Paul-Scherrer-Institut, CH Wasserstoff: Wo seine Massenproduktion Sinn macht – und wo nicht

Auch in der Schweiz bestätigen führende Wissenschaftler: Ohne Wasserstoff in unterschiedlichsten Anwendungen künftig in großem Umfang einzusetzen, ist die Energie- und Klimawende nicht zu schaffen. Klar ist für die Experten aber auch: Für die Massenproduktion des „Treibstoffs der Energiewende“ ist das dicht besiedelte Mitteleuropa nicht geeignet. Denn dafür braucht es vor allem drei Dinge: viel Wind, viel Sonne und viel Platz.

In welchen Regionen der Welt ist Wasserstoff am kostengünstigsten herzustellen - um eine Ökonomie aufzubauen, die auf dem alternativen Energieträger basiert anstatt auf fossilen Quellen? Forschende des größten Schweizer Wissenschaftszentrums, des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen, haben auf diese Frage in ihrer jüngsten Studie ein klare Antwort gegeben: Ideale Standorte für eine künftige Wasserstoff-Produktion im industriellen Maßstab sind nur dort zu finden, wo erneuerbare Energien wie Wind und Sonne in quasi grenzenlosem Ausmaß zur Verfügung stehen – und wo es genügend „freie Landflächen“ gibt, um die raumfressenden Solar- und Windparks dafür installieren zu können. 

In Kanada und den USA, in China und Australien, in manchen Gegenden Nordwest-Europas (Algerien, Tunesien) und in den Wüstengebieten Asiens und Afrikas sehen die Schweizer Forscher folgerichtig die besten Voraussetzungen. Weniger gut zur (Massen-)Produktion eignen sich aus ihrer Sicht mitteleuropäische Industrieländer wie die Schweiz oder Deutschland: Dort sind nur wenige verfügbare Flächen für Windräder vorhanden und die Sonneneinstrahlung ist relativ gering. Auch andere dicht besiedelte Regionen und Länder wie Japan oder die Küstenabschnitte der USA und Chinas könnten nur zu vergleichsweise hohen Kosten produzieren. 

Die Farbenlehre beim Wasserstoff

Schon heute wird Wasserstoff in riesigen Mengen hergestellt und verbraucht: Rund 90 Megatonnen (Mt) waren es zuletzt pro Jahr - eingesetzt in energieintensiven  Spezialanwendungen in der Luftfahrt, der Zement- und Stahlindustrie - und ganz vorrangig zur Herstellung von Düngemitteln und synthetischen Kohlewasserstoffen.  

Von "grüner" Erzeugung kann dabei bisher nicht die Rede sein: Aktuell dominiert die sogenannte Methan-Dampfreformierung, bei der das Element unter extremem Druck und Hitze aus Erdgas, Erdöl oder Kohle gewonnen wird – also fossilen "Klimakillern", die künftig zur Reduzierung des Treibhausgas-Effekts mehr und mehr vermieden werden müssen. 

Weit mehr als 90 Prozent des bisher industriell eingesetzten Wasserstoffs stammen aus "braunen", "schwarzen" oder "blauen" Herstellungsprozessen - d.h. die zur Produktion benötigte Energie wird aus Braunkohle, Steinkohle oder Öl bzw. Erdgas gewonnen.  Zu den "umweltfreundlicheren" Wasserstoff-Farben zählen Rot und Violet (Energie aus Kernkraft) und Gelb bzw. Orange (Energie aus Biomasse). Aber auch für diese "Wasserstoff-Erzeugungsfarben" wird noch viel CO2 freigesetzt. Ganz lässt sich ein "Umwelt-Restrisiko" sowieso nicht vermeiden: Auch wenn ausschließlich "grüner" Strom aus erneuerbaren Quellen eingesetzt wird, verursacht das Verfahren nicht "zero emission", sondern nur 90 Prozent weniger  Treibhausgas-Ausstoß  als die Methan-Dampfreformierung.  

Wo ist grüne H2-Produktion möglich - und ökonomisch sinnvoll?

Die zentrale Frage für die Schweizer Forscher lautete: Wo auf der Erde soll der Wasserstoff auf diese schonende Weise hergestellt werden? „Wir haben dazu vor allem auch ökonomische Kriterien angelegt“, sagt Tom Terlouw. „Sprich, wo ist die Produktion am günstigsten?“ 

Dabei stellten sich zwei Faktoren als entscheidend heraus: Wo lässt sich der enorme Bedarf an Ökostrom für die Elektrolyse am effizientesten decken, weil alternative Energieträger wie Wind und Sonne reichlich vorhanden sind? Und wo gibt es genügend geeignetes Land, um die zur Produktion notwendigen Anlagen aufzustellen? Ein weiteres Kriterium kam hinzu: Wo ist genügend Wasser vorhanden, um nicht für andere wichtige Einsatzarten des wertvollen Grundstoffs (Trinkwasser u.a.) Probeme hervorzurufen? 

Als eine der besten Regionen für die künftige Wasserstoffproduktion stellten sich große Teile Kanadas heraus: „Dort existieren viele freie Flächen, die sehr windig sind - und daher ideal zum Aufstellen von Windturbinen“, sagt Terlouw. „Noch dazu gibt es viel Wasser und stabile politische Verhältnisse – zwei Kriterien, die wir in dieser Studie noch nicht im Detail betrachtet haben. Aber natürlich spielt es auch eine Rolle, ob es sich um ein Land handelt, aus dem man zuverlässig Wasserstoff importieren kann.“ 

Wenn man diese Kriterien außen vor lässt, bieten auch die zentralen Regionen der USA gute Bedingungen - ebenso wie Teile Australiens, der Sahara, Nordchinas und Nordwesteuropas. Entweder weil es dort viel Sonne zur Produktion von Solarstrom gibt oder viel Wind und freie Fläche zum Aufstellen von Windenergieanlagen – aber auch großer Wasserstofffabriken.

Produktions- und Einsatzstandorte liegen weit auseinander

„Wir haben eine erhebliche Diskrepanz festgestellt zwischen Regionen mit hohem Bedarf an Wasserstoff und Regionen mit großen, effizienten Produktionskapazitäten“, resümiert Terlouw. Diese müssten eine Wasserstoffökonomie durch weltweiten Handel bewältigen, was allerdings weiteren Energieaufwand bedeutet – und politische Kooperation erfordert. Nicht zuletzt besteht der Aufwand darin, dass Wasserstoff in der Regel in gebundener Form – etwa als Ammoniak oder Methanol – transportiert wird. Denn als reines Gas nimmt er zu viel Volumen ein, und für seine deutlich kompaktere, flüssige Form muss er stark gekühlt werden.

„Solche Faktoren haben wir in dieser Arbeit noch nicht berücksichtigt“, räumt Terlouws Mitautor Christian Bauer ein. „Dazu sollen weitere Studien folgen. Wir wollen mögliche Wege der Energiewende aufzeigen. Ob und wie konsequent wir sie dann beschreiten, ist am Ende eine gesellschaftlich-politische Frage.“