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Wirkungen der Wasserstoffnutzung

Erstellt am: 27.02.2023 | Stand des Wissens: 27.02.2023
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Ein wesentliches Ziel der Wasserstoffnutzung im Verkehrssektor ist die Dekarbonisierung des Verkehrs. Um die Klimaziele zu erreichen, muss der Verkehr in Deutschland bis spätestens zum Jahr 2050 klimaneutral sein. Neben der direkten Elektrifizierung wird dem grünen Wasserstoff, hergestellt aus erneuerbarem Strom, ein hohes Potenzial zugeschrieben [UBA22h].
In der Wissenschaft wurde die Treibhausgasbilanz von Wasserstoff bereits häufig analysiert. Hinsichtlich der Klimawirkung hat die Strombezugsart bei der Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse einen wesentlichen Einfluss auf die Treibhausgasemissionen. Bei der Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt der grüne Wasserstoff keine direkten lokalen Treibhausgasemissionen. Betrachtet man ergänzend die indirekten Effekte der Stromerzeugung, also auch Emissionen im Zuge der Herstellung und des Aufbaus der Erzeugungsanlagen, liegen die Emissionen zwischen 18 und 137 Gramm Kohlenstoffdioxid pro Kilowattstunde Wasserstoff. Durch eine zunehmende Dekarbonisierung der Herstellungsprozesse könnten diese Emissionen zukünftig sinken. Bei Verwendung des europäischen Strommixes liegen die Emissionen zwischen 700 und 976 Gramm Kohlenstoffdioxid pro Kilowattstunde Wasserstoff (Vergleich Abbildung 1). Die Emissionen von grauem Wasserstoff, welcher auf Erdgas basiert, liegen zwischen 318 und 364 Gramm Kohlenstoffdioxid pro Kilowattstunde Wasserstoff. In einer Lebenszyklus-Analyse haben [LIEBICH et al. 2020] [UBA20ad]festgestellt, dass grüner Wasserstoff neben den reinen Treibhausgasemissionen auch hinsichtlich Sommersmog, Ozonabbau und Feinstaubbildung umweltfreundlicher als zum Beispiel grauer Wasserstoff ist [SRU21].
THG Emissionen Elektrolyse H2.pngAbb. 1: Treibhausgasemissionen von Elektrolyse-Wasserstoff unter Berücksichtigung der indirekten Effekte der Stromerzeugung [SRU21] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Die Prognos AG hat im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) in einer Studie [Krei20]Kosten und Transformationspfade für strombasierte Energieträger ermittelt. In Abbildung 2 sind wesentliche Ergebnisse für den Anwendungszweck im Verkehrssektor für die Jahre 2025 und 2030 dargestellt. Neben dem jährlichen Bedarf synthetischer strombasierter Brennstoffe (PtX Power-to-X), den zusätzlichen Energiekosten und kumulierten Investitionskosten sind die möglichen jährlichen Kohlenstoffdioxid-Einsparungen je Verwendungszweck dargestellt. Im Flugverkehr liegen die möglichen Kohlenstoffdioxid-Einsparungen im Jahr 2030 für die angenommenen Variablen bei 2,4 Millionen Tonnen. Durch den Einsatz von Brennstoffzellen-Lkw könnten weitere 981.000 Tonnen und durch Brennstoffzellenbusse 292.000 Tonnen Kohlenstoffdioxid eingespart werden. Der Einsatz von Brennstoffzellenzügen könnte bis 2030 eine Einsparung von 113.000 Tonnen Kohlenstoffdioxid bedeuten [Krei20].
Bausteine Transformation strombasierte Energietraeger.pngAbb. 2: Bausteine für Transformationspfade strombasierter Energieträger (Eigene Abbildung nach [Krei20]) (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Neben den Treibhausgasemissionen gilt es weitere Umweltaspekte wie die Folgen für Böden, Gewässer, Biodiversität aber auch soziale Auswirkungen zu berücksichtigen. Für die Herstellung von Wasserstoff müssen zum Beispiel zusätzliche Erzeugungsanlagen von erneuerbarem Strom bereitgestellt werden. Der erhöhte Strombedarf für eine großskalige Wasserstoff- und PtX-Produktion kann demnach bestehende Konflikte um den Ausbau erneuerbarer Energien verstärken, beispielsweise hinsichtlich des Flächen- und Rohstoffbedarfs, des Naturschutzes aber auch der Wassernutzung. Mit Blick auf diese Faktoren gilt es ebenfalls negative soziale Auswirkungen auf die Bevölkerung der Produktionsländer in Bezug auf die Trinkwasserversorgung, Ernährungssituation und Gesundheit zu vermeiden.
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Klimaschutzpotenzial der Wasserstoffanwendung im Verkehrssektor (Stand des Wissens: 27.02.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?567750
Literatur
[Krei20] Kreidelmeyer, Sven, Dambeck, Hans, Kirchner, Almut, Wünsch, Marco Kosten und Transformationspfade für strombasierte Energieträger, 2020/05
[SRU21] Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.) Wasserstoff im Klimaschutz: Klasse statt Masse, 2021
[UBA20ad] Liebich et. al Systemvergleich speicherbarer Energieträger aus erneuerbaren Energien, 2020/05, ISBN/ISSN ISSN 1862-4804
[UBA22h] Umweltbundesamt Wasserstoff im Verkehr: Häufig gestellte Fragen, 2022/08/09
Glossar
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
Power-to-X
Power-to-X ist ein Oberbegriff für verschiedene technologische Verfahren, bei denen elektrische Energie in chemische Energie oder in Wärme umgewandelt wird. Dies ermöglicht eine Speicherung und anderweitigen Nutzung von Stromüberschüssen in Zeiten eines Überangebotes variabler erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Windenergie und Wasserkraft.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
BMWK
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz erarbeitet Rahmenbedingungen zur Stärkung der Robustheit und Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandortes Deutschland (bis 12/2013 BMWI, bis 12/2021 BMWi).

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?567731

Gedruckt am Mittwoch, 28. Februar 2024 07:50:55