt als Rohstoff, ineffiziente Umwandlungen entfallen.?

Berechnungen von Mingolla und seinen Kolleg:innen zeigen: Man k?nnte die Treibhausgasemissionen der Ammoniakproduktion gegen¨¹ber heute um 95 Prozent senken, wenn man daf¨¹r Wasserstoff einsetzt, bei dessen Herstellung nicht mehr als ein Kilogramm CO₂ pro Kilogramm Wasserstoff freigesetzt wird. Der daf¨¹r ben?tigte Strom m¨¹sste deutlich gr¨¹ner sein als der heutige Strommix in Deutschland, Polen und den Niederlanden. Diese drei L?nder sind die gr?ssten Ammoniakproduzenten in Europa. Zum Vergleich: Ein Kilogramm Wasserstoff, das mit Schweizer Strommix hergestellt wird, w¨¹rde zu Emissionen von 1,7 Kilogramm CO₂ f¨¹hren. Mit dem heutigen deutschen Strommix w?ren es 18 Kilogramm CO₂, mit dem niederl?ndischen 16 Kilogramm und mit dem polnischen 33 Kilogramm.

Wollte man die Wasserstoffproduktion nicht nur zu 95 Prozent, sondern vollst?ndig dekarbonisieren, w?ren die Kosten enorm. Die letzten 5 Prozent der Dekarbonisierung sind die aufwendigsten und teuersten. Sie w¨¹rden die Kosten nahezu verdoppeln. ?Es ist wichtig, die Ambitionen entsprechend anzupassen?, sagt Sansavini. ?Komplett dekarbonisieren zu wollen, k?nnte kontraproduktiv sein, weil zu hohe Kosten die Energiewende bremsen k?nnten.?

Neue Solar- und Windparks f¨¹r Wasserstoffproduktion

Sansavini betont jedoch, dass Wasserstoff nicht im grossen Stil mit Strom aus dem Elektrizit?tsnetz hergestellt werden wird. Daf¨¹r w¨¹rden in vielen F?llen weder die lokale Stromproduktion noch die l?nder¨¹bergreifenden Netz¨¹bertragungskapazit?ten ausreichen.

Vielmehr w?re es denkbar, neue Solar- oder Windparks direkt neben bestehenden Ammoniakproduktionsanlagen zu errichten. Daf¨¹r sind jedoch grosse Fl?chen n?tig. Wie die Studie zeigt, ist der Fl?chenbedarf umso geringer, je g¨¹nstiger die geografischen Bedingungen f¨¹r die Stromerzeugung aus Sonnen- oder Windenergie in einer Region sind. S¨¹deuropa und Gebiete an der Atlantikk¨¹ste sind hier im Vorteil. ?Weil der Fl?chenbedarf gross ist, sollte man vor allem an eine kombinierte Landnutzung denken. Zum Beispiel an einen Wind- oder Solarpark, in dem gleichzeitig Landwirtschaft betrieben werden kann?, sagt Sansavini.

Auch wenn gr¨¹ner Wasserstoff in Norwegen, Spanien, Ungarn und Polen bereits wettbewerbsf?hig ist ¨C im europ?ischen Durchschnitt ist seine Produktion im Vergleich zur Herstellung aus Erdgas deutlich teurer. ?Damit gr¨¹ner Wasserstoff ¨¹berall konkurrenzf?hig wird, sind weitere Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie wirtschaftliche Anreize n?tig?, sagt Sansavini. Was genau unter gr¨¹nem Wasserstoff zu verstehen ist, wird derzeit auch in der EU diskutiert. ?Kosten und Umweltauswirkungen m¨¹ssen in einem angemessenen Verh?ltnis stehen. Es sollte erlaubt sein, dass in gr¨¹nem Wasserstoff ein Rest fossiler Energie steckt?, sagt Sansavini. Am Beispiel der Ammoniakherstellung hat das Forschungsteam nun eine Empfehlung f¨¹r diesen Restanteil errechnet: Bis zu einem Kilogramm CO₂-Emissionen pro Kilogramm Wasserstoff w?re akzeptabel und sinnvoll.