Christian Bauer untersucht am Paul Scherrer Institut, wie effizient verschiedene Energieträger für eine nachhaltige Versorgung eingesetzt werden können.

Blauer Wasserstoff kann das Klima schützen

Publiziert

Der Schlüssel liegt in einem hohen Technikstandard.

Eine internationale Gruppe von Forschenden unter Leitung des Paul Scherrer Instituts PSI und der Heriot-Watt-Universität haben die Klimawirkungen von sogenanntem blauem Wasserstoff umfangreich analysiert. Er wird aus Erdgas gewonnen, wobei die dabei entstehenden CO2-Emissionen abgeschieden und gespeichert werden. Die Studie zeigt, dass blauer Wasserstoff unter bestimmten Voraussetzungen eine positive Rolle bei der Energiewende spielen kann. Sie erscheint im Fachmagazin Sustainable Energy & Fuels der Royal Society of Chemistry.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, denn bei seiner Nutzung – ob zum Antrieb eines Autos oder zur Wärmeerzeugung in Haushalt und Industrie – entsteht nur Wasser. Doch ob Wasserstoff wirklich klimafreundlich ist, hängt davon ab, wie er produziert wurde. Den Idealfall stellt sogenannter grüner Wasserstoff dar. Er wird per Elektrolyse aus Wasser hergestellt, wobei der Strom dafür ausschliesslich aus erneuerbaren Energien wie Wasser-, Wind- und Sonnenkraft stammt. Dadurch ist er weitgehend klimaneutral. Aber zurzeit ist derart produzierter Wasserstoff teuer und nicht überall verfügbar – da erneuerbarer Strom und Elektrolysekapazitäten fehlen.

«Der rapide steigende Bedarf an Wasserstoff kann damit auf absehbare Zeit wahrscheinlich nicht gedeckt werden», heisst es deshalb in der aktuellen internationalen Studie. Der Grossteil des Wasserstoffs wird heute aus Erdgas oder anderen fossilen Brennstoffen gewonnen. Man bezeichnet ihn als „grauen Wasserstoff“. Er bringt in der Ökobilanz aber keine Vorteile, weil seine Herstellung das Klima belastet und bei der Umwandlung Energie verloren geht.

Eine Art Kompromiss stellt der sogenannte blaue Wasserstoff dar, dessen mögliche Rolle für die Energiewende Fachkreise und Politik seit Monaten verschärft diskutieren. Er wird zwar wie der graue Wasserstoff aus Erdgas hergestellt, indem man dieses erhitzt und dann durch sogenannte Dampfreformierung in Wasserstoff und Kohlendioxid spaltet. In diesem Fall jedoch lässt man das Kohlendioxid nicht einfach in die Atmosphäre entweichen, sondern scheidet einen Teil davon ab und speichert ihn dauerhaft unterirdisch, um den Treibhauseffekt zu verringern. Man nennt das Carbon Capture and Storage oder kurz CCS. Das verbessert die Klimabilanz.

Lecks schmälern die Klimabilanz

Eine im August erschienene Studie von Forschenden der US-Universitäten Cornell und Stanford kam allerdings zu dem Ergebnis, dass blauer Wasserstoff zur Wärmeerzeugung trotz CCS nicht besser fürs Klima, sondern unterm Strich sogar gut 20 Prozent schlechter sei als Erdgas, das man direkt als Energieträger verwendet. Das liege vor allem daran, so die Autoren, dass über die gesamte Lieferkette des Erdgases – von dessen Förderung am Bohrloch über den Transport per Pipeline oder Schiff bis hin zur Wasserstoffherstellung – Gas durch Lecks in die Luft entweicht. Da Erdgas beziehungsweise sein Hauptbestandteil Methan einen rund 30 Mal stärkeren Treibhauseffekt aufweist als CO2, können schon Leckagen von wenigen Prozent die Klimabilanz des aus ihm gewonnenen Wasserstoffs enorm trüben. Hinzu kommen CO2-Emissionen bei der Erdgasreformierung, wenn nicht sämtliches Kohlendioxid abgeschieden wird und so ein Teil in die Atmosphäre gelangt statt unter die Erde.

«Diese Studie war für uns der Anlass, den Klimaeffekt von blauem Wasserstoff noch genauer zu analysieren», sagt Christian Bauer vom Labor für Energiesystem-Analysen des PSI, Hauptautor der aktuellen Studie. Bauer formierte zusammen mit Mijndert van der Spek, Professor am Forschungszentrum für Carbon Solutions an der Heriot-Watt Universität in kürzester Zeit eine internationale Kooperation von Forschenden verschiedenster Institute, um die neue Studie auf eine breite Basis zu stellen. Besonders eng war die Zusammenarbeit mit Kollegen der ETH Zürich, die über spezielle Modelle verfügen, mit denen sie Prozesse wie die CO2-Abscheidung detailliert simulieren können. «Sie haben die Herstellung von blauem Wasserstoff über ihre Simulationssoftware laufen lassen, und wir vom PSI haben die Ergebnisse in unsere Ökobilanzmodelle eingespeist», berichtet Bauer. «Diese bilden die gesamte Produktionskette von der Erdgasförderung bis zur CO2-Speicherung ab.»

