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| Fachbeitrag | Wasserstoff aus erneuerbaren Energien: Ein entscheidender Teil der Energiewende?

© EnergieAgentur.NRW

| Steffen Kawohl |

Manchmal müssen Betreiber ihre Windenergieanlagen abregeln, um das Stromnetz nicht zu überlasten. Dann stehen die Anlagen trotz ordentlicher Windverhältnisse still. Dadurch entstehen Kosten und ein wertvolles erneuerbares Strompotential geht verloren. Mit diesem überschüssigen Strom könnte stattdessen Wasserstoff erzeugt werden. An mehreren Orten in Nordrhein-Westfalen gibt es bereits Projekte, bei denen mithilfe erneuerbarer Energien „grüner“ Wasserstoff gewonnen werden soll.

Immer wieder beobachten Anwohnerinnen und Anwohner nahegelegener Windparks, dass die Anlagen stillstehen, obwohl zu diesem Zeitpunkt gute Windverhältnisse herrschen. Bei den Menschen führt es häufig zu Verwunderung, wenn Windenergieanlagen bei günstigen Wetterbedingungen stillstehen oder diese sich zumindest in gedrosseltem Betrieb befinden.

In windreichen Zeiten erzeugen Windenergieanlagen mitunter so viel Strom, dass die insgesamt ins Stromnetz eingespeiste Menge den momentanen Bedarf übersteigt. Wenn Windenergie- und andere Erneuerbare-Energien-Anlagen mehr Strom produzieren als das Netz aufnehmen kann, fordert der Netzbetreiber die Betreiber der Anlagen auf, ihren Betrieb zeitweise zu drosseln oder sogar vollständig einzustellen. Dadurch geht ein großes Erzeugungspotential verloren. Nach Angaben der Bundesnetzagentur entstand im Jahr 2019 durch diese Einspeisemanagement-Maßnahmen (EinsMan-Maßnahmen) hierzulande eine Ausfallarbeit von insgesamt 6.500 GWh. 96,7 Prozent ging auf die Abregelung von On- und Offshore-Windenergieanlagen zurück, während 2,7 Prozent der Ausfallarbeit bei Solaranlagen anfiel.

Anlagenbetreiber hat Recht auf Entschädigung
Eine Abnahmeverpflichtung im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) schreibt vor, dass Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen vorrangig vor allen anderen Erzeugungsanlagen, z. B. fossilen Kraftwerken, ins Netz eingespeist und von den Netzbetreibern aufgenommen werden muss. Betreiber von Windenergieanlagen haben gegenüber dem Netzbetreiber einen Anspruch auf Entschädigung für entgangene Einnahmen, wenn sie ihre Anlagen abregeln müssen. Der Netzbetreiber kann die anfallenden Kosten wiederum über die Netzentgelte auf die Endverbraucher des Stroms abwälzen, zum Beispiel wenn der Netzengpass durch mangelnden Netzausbau verursacht wurde. Die Bundesnetzagentur schätzt, dass im Jahr 2019 insgesamt in Deutschland rund 710 Millionen Euro an Entschädigungsansprüchen entstanden sind. In einer kürzlich veröffentlichten Studie gehen das Wuppertal Institut und DIW Econ davon aus, dass diese Ausfallarbeit und damit verbundene Entschädigungszahlungen für abgeregelten Wind- und Solarstrom mittelfristig ansteigen werden, da die Windenergie und Photovoltaik künftig weiter ausgebaut werde und der Ausfallarbeit nicht unmittelbar gegengesteuert werden könne.

