Was ist grüner Wasserstoff und warum brauchen wir ihn?

Es ist an der Zeit, das Potenzial von Wasserstoff zu nutzen, um eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung kritischer Energieherausforderungen zu spielen. Die jüngsten Erfolge von erneuerbaren Energietechnologien und Elektrofahrzeugen haben gezeigt, dass politische und technologische Innovationen die Kraft haben, globale Industrien für saubere Energie aufzubauen.

Wasserstoff entwickelt sich zu einer der führenden Optionen für die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energien, wobei wasserstoffbasierte Kraftstoffe potenziell Energie aus erneuerbaren Energien über große Entfernungen transportieren können – aus Regionen mit reichlich Energieressourcen in energiehungrige Gebiete, die Tausende von Kilometern entfernt sind.

Grüner Wasserstoff wurde in einer Reihe von Zusagen zur Emissionsreduzierung auf der UN-Klimakonferenz COP26 als Mittel zur Dekarbonisierung der Schwerindustrie, der Langstreckenfracht, der Schifffahrt und der Luftfahrt erwähnt. Sowohl Regierungen als auch Industrie haben Wasserstoff als wichtige Säule einer Netto-Null-Wirtschaft anerkannt.

Das Green Hydrogen Catapult, eine Initiative der Vereinten Nationen zur Senkung der Kosten für grünen Wasserstoff, gab bekannt, dass es sein Ziel für grüne Elektrolyseure von 25 Gigawatt im vergangenen Jahr auf 45 Gigawatt bis 2027 fast verdoppeln wird. Die Europäische Kommission hat eine Reihe von Rechtsvorschriften verabschiedet Vorschläge zur Dekarbonisierung des EU-Gasmarktes durch Erleichterung der Aufnahme erneuerbarer und kohlenstoffarmer Gase, einschließlich Wasserstoff, und zur Gewährleistung der Energiesicherheit für alle Bürger in Europa. Auch die Vereinigten Arabischen Emirate sind ehrgeiziger, da die neue Wasserstoffstrategie des Landes darauf abzielt, bis 2030 ein Viertel des weltweiten Marktes für kohlenstoffarmen Wasserstoff zu halten, und Japan hat kürzlich angekündigt, 3,4 Milliarden US-Dollar aus seinem grünen Innovationsfonds zu investieren, um Forschung und Entwicklung zu beschleunigen und Förderung der Wasserstoffnutzung in den nächsten 10 Jahren.

Bei der Beschreibung von Wasserstofftechnologien begegnen Sie möglicherweise den Begriffen „grau“, „blau“, „grün“. Es kommt auf die Art und Weise an, wie es produziert wird. Wasserstoff gibt bei der Verbrennung nur Wasser ab, aber seine Herstellung kann kohlenstoffintensiv sein. Je nach Herstellungsverfahren kann Wasserstoff grau, blau oder grün sein – und manchmal sogar rosa, gelb oder türkis. Grüner Wasserstoff ist jedoch der einzige Typ, der klimaneutral produziert wird, was es entscheidend macht, bis 2050 Netto-Null zu erreichen.

Wir haben Dr. Emanuele Taibi, Head of the Power Sector Transformation Strategies, International Renewable Energy Agency (IRENA) gebeten, zu erklären, was grüner Wasserstoff ist und wie er den Weg zu Netto-Null-Emissionen ebnen könnte. Derzeit arbeitet er im IRENA Innovations- und Technologiezentrum in Bonn, Deutschland, wo er für die Unterstützung der Mitgliedsländer bei der Ausarbeitung von Strategien für die Transformation des Energiesektors verantwortlich ist und derzeit die Arbeit an der Flexibilität des Stromsystems, Wasserstoff und Speicherung als Schlüssel leitet Wegbereiter für die Energiewende. Dr. Taibi ist auch Co-Kurator der Strategic Intelligence-Plattform des Weltwirtschaftsforums, wo sein Team die Transformationskarte für Wasserstoff entwickelt hat.

Grüne Wasserstofftechnologien

Was hat Sie motiviert, Ihre Expertise in Energietechnologien auszubauen und wie trägt Ihre Arbeit bei IRENA dazu bei?

Das war während meiner Masterarbeit. Ich habe ein Praktikum bei der italienischen Nationalagentur für Energie und Umwelt (ENEA) gemacht, wo ich etwas über nachhaltige Entwicklung und Energie und die Verbindung zwischen beiden gelernt habe. Ich habe darüber meine Diplomarbeit in Wirtschaftsingenieurwesen geschrieben und mich entschieden, dass dies der Bereich ist, auf den ich mich in meinem Berufsleben konzentrieren möchte. Fast 20 Jahre Erfahrung in Energie und internationaler Zusammenarbeit, einen Doktortitel in Energietechnologie und Zeit in der Privatwirtschaft, in der Forschung und zwischenstaatlichen Organisationen. Ich leite derzeit seit 2017 das Transformationsteam des Energiesektors bei IRENA.

Meine Arbeit bei IRENA besteht darin, mit meinem Team und in enger Zusammenarbeit mit Kollegen in der gesamten Agentur und externen Partnern wie dem Weltwirtschaftsforum dazu beizutragen, unsere 166 Mitgliedsländer bei der Energiewende zu unterstützen, mit einem Schwerpunkt auf erneuerbarer Stromversorgung und ihrer verwenden, um den Energiesektor durch grüne Elektronen sowie grüne Moleküle wie Wasserstoff und seine Derivate zu dekarbonisieren.

Was ist grüner Wasserstoff? Wie unterscheidet es sich von herkömmlichem emissionsintensivem „grauem“ Wasserstoff und blauem Wasserstoff?

Wasserstoff ist das einfachste und kleinste Element im Periodensystem. Egal wie es hergestellt wird, es endet mit dem gleichen kohlenstofffreien Molekül. Die Herstellungswege sind jedoch sehr vielfältig, ebenso wie die Emissionen von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).

Grüner Wasserstoff ist definiert als Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit erneuerbarem Strom hergestellt wird. Dies ist ein ganz anderer Weg im Vergleich zu Grau und Blau.

Grauer Wasserstoff wird traditionell aus Methan (CH4) hergestellt, das mit Dampf in CO2 – den Hauptverursacher des Klimawandels – und H2, Wasserstoff, gespalten wird. Grauer Wasserstoff wurde zunehmend auch aus Kohle hergestellt, mit deutlich höheren CO2-Emissionen pro produzierter Wasserstoffeinheit, so viel, dass er oft als brauner oder schwarzer Wasserstoff anstelle von grau bezeichnet wird. Es wird heute im industriellen Maßstab hergestellt, wobei die damit verbundenen Emissionen mit den kombinierten Emissionen von Großbritannien und Indonesien vergleichbar sind. Es hat keinen Energiewendewert, ganz im Gegenteil.

Blauer Wasserstoff folgt dem gleichen Prozess wie grauer, mit den zusätzlichen Technologien, die erforderlich sind, um das bei der Wasserstoffspaltung aus Methan (oder Kohle) entstehende CO2 abzuscheiden und langfristig zu speichern. Dabei handelt es sich nicht um eine Farbe, sondern um eine sehr breite Abstufung, da nicht 100 Prozent des entstehenden CO2 abgefangen werden können und nicht alle Speichermöglichkeiten langfristig gleich gut sind. Der Hauptpunkt ist, dass durch die Abscheidung eines großen Teils des CO2 die Klimaauswirkungen der Wasserstoffproduktion erheblich reduziert werden können.

Es gibt Technologien (z. B. Methanpyrolyse), die hohe Abscheidungsraten (90-95 Prozent) und effektive Langzeitspeicherung des CO2 in fester Form versprechen, möglicherweise so viel besser als Blau, dass sie ihre eigene Farbe in der " Wasserstoff-Taxonomie-Regenbogen", türkiser Wasserstoff. Die Methanpyrolyse befindet sich jedoch noch im Pilotstadium, während grüner Wasserstoff auf der Grundlage von zwei Schlüsseltechnologien – erneuerbarer Energie (insbesondere aus Solar-PV und Wind, aber nicht nur) und Elektrolyse – schnell ausgebaut wird.

Im Gegensatz zu erneuerbarer Energie, die heute in den meisten Ländern und Regionen die billigste Stromquelle ist, muss die Elektrolyse für die Produktion von grünem Wasserstoff in den nächsten ein oder zwei Jahrzehnten erheblich ausgebaut und ihre Kosten um mindestens das Dreifache gesenkt werden. Im Gegensatz zu CCS und Methanpyrolyse ist die Elektrolyse jedoch heute kommerziell verfügbar und kann bezogen werdenmehrere internationale Anbieter im Moment.

Grüne Wasserstoffenergielösungen

Was sind die Vorzüge von Energiewendelösungen hin zu einer „grünen“ Wasserstoffwirtschaft? Wie könnten wir von dort, wo wir uns derzeit mit grauem Wasserstoff befinden, zu einer grünen Wasserstoffwirtschaft übergehen?

Grüner Wasserstoff ist ein wichtiger Baustein der Energiewende. Dies ist nicht der nächste unmittelbare Schritt, da wir zunächst den Einsatz erneuerbarer Elektrizität zur Dekarbonisierung bestehender Energiesysteme weiter beschleunigen, die Elektrifizierung des Energiesektors beschleunigen müssen, um kostengünstigen erneuerbaren Strom zu nutzen, bevor wir schließlich schwer zu elektrifizierende Sektoren dekarbonisieren – wie Schwerindustrie, Schifffahrt und Luftfahrt – durch grünen Wasserstoff.

Es ist wichtig zu beachten, dass wir heute eine erhebliche Menge grauen Wasserstoff mit hohen CO2- (und Methan-) Emissionen produzieren: Priorität wäre, mit der Dekarbonisierung des bestehenden Wasserstoffbedarfs zu beginnen, beispielsweise durch Ersetzen von Ammoniak aus Erdgas durch grünes Ammoniak.

Jüngste Studien haben eine Debatte über das Konzept von blauem Wasserstoff als Übergangskraftstoff ausgelöst, bis grüner Wasserstoff kostengünstig wird. Wie würde grüner Wasserstoff gegenüber blauem Wasserstoff kostenmäßig wettbewerbsfähig werden? Welche strategischen Investitionen müssen im Technologieentwicklungsprozess getätigt werden?

Der erste Schritt besteht darin, ein Signal dafür zu geben, dass blauer Wasserstoff grau ersetzt, da es ohne einen Preis für die Emission von CO2 keinen Geschäftsnutzen für Unternehmen gibt, in komplexe und kostspielige Kohlenstoffabscheidungssysteme (CCS) und geologische CO2-Speicher zu investieren. Sobald die Rahmenbedingungen so sind, dass kohlenstoffarmer Wasserstoff (blau, grün, türkis) mit grauem Wasserstoff konkurrenzfähig ist, stellt sich die Frage: Sollten wir in CCS investieren, wenn das Risiko besteht, verlorene Vermögenswerte zu haben, und wie bald wird grün billiger als blau.

Die Antwort fällt natürlich je nach Region unterschiedlich aus. In einer Netto-Null-Welt, zu der sich immer mehr Länder bekennen, müssten die verbleibenden Emissionen aus blauem Wasserstoff durch negative Emissionen ausgeglichen werden. Dies wird mit Kosten verbunden sein. Parallel dazu waren die Gaspreise in letzter Zeit sehr volatil, wodurch der Preis für blauen Wasserstoff stark mit dem Gaspreis korreliert und nicht nur der Unsicherheit des CO2-Preises, sondern auch der Volatilität des Erdgaspreises ausgesetzt ist.

Bei grünem Wasserstoff könnten wir jedoch eine ähnliche Geschichte wie bei Solar-PV erleben. Es ist kapitalintensiv, daher müssen wir sowohl die Investitionskosten als auch die Investitionskosten senken, indem wir die Produktion erneuerbarer Technologien und Elektrolyseure ausweiten und gleichzeitig eine risikoarme Abnahme schaffen, um die Kapitalkosten für Investitionen in grünen Wasserstoff zu senken. Dies wird zu stabilen, sinkenden Kosten für grünen Wasserstoff führen, im Gegensatz zu volatilen und potenziell steigenden Kosten für blauen Wasserstoff.

Erneuerbare Energietechnologien haben bereits heute einen Reifegrad erreicht, der eine weltweit wettbewerbsfähige erneuerbare Stromerzeugung ermöglicht, eine Voraussetzung für eine wettbewerbsfähige Produktion von grünem Wasserstoff. Elektrolyseure werden jedoch immer noch in sehr kleinem Maßstab eingesetzt und müssen in den nächsten drei Jahrzehnten um drei Größenordnungen vergrößert werden, um ihre Kosten um das Dreifache zu senken.

Heute ist die Pipeline für grüne Wasserstoffprojekte auf dem besten Weg, die Kosten für Elektrolyseure bis 2030 zu halbieren. Dies kann in Kombination mit großen Projekten, die dort angesiedelt sind, wo die besten erneuerbaren Ressourcen vorhanden sind, dazu führen, dass wettbewerbsfähiger grüner Wasserstoff in den nächsten {{1 }} Jahre. Dies lässt blauem Wasserstoff – der sich heute noch im Pilotstadium befindet – nicht viel Zeit, um vom Pilot- zum kommerziellen Maßstab zu skalieren, komplexe Projekte (z. B. die langfristige geologische CO2-Speicherung) im kommerziellen Maßstab und zu wettbewerbsfähigen Kosten umzusetzen und die getätigten Investitionen wieder hereinzuholen nächsten 10-15 Jahren.

Mehrere Regierungen haben inzwischen Wasserstoff-Kraftstofftechnologien in ihre nationalen Strategien aufgenommen. Angesichts der steigenden Anforderungen an den Übergang zur Dekarbonisierung der Wirtschaft und zur Ermöglichung von Technologien mit höheren Kohlenstoffabscheidungsraten, was würden Sie politischen Entscheidungsträgern und Entscheidungsträgern raten, die die Vor- und Nachteile von grünem Wasserstoff bewerten?

