Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben analysiert, in welchen Regionen der Welt Wasserstoff am kosteng\u00fcnstigsten herzustellen w\u00e4re, um eine \u00d6konomie aufzubauen, die auf diesem alternativen Energietr\u00e4ger statt auf fossilen Quellen basiert. <\/p>\n\n\n\n
Ein Ergebnis:<\/strong> Der Ersatz fossiler Energien durch Strom und Wasserstoff bedeutet keineswegs, dass keine Treibhausgasemissionen mehr auftreten. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Nature Communications<\/em>.\u00a0<\/a><\/p>\n\n\n\n Die Schweiz soll bis 2050 klimaneutral werden. Das heisst, dass der Atmosph\u00e4re, um den Klimawandel zu bremsen, ab dann netto keine zus\u00e4tzlichen Treibhausgase mehr hinzugef\u00fcgt werden. Als ein wesentlicher Baustein, um dieses Ziel zu erreichen, gilt die Elektrifizierung von Verkehr, Industrie und Haushalten bei gleichzeitiger Umstellung auf erneuerbare Stromquellen wie Wasser, Wind und Sonne. Allerdings kann Strom nicht \u00fcberall als Energielieferant dienen \u2013 f\u00fcr bestimmte Anwendungen ist seine Energiedichte nicht ausreichend. Wo h\u00f6here Anforderungen gestellt werden, soll Wasserstoff einspringen. Die Luftfahrt, die Landwirtschaft und die Stahlindustrie sind Beispiele f\u00fcr Anwendungen, bei denen durch den Einsatz von Wasserstoff \u2013 der teilweise f\u00fcr die Herstellung von D\u00fcngemitteln oder synthetischen Kohlenwasserstoffen verwendet wird \u2013 die Klimabelastung deutlich reduziert werden kann.<\/p>\n\n\n\n Die Forschenden um Erstautor Tom Terlouw und Projektleiter Christian Bauer vom Labor f\u00fcr Energiesystemanalysen des PSI haben geografische und \u00f6konomische Daten und Prognosen zusammengestellt, um den Aufbau einer Wasserstoff\u00f6konomie in vier Szenarien zu beschreiben: Demnach wird der Wasserstoffbedarf 2050 zwischen 111 und 614 Megatonnen pro Jahr betragen \u2013 je nach Szenario: Im ersten Szenario macht die Welt weiter wie bisher und verl\u00e4sst sich auf fossile Energietr\u00e4ger. Im vierten und optimistischsten Szenario betreibt sie konsequenten Klimaschutz und erreicht das 1,5-Grad-Ziel. Aktuell werden weltweit rund 90 Megatonnen Wasserstoff pro Jahr produziert. <\/p>\n\n\n\n Zur Herstellung von Wasserstoff existieren verschiedene Verfahren. Aktuell dominiert noch die sogenannte Methan-Dampfreformierung, bei der das Element unter Druck und Hitze aus Erdgas, Erd\u00f6l oder Kohle \u2013 also fossilen Energietr\u00e4gern \u2013 gewonnen wird. Die optimistischeren Szenarien gehen davon aus, dass stattdessen zunehmend PEM-Elektrolyseure zum Einsatz kommen, also Apparate, die mit Strom und einer Polymer-Elektrolyt-Membran Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Wenn daf\u00fcr nur gr\u00fcner Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet wird, l\u00e4uft das Verfahren ohne fossile Energietr\u00e4ger. Es verursacht bis zu 90 Prozent weniger Treibhausgase als die Methan-Dampfreformierung.<\/p>\n\n\n\n Die zentrale Frage aber war, wo auf der Erde der Wasserstoff auf diese Weise hergestellt werden sollte. \u00abWir haben dazu vor allem \u00f6konomische Kriterien angelegt\u00bb, sagt Tom Terlouw. \u00abSprich, wo ist die Produktion am g\u00fcnstigsten?\u00bb Und dabei stellten sich zwei Faktoren als entscheidend heraus: Wo l\u00e4sst sich der enorme Bedarf an \u00d6kostrom f\u00fcr die Elektrolyse am effizientesten decken, weil alternative Energietr\u00e4ger wie Wind und Sonne reichlich vorhanden sind? Und wo gibt es gen\u00fcgend geeignetes Land, um die zur Produktion notwendigen Anlagen aufzustellen? <\/p>\n\n\n\n Als eine der besten Regionen f\u00fcr die k\u00fcnftige Wasserstoffproduktion stellten sich zum Beispiel grosse Teile Kanadas heraus: \u00abDort existieren viele freie Fl\u00e4chen, die sehr windig und daher ideal zum Aufstellen von Windturbinen sind\u00bb, sagt Terlouw. \u00abNoch dazu gibt es viel Wasser und stabile politische Verh\u00e4ltnisse \u2013 zwei Kriterien, die wir jedoch in dieser Studie noch nicht n\u00e4her betrachtet haben. Aber nat\u00fcrlich spielt auch die Verf\u00fcgbarkeit von Wasser f\u00fcr die Elektrolyse eine Rolle und ob es sich um ein Land handelt, aus dem man zuverl\u00e4ssig Wasserstoff importieren kann.\u00bb <\/p>\n\n\n\n Wenn man diese Kriterien aussen vor l\u00e4sst, bieten auch die zentralen USA gute Bedingungen sowie Teile Australiens, der Sahara, Nordchinas und Nordwesteuropas. Entweder weil es dort viel Sonne zur Produktion von Solarstrom gibt oder viel Wind und freie Fl\u00e4che zum Aufstellen von Windenergieanlagen \u2013 und der Wasserstofffabriken. Weniger gut zur Produktion eignen sich mitteleurop\u00e4ische Industriel\u00e4nder wie die Schweiz oder Deutschland, weil dort kaum verf\u00fcgbare Fl\u00e4chen f\u00fcr Windr\u00e4der vorhanden sind und die Sonneneinstrahlung relativ gering ist. Auch andere dicht besiedelte Regionen und L\u00e4nder wie Japan oder weite K\u00fcstenabschnitte der USA und Chinas k\u00f6nnten nur zu vergleichsweise hohen Kosten produzieren. \u00abWir haben da also eine gewisse Diskrepanz festgestellt zwischen Regionen mit hohem Bedarf an Wasserstoff und Regionen mit grossen, effizienten Produktionskapazit\u00e4ten\u00bb, res\u00fcmiert Terlouw. Diese m\u00fcssten eine Wasserstoff\u00f6konomie durch weltweiten Handel bew\u00e4ltigen, was allerdings weiteren Energieaufwand bedeutet \u2013 und politische Kooperation erfordert. Nicht zuletzt besteht der Aufwand darin, dass Wasserstoff in der Regel in gebundener Form \u2013 etwa als Ammoniak oder Methanol \u2013 transportiert wird. Denn als reines Gas nimmt er zu viel Volumen ein, und f\u00fcr seine deutlich kompaktere, fl\u00fcssige Form muss er stark gek\u00fchlt werden. <\/p>\n\n\n\n Die Studie betrachtet auch weitere \u00f6kologische Nebeneffekte einer m\u00f6glichen Wasserstoff\u00f6konomie, die in der \u00d6ffentlichkeit oft ausser Acht gelassen werden: \u00abZum einen ist es wichtig zu betonen, dass auch eine funktionierende Wasserstoff\u00f6konomie noch Restemissionen an Treibhausgasen produzieren wird\u00bb, sagt Terlouw. Die Studie beziffert diese Restemissionen auf fast eine Gigatonne CO2<\/sub>-\u00c4quivalenten pro Jahr. Aktuell bewegen sich die Gesamtemissionen um die 40 Gigatonnen. \u00abDie Klimawirkung ganz auf null zu reduzieren, wird nicht m\u00f6glich sein\u00bb, best\u00e4tigt Christian Bauer. <\/p>\n\n\n\n Das liege vor allem daran, dass auch die Produktion und Verteilung von Wasserstoff mit Emissionen einhergeht. Zum einen geraten gesch\u00e4tzte 2,5 Prozent des Wasserstoffs durch Lecks und Undichtigkeiten in die Atmosph\u00e4re, wo der Wasserstoff indirekt selbst als Treibhausgas wirkt. Denn er f\u00f6rdert die Bildung effektiver Treibhausgase wie Methan und Ozon. Zum anderen weisenElektrolysesysteme sogenannte graue Emissionen auf, welche bei der Herstellung und dem Transport der ben\u00f6tigten Materialien anfallen, selbst wenn die fertigen Anlagen letztlich mit \u00d6kostrom betrieben werden.: \u00abViele Anlagen und Maschinen, die in der Wasserstoff\u00f6konomie zum Einsatz kommen, werden in L\u00e4ndern hergestellt, deren Produktion auch in absehbarer Zeit noch grossenteils auf fossilen Energietr\u00e4gern basiert\u00bb, berichtet Terlouw. \u00abDie meisten Solarmodule etwa stammen heutzutage aus China, wo der Strom noch \u00fcberwiegend aus Kohlekraftwerken kommt.\u00bb<\/p>\n\n\n\n Wer das Ziel der Klimaneutralit\u00e4t ernst meint, muss solche Restemissionen ausgleichen, indem entsprechende Mengen Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re gefiltert werden. Daf\u00fcr b\u00f6ten sich Technologien wie Direct Air Capture an, bei der spezielle Apparate CO2<\/sub> aus der Luft einfangen. Oder Aufforstung: Die zus\u00e4tzlich wachsenden B\u00e4ume binden gewisse Mengen an Kohlenstoff aus der Luft. <\/p>\n\n\n\n Auch weitere Umwelteffekte einer Wasserstoff\u00f6konomie jenseits des Klimas sollten laut Terlouw und Bauer Beachtung finden: In den Maschinen und Anlagen finden diverse Materialien Verwendung, die entweder selbst umweltsch\u00e4dlich sind oder deren Produktion die Umwelt belastet. In Windturbinen sind das etwa Dauermagnete, die auf Seltenen Erden basieren, also Metallen, deren Gewinnung in China nicht den europ\u00e4ischen Umweltstandards gen\u00fcgt. Bei der PEM-Elektrolyse kommt als Katalysator das Metall Iridium zum Einsatz, das allein schon wegen seiner Seltenheit als kritisch gilt. Und die grossen Mengen an Land und Wasser, die f\u00fcr die Herstellung von Wasserstoff ben\u00f6tigt werden, k\u00f6nnen ebenfalls einen negativen Umweltfaktor darstellen. <\/p>\n\n\n\n \u00abNicht zuletzt stellt sich da die grosse Frage der sozialen Akzeptanz\u00bb, gibt Tom Terlouw zu bedenken. \u00abWerden die Menschen akzeptieren, dass K\u00fcstenlandschaften zum Beispiel von grossen Wasserstoffproduktionsanlagen eingenommen werden?\u00bb In wasserarmen Gebieten m\u00fcsste das Meerwasser vor der Elektrolyse zun\u00e4chst entsalzt werden, was zus\u00e4tzliche Energie und Land erfordert. \u00abSolche Faktoren haben wir in dieser Arbeit noch nicht ber\u00fccksichtigt\u00bb, r\u00e4umt Christian Bauer ein. \u00abDazu sollen weitere Studien folgen. Wir wollen m\u00f6gliche Wege der Energiewende aufzeigen. Ob und wie konsequent wir sie dann beschreiten, ist am Ende eine gesellschaftlich-politische Frage.\u00bb <\/p>\n\n\n\n Paul Scherrer Institut PSI | Text: Jan Berndorff 2024<\/a><\/p>\nWo ist genug Platz f\u00fcr Elektrolyse?<\/h4>\n\n\n\n
Kanada ist ideal, die Schweiz eher nicht<\/h4>\n\n\n\n
Die \u00f6kologischen Kehrseiten gr\u00fcnen Wasserstoffs<\/h4>\n\n\n\n
Kritische Materialien<\/h4>\n\n\n\n
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Quelle<\/h5>\r\n\n\n\n