Die Resultate der Ökobilanz zeichnen ein differenziertes Bild: Ob blauer Wasserstoff dem Klima zugutekommt, hängt demnach sehr stark davon ab, wie viel Methan auf dem Weg von der Förderung des Erdgases bis zur Produktion des Wasserstoffs verloren geht und wie effektiv die CO2-Abscheidung bei der Erdgasreformierung ist. «Die Methanemissionen sind sehr diffus, weil sie an vielen verschiedenen Stellen der Produktionskette auftreten können», sagt Bauer. «Daher sind sie schwer zu bestimmen. Je nach Fördertechnik und Land, aus dem das Erdgas stammt, schwanken sie zwischen wenigen zehntel Prozent und einigen Prozenten.» Und bei der CO2-Abscheidung gibt es Verfahren, die fast das gesamte anfallende CO2 einfangen und speichern können. Andere kommen nur auf die Hälfte. «Mit modernen CO2-Abscheidungstechnologien kann praktisch das gesamte in der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 abgeschieden werden», sagt van der Spek. Damit könne blauer Wasserstoff eine Schlüsselrolle beim Übergang zu einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft spielen.

Der Schlüssel liegt in einem hohen Technikstandard

Der Schlüssel zu blauem Wasserstoff, der dem Klima wirklich zugutekommt, liegt also darin, hohe Ansprüche an die Technik anzulegen: «Als Vorbilder können Länder wie Norwegen dienen», sagt Bauer. Diese gewinnen und transportieren das Erdgas schon heute fast verlustfrei mit Emissionen von unter 0,5 Prozent. Wird nun bei der Erdgasreformierung nahezu die gesamte Menge der CO2-Emissionen abgeschieden und etwa in ehemaligen Erdgasfeldern in der Nordsee gespeichert – was sich seit vielen Jahren als effektiv und sicher bewährt hat –, dann ist dieser blaue Wasserstoff fast genauso klimafreundlich wie der grüne.

Der PSI-Forscher betont, dass seine US-Kollegen nicht unbedingt falsch gerechnet hätten. «Sie haben nur einfach recht einseitig die negative Seite des Spektrums betrachtet, wie die Produktion von blauem Wasserstoff laufen kann. Wir dagegen zeigen: Wenn man es richtig macht, leistet er durchaus einen wertvollen Beitrag zur Energiewende.» Er könne zumindest eine Art Übergangslösung sein, bis grüner Wasserstoff flächendeckend und günstig verfügbar wird. «Womöglich wird es der steigende Bedarf auch nötig machen, dass beide Formen über längere Zeit komplementär genutzt werden», so Bauer.

Die Erdgasindustrie hat bereits erkannt, dass nur eine möglichst emissionsfreie Produktion ihren Weiterbestand sichern kann. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, die Technik weltweit auf einen Standard zu bringen, der maximal 0,2 Prozent Methanemissionen zulässt. Auf politischer Ebene werden Schwellenwerte diskutiert, unter denen blauer Wasserstoff als kohlenstoffarm und dadurch klimafreundlich gelten darf. «Wichtig ist, dass ein solcher Wert wirklich die Emissionen entlang der gesamten Kette berücksichtigt», sagt Bauer. Entscheidende Faktoren dürften bei der Bilanzierung nicht ausgeblendet werden.

Originalveröffentlichung

  • Christian Bauer, Karin Treyer, Cristina Antonini, Joule Bergerson, Matteo Gazzani, Emre Gencer, Jon Gibbins, Marco Mazzotti, Sean T. McCoy, Russell McKenna, Robert Pietzcker, Arvind P. Ravikumar, Matteo C. Romano, Falko Ueckerdt, Jaap Vente, Mijndert van der Spek; "On the climate impacts of blue hydrogen production"; Sustainable Energy & Fuels; 19.11.2021

EVENTS

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 15. - 18. Februar 2022

Ort: Nürnberg (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 14. - 15. März 2022

Ort: Berlin (D)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Luzern (CH)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 22. - 24. März 2022

Ort: München (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 30. - 31. März 2022

Ort: Bern Expo (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 25. - 29. April 2022

Ort: Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Online (D)

MedtecLIVE with T4M

Fachmesse für die gesamte Wertschöpfungskette der Medizintechnik

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Nürnberg/Stuttgart (D)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 03. - 06. Mai 2022

Ort: Basel (CH)

Swisstech

Internationale Fachmesse für Werkstoffe, Komponenten und Systembau

Datum: 03. - 06. Mai 2022

Ort: Basel (CH)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 10. - 12. Mai 2022

Ort: Online (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 17. - 20. Mai 2022

Ort: Lyon (F)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 31. Mai - 02. Juni 2022

Ort: Stuttgart (D)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 31. Mai - 03. Juni 2022

Ort: Hamburg (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

GS1 Excellence Days

Informieren – Inspirieren – Vernetzen

Datum: 08. - 09. Juni 2022

Ort: Kursaal Bern (CH)

aqua pro

B2B-Plattform in der Schweiz für Fachkräfte des Globalen Wasserkreislaufs

Datum: 08. - 10. Juni 2022

Ort: Bulle (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Interantionale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 14. - 17. Juni 2022

Ort: Palexpo Genf (CH)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Topsoft

Inspiring Digital Business

Datum: 22. - 23. Juni 2022

Ort: Umwelt Arena Schweiz Spreitenbach (CH)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 31. August - 01. September 2022

Ort: Zürich (CH)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05. - 07. September 2022

Ort: Bern (CH)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 14. - 17. September 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 28. - 29. September 2022

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 04. - 06. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18. - 19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25. - 27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 14. - 17. November 2022

Ort: Düsseldorf (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

Compamed

Schmelztiegel für High-Tech-Lösungen in der Medizintechnik

Datum: 14. - 17. November 2022

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21. - 24. November 2022

Ort: Paris (F)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23. - 24. November 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 15. - 16. Februar 2023

Ort: Zürich (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09. - 11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AM Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12. - 13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Swiss Medtech Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 12. - 13. September 2023

Ort: Luzern (CH)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 27. - 29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Fakuma

Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung

Datum: 17. - 21. Oktober 2023

Ort: Friedrichshafen (D)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24. - 27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 14. – 16. November 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis