Pläne, Wasserstoff zu einem zentralen Energieträger für eine klimafreundliche Zukunft zu machen, erachtet Anthony Patt als falsch. Fossile Energie sollte direkt durch erneuerbaren Strom ersetzt werden. ©Bild: ETH Zürich

ETH Zukunftsblog: Wasserstoff für Transport und Wärme ist der falsche Weg

(©AP) Um die Erderwärmung einzudämmen muss die Welt bis Mitte Jahrhundert aus der fossilen Energie aussteigen. Wir bewegen uns nun in die richtige Richtung. Nahezu alle neuen Investitionen im Energiesektor fliessen in erneuerbare Energiequellen. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Bev) werden immer beliebter. Und die meisten neuen Gebäude heizen nicht fossil. Klar gibt es Hürden. Das alles muss schneller gehen, und es braucht eine konsequentere Klimapolitik. Was den Wandel aus meiner Sicht jedoch am stärksten gefährdet, kommt heute «getarnt» als Teil der Lösung daher: Wasserstoff.


Wasserstoff ist wie Elektrizität ein Energieträger, keine Energiequelle. Man kann ihn auf drei Arten herstellen. Grauer Wasserstoff, der derzeit fast den gesamten Verbrauch ausmacht, wird aus Methan gewonnen, was erhebliche CO2- und unkontrollierte Methanemissionen verursacht. Blauer Wasserstoff ist wie grauer Wasserstoff, bei dem CO2 abgeschieden und gespeichert wird – doch aufgrund der Methanverluste (Methanschlupf) und der Prozessineffizienz emittiert blauer Wasserstoff immer noch mehr Treibhausgase als das Erdöl oder Erdgas, welches er ersetzen soll. [1] Grüner Wasserstoff wird aus Wasser mittels Elektrolyse und erneuerbarem Strom produziert. Er verursacht keine direkten Emissionen und ist die einzige klimafreundliche Option. Das Problem mit grünem Wasserstoff ist jedoch, dass es in den meisten Fällen effizienter, kostengünstiger und ressourcenschonender ist, die erneuerbare Energie direkt zu nutzen. Für das Gesamtsystem sind diese Aspekte entscheidend.

Wettbewerbsfähig und vernünftig
Nehmen wir den Landverkehr. Heutige Bev sind bezüglich Kosten im Vergleich mit Benzin- und Dieselfahrzeugen wettbewerbsfähig und gewinnen schnell Marktanteile. Ihre Reichweite genügt für 99 Prozent aller Fahrten [2], und für die restlichen 1 Prozent bieten Schnellladegeräte entlang den Autobahnen zusätzliche Reichweiten von über 400 km in weniger als 30 Minuten – was etwa den Pausen entspricht, die Autofahrende ohnehin benötigen. Neue Studien zeigen, dass batterieelektrische Lastwagen nun auch auf langen Strecken wirtschaftlich werden und gleich gut funktionieren. [3], [4]. Es gibt Bedenken wegen der umweltbelastenden Batterieproduktion; hier können und werden Konzepte der Kreislaufwirtschaft Abhilfe schaffen. [5], [6]

Die Grundinfrastruktur für das Aufladen von Bev – das Stromnetz – ist bereits vorhanden. Mit steigender Zahl an Bev auf den Strassen können wir gleichzeitig die erneuerbare Stromproduktion und das Netz an Ladestationen sukzessive ausbauen. Ähnlich verhält es sich mit Wärmepumpen. Sie sind die effizienteste Art, mit erneuerbarer Energie zu heizen und sind in den Kosten konkurrenzfähig. Auch hier kann die Infrastruktur schrittweise mit dem steigenden Marktanteil der Wärmepumpen wachsen.

Ineffizient, teuer und langsam
Zum Wasserstoff. Ein Vorteil von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (Fcev) besteht darin, dass man sie schneller auftanken kann als Bev laden. Das fällt jedoch je länger je weniger ins Gewicht, weil Ladegeschwindigkeit und Reichweite von Bev kontinuierlich steigen. Ein wesentlicher Nachteil von Fcev ist, dass ihr Gesamtwirkungsgrad – von Strom zu grünem Wasserstoff, zurück zu Strom und aufs Rad – nur die Hälfte bis ein Drittel desjenigen von Bev beträgt. [7] Der höhere Energieverbrauch macht Fcev deutlich teurer als Bev, Benzin oder Diesel. Ausserdem braucht es eine neue Infrastruktur, um Wasserstoff zu verteilen und zu tanken. Diese müsste im Gegensatz zu Bev zuerst errichtet werden, bevor Fcev für den Massenmarkt geeignet wären. [8]

Beim Heizen zeigt sich ein ähnliches Bild: Hier kommen zwar «wasserstofftaugliche» Heizkessel (Boiler) auf den Markt, die ein Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff verbrennen können. [9] Reine Wasserstoffkessel, wie wir sie letztlich bräuchten, existieren noch nicht. Boiler bieten gegenüber Wärmepumpen kurzfristig den Vorteil, dass manche Gebäude weniger stark saniert werden müssen. Aber wie beim Verkehr gibt es gewichtige Nachteile. Heizen mit grünem Wasserstoff benötigt etwa sechsmal mehr erneuerbaren Strom als mit einer Wärmepumpe. Die Kosten fallen höher aus, da mehr Energie verbraucht wird. Zudem wäre parallel ein neues Verteilsystem für Wasserstoff erforderlich, um reine Wasserstoffkessel einzusetzen [10] – und die bräuchten wir spätestens bis 2050.

Engpass: Ausbau der Erneuerbaren
Bei der Abkehr von fossilen Brennstoffen sehe ich den grössten Engpass darin, die erneuerbare Elektrizität schnell genug auszubauen. In der Schweiz wird aktuell zwar mehr Photovoltaik-Kapazität installiert als je zuvor – doch wir müssen diese Installationsraten noch vervierfachen, wollen wir bis 2050 den Bodenverkehr vollständig und das Heizen teilweise elektrifizieren. [11] Setzt sich grüner Wasserstoff durch, muss der ohnehin schon ambitionierte Ausbau deutlich schneller erfolgen.

Der Hype um Wasserstoff
Trotz dieser Probleme gibt es viel politischen Enthusiasmus für Wasserstoff. Um es klar zu sagen: Natürlich gibt es Anwendungen, wo Wasserstoff die Dekarbonisierung unterstützen kann, etwa als saisonaler Energiespeicher, bei der Stahlproduktion oder als Zwischenschritt bei der Synthese nachhaltiger Flugzeugtreibstoffe (siehe ETH-News). Die derzeit diskutierten Pläne gehen jedoch weit darüber hinaus.

Zum Beispiel die Wasserstoffstrategie der EU: Sie will Wasserstoff zu einem zentralen Energieträger für Landverkehr und Wärme machen und sieht Milliarden an öffentlichen Mitteln für Forschung, Planung und den Bau der Infrastruktur vor. [12] Die Schweizer Regierung hat keine derartigen Pläne fürs Heizen, aber einzelne Kantone haben signalisiert, dass sie den Ausbau der Infrastruktur für Bev und Fcev als gleichrangig betrachten. [13], [14] Aus wissenschaftlicher Sicht ergibt das keinen Sinn.

Was steckt dahinter?
Die beste Antwort, die ich finden kann: Das Wohlwollen gegenüber Wasserstoff scheint auf politische Einflussnahme zurückzuführen zu sein. Laut einem Bericht von Corporate Europe Observatory, einer Organisation, die den Einfluss von Firmen auf die EU-Politik untersucht, investiert die europäische Wasserstofflobby jährlich über 50 Millionen Euro in die Interessenarbeit. Gemessen an der Anzahl Treffen mit hochrangigen Mitgliedern der EU-Kommission übertrifft die Wasserstofflobby Umweltorganisationen fast um das Fünffache. [15] Die Mittel kommen in erster Linie von fossilen Energiefirmen. [16]

Für die Branche macht das Sinn, denn mit der Energiewende drohen Gas und Erdöl obsolet zu werden. Die Kernkompetenz der fossilen Energiewirtschaft liegt in der Verarbeitung, Lagerung und Lieferung von Kraftstoffen über Pipelines und Verkaufsstellen an die Kunden. Eine Priorisierung von Wasserstoff würde die Energiewende verlangsamen und die Lebensdauer der fossilen Assets verlängern. Steigt die Nachfrage nach Wasserstoff schneller als die Produktion von grünem Wasserstoff decken kann, würde grauer oder blauer Wasserstoff aus Erdgas verwendet.

Forschende schlagen Alarm
Ich bin nicht der Einzige, der besorgt ist. Einer der führenden Analysten für den Energiesektor und Cleantech, Daniel Liebreich, vermutete bereits, dass die Ölindustrie Lobbyarbeit für Wasserstoff betreibt, «um die Elektrifizierung zu verzögern». [17] Britische Forschende wandten sich unlängst in einem offenen Brief an ihre Regierung und äusserten tiefes Bedenken wegen ähnlicher Pläne mit Wasserstoff. [18]

Nochmal: In bestimmten Bereichen kann grüner Wasserstoff sehr wohl zur Energiewende beitragen. Aber für Bodenverkehr und Wärme, die zusammen den Löwenanteil des fossilen Energieverbrauchs ausmachen, ist Wasserstoff eine denkbar schlechte Idee. Es ist die letzte Überlebenschance für die Öl- und Gasindustrie, und entsprechend spielen diese das politische Spiel. Sollten sie gewinnen, wird sich der Übergang zu sauberer Energie verzögern. Wir werden mehr Treibhausgase ausstossen. Mehr Land und Ressourcen verbrauchen. Und es wird mehr kosten. Die Umwelt und die Gesellschaft würden verlieren.

Referenzen
[1] Howarth, R. W., and M. Z. Jacobson, 2021: How green is blue hydrogen? Energy Sci. Eng., 9(10), 1676–1687, doi:10.1002/ese3.956

[2] Melliger, M. A., O. P. R. van Vliet, and H. Liimatainen, 2018: Anxiety vs reality – Sufficiency of battery electric vehicle range in Switzerland and Finland. Transp. Res. Part D Transp. Environ., 65, 101–115, doi:10.1016/j.trd.2018.08.011

[3] Nykvist, B., and O. Olsson, 2021: The feasibility of heavy battery electric trucks. Joule, 5(4), 901–913, doi:10.1016/J.JOULE.2021.03.007

[4] Gemäss EU-Vorschriften müssen Lkw-Fahrende alle 4.5 Stunden 45 Minuten pausieren. Bald kommen Bev-Lkw auf den Markt, die Reichweiten für mehr als 7 Stunden Autobahnfahrt aufweisen und in 30 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen werden können. Ihre Gesamtbetriebskosten scheinen unter denen von Diesel-Lkw zu liegen. Siehe Insideevs: Making Sense Out of Tesla’s Semi Truck Economics

[5] Baars, J., T. Domenech, R. Bleischwitz, H. E. Melin, and O. Heidrich, 2021: Circular economy strategies for electric vehicle batteries reduce reliance on raw materials. Nat. Sustain., 4(1), 71–79, doi:10.1038/s41893-020-00607-0.

[6] European Parliament: New EU regulatory framework for Batteries

[7] Insideevs: Battery Electric vs Hydrogen Fuel Cell: Efficiency Comparison

[8] Wasserstoff-Tankstellen Schweiz: In der Schweiz gibt es derzeit acht Wasserstoff-Tankstellen; in fast allen Orten muss man erhebliche Distanzen zurücklegen, um Fcev aufzutanken. Die meisten BEV-Besitzer laden ihr Fahrzeug zu Hause über Nacht auf.

[9] Viesmann: How do hydrogen boilers work. Wasserstofftaugliche Boiler sind attraktiv, weil die Produktion insbesondere von grünem Wasserstoff noch begrenzt ist. Man kann sie vorab installieren und dann in Betrieb nehmen, wenn Wasserstoff in die bestehenden Erdgasleitungen eingespeist wird.

[10] Überlappende Generationen von Heizkesseln erfordern ein doppeltes Verteilnetz: Nachgerüstet können bestehende Erdgasleitungen eine Mischung aus Erdgas und Wasserstoff und in gewissen Fällen sogar reinen Wasserstoff verteilen. Solange jedoch ältere Erdgaskessel an diese Leitungen angeschlossen sind, kann man keinen Wasserstoff einspeisen. Das gleiche gilt beim Wechsel von wasserstofftauglichen zu reinen Wasserstoff-Kesseln.

[11] Bafu: Langfristige Klimastrategie 2050 setzt auf die Elektrifizierung primär durch mehr Photovoltaik (PV) kombiniert mit Importen erneuerbarer Energien. Der vierfache Anstieg leitet sich aus der Annahme einer S-förmigen Diffusionskurve für PV ableiten.

[12] EU-Kommission: A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe

[13] Energate Messenger: Berner Regierungsrat will Aufbau von H2-Tankstellennetz unterstützen

[14] Kanton Zürich Medienmitteilung: Regierungsrat künftig auch mit Wasserstoff-Fahrzeugen unterwegs

[15] Corporate Europe: The Hydrogen Hype

[16] Siehe vorherige Referenz

©Text: Prof. Anthony Patt, ETH Zürich

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2 Kommentare

John Ahab

Sorry, aber der Informationsstand und die Vorbehalte gegen eine Wasserstoffwirtschaft in diesem Artikel sind ziemlich abgestanden.
Referenz 4 verweist z.B. auf einen Artikel über den Tesla Semi Truck von 2017. Damit sollte man nichts begründen. Inzwischen stellte sich die ganze Geschichte um den Tesla Semi Truck als pure Vaporware heraus. Den Semi Truck gibt es immer noch nicht, auch keinen anderen BEV-Langstrecken-LKW. Hingegen jede Menge von BEV-LKW für den Lokal- und Regionaltransport (so bis realen 300 km) und inzwischen schon 3 Hersteller mit schweren H2-Langstrecken LKW (Hyundai, Hyzon, GreatWall).

Jakob Sperling

Seltsamer Artikel für einen Professor der ETH. Sehr politisch. Niemand bestreitet, dass man dort, wo Netzstrom verfügbar ist, diesen direkt vom Netz nimmt. Das wird auch keine Lobby verhindern können; ich wüsste nicht wie. Von daher wird H2-Brennstoffzellen-Strom automatisch Priorität 2 haben. Keine wirkliche oder heraufbeschworene Lobby wird die Stromleitungen kappen können. Nur zeigen halt zahlreiche aufwendig ausgearbeitete Szenarien, dass es daneben, oder trotzdem, für H2 noch jede Menge Bedarf gibt, einerseits weil Strom zur falschen Zeit oder am falschen Ort produziert wird, andererseits weil er am Ort der Anwendung nicht zur gewünschten Zeit in der gewünschten Menge zur Verfügung steht. Beispielsweise für Langstreckentransport auf Land, Wasser und in der Luft.
Nebenbei: Wie so oft wird getan, wie wenn ein batterie-elektrisches Fahrzeug den Strom 'direkt' verbrauchen würde. Das ist aber nur bei der Eisenbahn oder den Trolleybussen so. Es führt keine Stromleitung zu Fahrzeugen. Bei batterie-elektrischen Fahrzeugen muss die Amortisation der Batterie sowohl finanziell wie auch oekologisch mit eingerechnet werden. Das ist nicht Peanuts, das verdoppelt den Aufwand in vielen Bereichen.

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