02.12.2021 11:27
Blauer Wasserstoff kann das Klima schützen
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.
Text: Jan Berndorff
Nomenklatur des Wasserstoffs
Je nachdem, wie Wasserstoff hergestellt wird, erhält er in der Energiebranche verschiedene Namen. Hier die gängige „Farbenlehre“:
Grüner Wasserstoff: Hergestellt mit Strom aus erneuerbaren Energien
Türkis: Hergestellt durch sogenannte Methanpyrolyse: Das Erdgas wird thermisch in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten
Orange/gelb: Hergestellt aus organischen Stoffen wie Biomasse, Biogas und Biomethan
Violett/rot: Hergestellt mit Strom aus Kernenergie
Blau: Hergestellt aus Erdgas unter Abscheidung und geologischer Speicherung des Kohlendioxids
Weiss: Natürlich vorkommender Wasserstoff
Grau: Hergestellt aus Erdgas (oft werden unter „grau“ auch alle fossilen Energieträger zusammengefasst)
Braun: aus Braunkohle
Schwarz: aus Steinkohle
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Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Christian Bauer
Labor für Energiesystem-Analysen
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 23 91, E-Mail: christian.bauer@psi.ch [Deutsch, Englisch]
Dr. Mijndert van der Spek
Associate Professor
Associate Director CO2 utilisation
Research Centre for Carbon Solutions, School of Engineering & Physical Sciences
Heriot-Watt University
EH14 4AS Edinburgh, United Kingdom
Telefon: +44 131 451 4717, E-Mail: M.Van_der_Spek@hw.ac.uk
Originalpublikation:
On the climate impacts of blue hydrogen production
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
Sustainable Energy & Fuels, 19.11.2021
DOI: https://dx.doi.org/10.1039/D1SE01508G
Weitere Informationen:
http://psi.ch/node/48895 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Energie, Umwelt / Ökologie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