Wasserstoff als Speichermöglichkeit
Um das bisher ungenutzte Potential zu heben und Ausfallkosten zu vermeiden, kann überschüssiger Strom auf vielfältige Art und Weise gespeichert und je nach Speicherform unterschiedlich genutzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, über einen Elektrolyseur Wasserstoff zu gewinnen (Power-to-Gas). Wasserstoff kommt auf der Erde überwiegend in Wasser gebunden vor und ist das häufigste chemische Element im Universum. Molekularer Wasserstoff entsteht unter anderem, wenn Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird. Bei seiner Verbrennung entsteht kein CO2 und durch eine geeignete Brennergestaltung lässt sich auch eine NOx-Entstehung weitgehend vermeiden. Wasserstoff kann im Gasnetz transportiert werden – beigemischt und auch in Reinform. Die Industrie setzt Wasserstoff bislang für bestimmte Fertigungsprozesse ein und auch im Wärme- und Verkehrssektor kann er unter bestimmten Voraussetzungen verwendet werden.

Wasserstoff kann auf unterschiedlichen Wegen gewonnen werden
Wie klimafreundlich die Nutzung von Wasserstoff ist, hängt davon ab, wie er erzeugt wird. Wird Wasserstoff mithilfe überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien gewonnen, ist er CO2-neutral. Dann spricht man von „grünem“ Wasserstoff. In der Industrie und im Verkehr kommt bislang häufig „grauer“, „blauer“ oder „türkiser“ Wasserstoff zum Einsatz. „Grauer“ Wasserstoff entsteht, wenn fossile Energieträger und sauerstoffhaltige Reaktionspartner für die Erzeugung genutzt und das entstehende CO2 nicht abgeschieden wird. Die höchste Ausbeute pro erzeugtem CO2 wird durch die Dampfreformierung von Erdgas erzielt, die neben der Wasserdampfzufuhr auch Wärmezufuhr erfordert. Mit jeder Tonne Wasserstoff fallen dabei gleichzeitig zehn Tonnen CO2 an. Gelangt das dabei entstehende CO2 allerdings nicht in die Atmosphäre, sondern wird durch sogenanntes Carbon-Capture-and-Storage (CCS) abgeschieden und gespeichert, spricht man von „blauem“ Wasserstoff. Wird Methan thermisch gespalten (Methanpyrolyse), entsteht „türkiser“ Wasserstoff und an Stelle von CO2 fester Kohlenstoff. Während die Klimaneutralität des „blauen“ und „türkisen“ Wasserstoffs von der dauerhaften Bindung des Kohlenstoffs und bei „türkisem“ Wasserstoff zusätzlich von der Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energien bei der Methanpyrolyse abhängt, fallen nur bei der Gewinnung „grünen“ Wasserstoffs keine CO2-Emissionen an. Ob der Einsatz „grünen“ Wasserstoffs aber wirklich klimafreundlich ist, hängt letztlich vom erneuerbaren Stromangebot und -bedarf ab. Klimafreundlich wäre es, wenn es sich bei dem verwendeten Grünstrom um überschüssigen oder solchen Strom handelt, der am Strommarkt keine hinreichenden Erträge erzielen würde und deshalb nur zur Elektrolyse von Wasserstoff erzeugt und eingesetzt wird. Führt die Elektrolyse mithilfe erneuerbaren Stroms allerdings dazu, dass nicht mehr genügend „grüner“ Strom zur Dekarbonisierung des Strommixes verfügbar ist, verlöre der gewonnene Wasserstoff seine klimafreundliche Qualität.

Hohe Verluste durch Power-to-Gas-Verfahren
Eine andere Herausforderung beim Einsatz von Wasserstoff als Energieträger besteht darin, dass sehr viel erneuerbare Energie aufgewendet werden muss, um ihn zu gewinnen. Durch die Elektrolyse geht ein Teil der Energie des eingesetzten Wind- und Photovoltaikstroms als Abwärme verloren, sodass bezogen auf den Heizwert je nach Typ ein Wirkungsgrad zwischen 59 und 82 Prozent erreicht wird. Werte jenseits 70 Prozent sind allerdings sicher nur von Hochtemperatur-Elektrolysen erreichbar, während großskalig verfügbare Technologien noch weit darunter liegen. Wird der Wasserstoff anschließend in synthetisches Methan umgewandelt, damit er ins Gasnetz eingespeist werden kann, muss wieder Energie aufgewendet werden, was die Nettobilanz der Umwandlung zusätzlich verringert. Wird das Methan dann über Gaskraftwerke in Strom zurückgewandelt, bleibt am Ende von der ursprünglich eingesetzten erneuerbaren Energie ein Wirkungsgrad in einer Größenordnung um 30 Prozent übrig, weshalb die Stromerzeugung mittels gespeichertem Gas nur für die Residuallastbereitstellung Sinn macht und das auch nur dann, wenn die effizienteren, aber nur unzureichend ergänzbaren Batterie- und Pumpspeicher bereits entladen sind.

Bundesregierung veröffentlicht Wasserstoffstrategie
Auf dem Weg in eine klimafreundliche Energieversorgung ist Wasserstoff in verschiedenen Bereichen heute bereits nicht mehr wegzudenken und soll künftig intensiv genutzt werden. Die Bundesregierung hat dazu im Juni 2020 eine Wasserstoffstrategie veröffentlicht. Darin prognostiziert sie bis zum Jahr 2030 einen Wasserstoffbedarf von ca. 90 bis 110 Terawattstunden (TWh) in Deutschland. Der überwiegende Teil dieses Bedarfs soll künftig aus dem Ausland importiert werden. Auf der anderen Seite hält die Bundesregierung aber eine starke und nachhaltige inländische Produktion und Verwendung von Wasserstoff für den Markthochlauf entsprechender Technologien sowie deren Export für unverzichtbar. Um einen Teil des Bedarfs decken zu können, sollen daher im gesamten Bundesgebiet Erzeugungsanlagen von bis zu 5 GW Gesamtleistung einschließlich der dafür notwendigen Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen entstehen. Unter der Annahme von 4.000 Volllaststunden und einem durchschnittlichen Wirkungsgrad des Elektrolyseurs von 70 Prozent entspräche dies einer „grünen“ Wasserstoffproduktion von bis zu 14 TWh und einer benötigten erneuerbaren Strommenge von bis zu 20 TWh. Spätestens bis 2040 sollen weitere 5 GW zugebaut werden. Um Wasserstoff langfristig nachhaltig und wirtschaftlich nutzen zu können, müssten die Kapazitäten der erneuerbaren Stromerzeugung, insbesondere Windenergie und Photovoltaik, laut Wasserstoffstrategie ebenfalls konsequent erhöht werden. Auf dem Weg zur Treibhausgasneutralität soll übergangsweise auch „blauer“ und „türkiser“ Wasserstoff eingesetzt werden.

Auch Nordrhein-Westfalen möchte Wasserstoffnutzung vorantreiben
Auch für Nordrhein-Westfalen ist Wasserstoff ein wichtiges Zukunftsthema. So folgte auf die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung die nordrhein-westfälische Landesregierung und brachte im November 2020 eine Wasserstoff-Roadmap heraus. Die Landesregierung sieht das Potential, durch Wasserstoff ein Viertel unserer heutigen CO2-Emissionen einzusparen. Dazu sollen bis zum Jahr 2030 ein bis drei Gigawatt Elektrolyseleistung in Nordrhein-Westfalen geschaffen werden. „Grauer“, „blauer“ und „türkiser“ Wasserstoff seien eine notwendige Übergangslösung, langfristig setzt aber auch die Landesregierung auf grünen Wasserstoff.

Nordrhein-Westfalen fördert Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur
Was sich in unserem Bundesland bereits tut, um die notwendige Infrastruktur für die Produktion und Nutzung grünen Wasserstoffs zu schaffen, zeigt der Wettbewerb „Modellkommune/-region Wasserstoffmobilität NRW“, den das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes im Jahr 2018 gestartet hat. Die Landesregierung suchte dabei eine Modellkommune oder –region, die zeigt, wie Wasserstoffmobilität erfolgreich in die Praxis umgesetzt werden kann.

Kompetenzregion Wasserstoff Düssel.Rhein.Wupper
Den Titel „Modellregion Wasserstoff-Mobilität Nordrhein-Westfalen“ erhielt am Ende die Kompetenzregion Wasserstoff Düssel.Rhein.Wupper. Das Konsortium aus den Städten Düsseldorf, Duisburg, Wuppertal und dem Rhein-Kreis-Neuss sowie den Stadtwerken Düsseldorf, den Wuppertaler Stadtwerken und dem Unternehmen Air Liquide erarbeitete ein Konzept für ihre Region, bei dem sechs Müllheizkraftwerke Strom für die Wasserstoffproduktion mit einer angeschlossenen Elektrolyseleistung von mindestens 6 MW liefern sollen. Gut die Hälfte des Stroms aus den Müllheizkraftwerken kann dem Konsortium zufolge als nachwachsender Rohstoff eingestuft und den erneuerbaren Energien dadurch gleichgestellt werden. Perspektivisch soll der biogene Anteil der Müllheizkraftwerke um Strom aus Erneuerbare-Energien-Anlagen vor Ort ergänzt werden. Das Konsortium erwartet, dass so bis zum Beginn des nächsten Jahrzehnts über 5.000 Tonnen Wasserstoff, also über 90 Prozent der bislang in der Region nachgefragten Menge, erzeugt werden können. Bis dahin fallen in der Region 130 MW installierter Leistung Erneuerbarer-Energien-Anlagen aus der EEG-Vergütung und könnten danach über die Elektrolyse wirtschaftlich sinnvoll weitergenutzt werden. Bis 2030 könnten nach Einschätzung des Konsortiums rund 6.000 Fahrzeuge mit Brennstoff-Antrieb in der Region unterwegs sein.

Kreis Steinfurt – „HYMAT-Energie“
Ebenfalls bis in die Endrunde des Wettbewerbs hat es der Kreis Steinfurt mit seinem Masterplan Wasserstoff-Mobilität geschafft. Unter der Marke „HYMAT-Energie“ will sich der Kreis künftig weiter für Wasserstoffkonzepte und –projekte im ländlichen Raum positionieren. An fünf Standorten soll mit Strom aus Windenergieanlagen, überwiegend Bürgerwind-Anlagen, deren EEG-Vergütung ausläuft, und aus Photovoltaikanlagen auf Freiflächen oder Deponien mittels Elektrolyse „grüner“ Wasserstoff erzeugt werden. Auf diese Weise möchte der Kreis Betreibern von Erneuerbare-Energien-Anlagen in der Region wirtschaftliche Perspektiven für die Post-EEG-Zeit bieten. Der Wasserstoff wird Buslinien, eine Bahnstrecke, Firmenwagen, landwirtschaftliche Fahrzeuge, Carsharing-Anbieter sowie Brennstoffzellen-Busse der Stadtwerke Münster antreiben und Tankstellen für Entsorgungs- und Logistikunternehmen sowie eine bereits existierende Wasserstofftankstelle in Münster versorgen. Nach den Plänen des Kreises sollen im Jahr 2025 mit einer Elektrolyseleistung von 26 MW insgesamt 1.940 Tonnen „grüner“ Wasserstoff hergestellt werden, wodurch im Verkehr rund 22.000 Tonnen CO2 vermieden werden könnten. Bis zum Jahr 2030 soll die Leistung dann auf 76 MW erhöht und die Wasserstoffmenge auf 5.750 Tonnen gesteigert werden. Dadurch ließen sich rund 82.000 Tonnen CO2 einsparen.

Weitere Informationen:

Fachbeitrag: Warum stehen Windenergieanlagen still?

EnergieAgentur.NRW – Themengebiet Brennstoffzelle & Wasserstoff