Wir brauchen grünen Wasserstoff, um Netto-Null-Emissionen zu erreichen, insbesondere für Industrie, Schifffahrt und Luftfahrt. Was wir jedoch am dringendsten brauchen, ist:

1) Energieeffizienz;

2) Elektrifizierung;

3) beschleunigtes Wachstum der erneuerbaren Stromerzeugung.

Sobald dies erreicht ist, bleiben uns ca. 40 Prozent des Bedarfs sollen dekarbonisiert werden, und hier brauchen wir grünen Wasserstoff, moderne Bioenergie und die direkte Nutzung erneuerbarer Energien. Sobald wir erneuerbare Energien weiter ausbauen, um Strom zu dekarbonisieren, werden wir in der Lage sein, die Kapazität erneuerbarer Energien weiter auszubauen, um wettbewerbsfähigen grünen Wasserstoff zu produzieren und schwer zu reduzierende Sektoren mit minimalen Zusatzkosten zu dekarbonisieren.

Wo sehen Sie die Entwicklung der Energietechnologien rund um Wasserstoff bis 2030? Können wir mit wasserstoffbetriebenen Nutzfahrzeugen rechnen?

Wir sehen die Chance für eine schnelle Einführung von grünem Wasserstoff im nächsten Jahrzehnt, wo bereits eine Wasserstoffnachfrage besteht: die Dekarbonisierung von Ammoniak, Eisen und anderen bestehenden Rohstoffen. Viele industrielle Prozesse, die Wasserstoff verwenden, können grau durch grün oder blau ersetzen, vorausgesetzt CO2 wird angemessen bepreist oder andere Mechanismen zur Dekarbonisierung dieser Sektoren werden eingeführt.

Für die Schifffahrt und die Luftfahrt ist die Situation etwas anders. Drop-in-Kraftstoffe, die auf grünem Wasserstoff basieren, aber im Wesentlichen mit Düsentreibstoff und aus Öl hergestelltem Methanol identisch sind, können in bestehenden Flugzeugen und Schiffen mit minimalen bis keinen Anpassungen verwendet werden. Diese Kraftstoffe enthalten jedoch CO2, das irgendwo aufgefangen und dem Wasserstoff zugesetzt werden muss, um bei der Verbrennung wieder freigesetzt zu werden: Das verringert das Problem der CO2-Emissionen, löst es aber nicht. Synthetische Kraftstoffe können vor 2030 eingesetzt werden, wenn die richtigen Anreize vorhanden sind, um die zusätzlichen Kosten reduzierter (nicht eliminierter) Emissionen zu rechtfertigen.

In den kommenden Jahren können Schiffe auf grünes Ammoniak umsteigen, einen Kraftstoff, der aus grünem Wasserstoff und Stickstoff aus der Luft hergestellt wird und kein CO2 enthält, aber es sind Investitionen erforderlich, um Motoren und Tanks zu ersetzen, und grünes Ammoniak ist derzeit viel teurer als Heizöl.

Wasserstoff- (oder Ammoniak-) Flugzeuge sind weiter entfernt, und dies werden im Wesentlichen neue Flugzeuge sein, die entworfen, gebaut und an Fluggesellschaften verkauft werden müssen, um bestehende Flugzeuge mit Düsentreibstoffantrieb zu ersetzen – bis 2030 eindeutig nicht machbar: in diesem Sinne ein grüner Jet Kraftstoff – hergestellt aus einer Kombination aus grünem Wasserstoff und nachhaltiger Bioenergie – ist eine Lösung, die kurzfristig eingesetzt werden kann.

Zusammenfassend sind die wichtigsten Maßnahmen zur Beschleunigung der Dekarbonisierung bis 2030 1) Energieeffizienz 2) Elektrifizierung mit erneuerbaren Energien 3) rasche Beschleunigung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien (wodurch die bereits niedrigen Kosten für erneuerbaren Strom weiter gesenkt werden) 4) Ausbau nachhaltiger Energie , moderne Bioenergie, die unter anderem benötigt wird, um grüne Kraftstoffe herzustellen, die eine CO2 5)-Dekarbonisierung von grauem Wasserstoff mit grünem Wasserstoff erfordern, was Skaleneffekte bringen und die Kosten der Elektrolyse senken und grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig und bereit für eine weitere machen würde in den 2030er Jahren in Richtung des Ziels ausweiten, bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen.

Das Weltwirtschaftsforum ist seit 2017 ein langjähriger Unterstützer der Agenda für sauberen Wasserstoff und hat unter anderem bei der Gründung des Hydrogen Council, der Einrichtung einer Wasserstoff-Innovationsherausforderung in Partnerschaft mit Mission Innovation und der Gründung zusammen mit der Energy Transitions Commission, der Mission Possible-Plattform, um den Übergang schwer zu vermeidender Sektoren zu Netto-Null-Emissionen bis 2050 zu unterstützen. Lesen Sie hier mehr über die Accelerating Clean Hydrogen Initiative.