Energiewende & der „Zauberstoff“ der Energiewende – Wasserstoff – Teil 2

26.05.2023 enexion

Ein gigantisches Förderprogramm

 
Mit Wasserstoff lässt sich aktuell sehr viel Geld verdienen. Die Förderung für Wasserstoffprojekte ist „unfassbar“, wie die Aachener Zeitung am 4.5.2023 meldet. Allein im Wirtschaftsgroßraum Aachen mit 500.000 Einwohnern, westlich von Köln gelegen, sieht es so aus:

„Die Fördermillionen beim Wasserstoff fließen in Hülle und Fülle. Die „Wasserstoffregion AachenPlus“ wird mehr als eine Milliarde Euro erhalten. Donnerstag kamen wieder 75 Millionen an. Es gibt viele Netzwerke und Akteure. Wer ist das eigentlich? Und hat einer den Überblick?“

Hier ist er, der Überblick

Wobei die Autorin des gut recherchierten Artikels des leider hinter der Bezahlschranke liegenden Artikels, Claudia Schweda, ausdrücklich darauf hinweist, dass die Grafik keinesfalls Anspruch auf Vollständigkeit erhebt.

„… Die Fördergelder für Wasserstoff (H2), der als Energieträger der Zukunft gilt, scheinen schier endlos. Er soll die Energiewende sichern und gleichzeitig zu einem neuen Exportschlager Deutschlands werden. In die von der Bundesregierung ausgerufene „Wasserstoffregion AachenPlus“ dürfte am Ende mehr als eine Milliarde Euro von Bund und Land geflossen sein. Niemand in der Region führt darüber exakt Buch. Doch die aufgerufenen Summen bei dem einen großen Leuchtturmprojekt und den vielen durchaus beachtlichen Scheinwerfern drumherum lassen kein anderes Endergebnis zu. Am Donnerstag kamen die nächsten 75 Millionen Euro an. …“

Quelle „Zitate“ & Grafik

Das Beispiel Wasserstoffregion AachenPlus dient als Beleg für die wirtschaftliche Strahlkraft, welche das Element Wasserstoff besitzt. In Verbindung mit dem Gedanken, Entscheidendes zum Klimaschutz beizutragen, klinken sich viele Forschungseinrichtungen, Firmen aber auch Industrieunternehmen in das Projekt „Wasserstoff“ ein, um an der offensichtlich „unfassbaren“ Förderung teilzuhaben. Denn wer ein sinnvolles Vorhaben, eine gute Idee oder bereits im Bereich Vergrünung von Wasserstoff tätig ist, hat realistische Chancen, einen Teil des Förderkuchens zugeteilt zu bekommen. Denn Bedarf an Wasserstoff ist vorhanden, aktuell und in einer grünen, dekarbonisierten Zukunft.

Aktueller Wasserstoffbedarf in Deutschland

 
Vor gut einem Jahr arbeiteten die Wissenschaftlichen Dienste des Deutschen Bundestages die wesentlichen Fakten und Prognosen zum aktuellen und zukünftigen Wasserstoffbedarf aus.

  • Aktueller Bedarf 55 bis 60 TWH im Jahr
  • Bedarf bis 2030 90 bis 110 TWh im Jahr
  • Bedarf bis 2050 110 bis 380 TWh im Jahr

Wenn der der aktuelle Wasserstoffbedarf der Industrie, heute noch fossil erzeugt wird (Grauer Wasserstoff), per Windkraftanlagen erzeugt werden soll, sind um die 12.400 Anlagen à 5 MW Nennleistung (Beispiel) notwendig. Wohlgemerkt, diese Anzahl von knapp 200 m hohen Windkraftanlagen ist nötig, um den bereits heute jährlich für technische und sonstige Prozesse in der Industrie anfallenden grauen Wasserstoff durch grünen Wasserstoff zu ersetzen. Diese Windkraftanlagen produzieren im Jahresdurchschnitt 120 TWh grünen Strom. Etwa 60 TWh gehen bei der Transformation Strom – Wasserstoff plus Verstetigung und Kompression/Verflüssigung verloren. Tatsächlich würde der Windstrom in höchst unterschiedlichen Größenordnungen anfallen. Deshalb muss der regenerativ gewonnene Strom – wie mitberechnet – verstetigt werden.

Verstetigung grünen Stroms

 
Diese Verstetigung kann praktisch nur über leistungsstarke Batterien gewährleistet werden. Das verbraucht selbstverständlich zusätzliche Ressourcen, verursacht weitere Energieverluste und kostet eine Menge Geld. Und es bedeutet, dass die Elektrolyseure in der Größenordnung so zu bemessen sind, dass das Verhältnis Grüne Stromerzeugung – Batteriekapazität – Installierte Leistung Elektrolyseur optimal austariert ist. Nur so kann ein fortlaufender Betrieb mit gleichbleibendem Stromzufluss in die Elektrolyseanlage gesteuert und gewährleistet werden. Fehlt trotzdem ab und zu Strom zur Aufrechterhaltung des Elektrolyseprozesses, muss der von einem fossilen Backupkraftwerk geliefert werden.

Das gleiche gilt selbstverständlich für Stromüberschüsse aus Windkraft- und/oder PV-Anlagen im laufenden grünen Stromerzeugungsbetrieb für das Stromnetz. Diese werden bei dem aktuellen und in Zukunft weiter geplanten massiven Zubau von PV-Anlagen häufig über die Mittagszeit anfallen. Wenn die Sonne scheint, gibt es meist nur wenig Wind, so dass es vor und nach der PV-Stromerzeugung häufig Lücken bei der Deckung des Strombedarfs gibt.

Dieser Chart des Agora-Zukunftsmeters veranschaulicht den Sachverhalt:

Quelle

Trotz eines rechnerischen Ausbaugrades „Erneuerbare“ von 86 Prozent für das Jahr 2040 (eine aktualisierte Version mit Berücksichtigung der aktuellen Planungen – 80 Prozent Ausbaugrad bis zum Jahr 2030 – der Bundesregierung ist bei Agora in Arbeit) reicht die Windstromerzeugung sehr oft nicht annähernd aus, um den Strombedarf Deutschlands zu decken. Dafür ist die PV-Stromerzeugung fast immer viel zu stark. Rein technisch ist es nicht sinnvoll, einen Elektrolyseur täglich nur für einen Zeitraum von 3 bis 4 Stunden PV-Stromüberschuss in Betrieb zu nehmen. Die Technik würde Schaden nehmen, die Haltbarkeit der Anlage, insbesondere die der sehr hochwertigen = hochpreisigen Anoden und Kathoden, würde erheblich reduziert. Der Strom müsste zwischengespeichert werden, um gleichmäßig an die Elektrolyseanlage abgegeben zu werden. Wieder wird ein sorgfältiges Austarieren des Anlageaufbaus und eine genaue Anlagensteuerung im laufenden Betrieb notwendig. In Verbindung mit einer entsprechend ausgelegten Brennstoffzelle könnte der Wasserstoff mit entsprechendem Zeitversatz wieder in Strom transformiert werden. Der gesamte Prozess kostet grob kalkuliert etwa 80 Prozent der elektrischen Energie des ursprünglich eingesetzten grünen Stroms. Das ist etwas mehr, als die von Dr. Bossel ermittelten 75 Prozent Energieverlust und den vorgeschalteten Verstetigungsbatterien geschuldet.

Bevor der Aspekt „Ist grüne Wasserstoffwirtschaft Klimaschutz?“ ausführlich behandelt wird, werfen wir noch einen Blick auf den wichtigsten Rohstoff für die Wasserstoffproduktion per Elektrolyse: Wasser.

Wasser wird „Reinstwasser

 
Bevor Wasser in einer industriellen Elektrolyseanlage verarbeitet, sprich in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten werden kann, muss es so aufbereitet werden, dass es sogenanntes Reinstwasser wird.

„[…] Das Reinstwasser für die Elektrolyse benötigt als Ausgangsprodukt immer natürliches Trinkwasser oder gereinigtes Brunnenwasser. Die Beschaffenheit dieser Wässer variiert sehr stark: Die Qualität als Grund- oder Oberflächenwasser sowie unterschiedliche regionale Herkünfte können zu einer deutlich unterschiedlichen Mineralstoffkonzentration führen. Diese Mineralstoffe – also Salze – müssen für den Elektrolyseprozess dann in ganz individuell ausgelegten Reinstwasser-Vollentsalzungsanlagen aus dem Wasser entfernt werden, um Salzablagerungen auf Membranen und an Elektroden der PEM-Elektrolyseure zu vermeiden. …“

Gemäß Auskunft der EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH unter anderem Spezialist für Reinstwasserherstellung im Bereich Wasserstoffproduktion werden für die Herstellung eines Kubikmeters Reinstwasser aus Trinkwasser um die drei kWh Strom benötigt. Die Aufbereitung von Salzwasser liegt im zweistelligen kWh-Bereich.  Die Qualität des Rohwassers ist entscheidend für den Wasser- und Strombedarf zur Herstellung von Reinstwasser.

9.000 kg Reinstwasser sind nötig, um 1.000 kg Wasserstoff herzustellen. „9 kg Wasser für ein 1 kg Wasserstoff, das ist der stöchiometrische Wert. Technisch ist aufgrund der meistens erforderlichen Wasseraufbereitung eine höhere, oft sogar eine deutlich höhere Menge Rohwasser erforderlich, insbesondere wenn dafür Meerwasser entsalzt wird.“ Quelle

Eine Tonne Wasserstoff

 
Diese Tonne Wasserstoff reicht aus gemäß Bundesministerium für Bildung und Forschung aus, um unter dem Strich sieben 3-Personenhaushalte à 3.030 kWh Strombedarf/Jahr mit Strom zu versorgen. Ursprünglich eingesetzt wurden 50.000 kWh grüner Strom.

Quelle

 Nach der Energieverteilungsübersicht Strom – Wasserstoff – Strom von Dr. habil. Ulf Bossel aus dem Jahr 2010 in Teil 1 der Ausführungen zum Thema „Zauberstoff der Energiewende – Wasserstoff“  sieht es nicht so gut aus. Aus den 50.000 kWh regenerativ erzeugtem Strom werden am Ende des Transformationsprozesses Strom – Wasserstoff – Strom 12.500 kWh Strom zur Verfügung stehen. Der würde dann für knapp vier unserer 3-Personenhaushalt mit einem Jahresstrombedarf von 3.030 kWh ausreichen. Dieser Sachverhalt wirft die Frage auf, ob es sinnvoll ist, aufwendig erzeugten grünen Strom überhaupt in Wasserstoff zu überführen. Die Frage ist schnell beantwortet: Selbstverständlich ist es wesentlich vernünftiger, den Strom dem Stromkunden direkt, ohne energievergeudende Zwischenschritte zur Verfügung zu stellen. Jedenfalls so lange, wie die regenerative Stromerzeugung keine nachhaltigen, besser dauerhaften Überschüsse erzeugt. Und das ist aktuell nicht der Fall. Bis auf wenige Stunden wurde in Deutschland wurde noch nie so viel Strom regenerativ erzeugt, um den Bedarf auch nur einen Tag zu decken. Nur sehr selten, an Tagen mit geringem Bedarf und viel PV-Strom, wird der Bedarf für wenige Stunden gedeckt. Auch an diesen Tagen ist fossile Stromerzeugung mittels großer Generatoren unabdingbar sein, damit die Stabilität des Stromnetzes gewährleistet ist. Dieser fossil erzeugte Strom und der Strom, der konventionell erzeugt werden muss, um den Bedarf Deutschlands zu decken, ist der Strom, der von Deutschland in das benachbarte Ausland exportiert wird. Wegen der großen Schwankungsbreite der Wind- und PV-Erzeugung kann diese ´Auffüll-Stromerzeugung` nicht immer passgerecht erfolgen. Es wird tendenziell lieber etwas zu viel Strom erzeugt, denn zu wenig. Es sei denn, Strom steht im benachbarten Ausland zwecks Importen zur Verfügung. Dann verzichten die konventionellen Stromerzeuger auf die Rest-´Auffüllproduktion` und nehmen den hohen Importstrompreis mit. Wichtig: Aller Erzeuger, ob konventionell oder regenerativ erhalten den gleichen, jeweils aufgerufenen Börsenpreis. Oder sie zahlen ihn, wenn der Strompreis negativ ist.

Abschalten von Windkraftanlagen

 
Weil die regenerative Stromerzeugung per Windkraft- und PV-Anlagen immer umfangreicher wurde, mittlerweile liegt sie bei etwa knapp 34% des Strom-Mix´ im Jahresdurchschnitt, muss die Planung der Stromerzeugung am Vortag (Dispatch) immer öfter korrigiert, den tatsächlichen Erzeugungsverhältnissen am Produktionstag angepasst werden. Dieses Einspeisemanagement (Einsman) oder auch Redispatch  genannte Verfahren hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen. Dennoch ist Fakt, dass im Jahr 2021 lediglich knapp 6 TWh mögliche regenerative Stromerzeugung per Windkraft nicht in´ s Stromnetz eingespeist wurden, weil sie dem Einsman/Redispatch zum Opfer fielen. Wären die technischen Vorrichtungen am jeweiligen Ort der Abschaltung vorhanden, könnten die 6 TWh selbstverständlich in Wasserstoff gespeichert werden. Es verblieben 3 TWh Energie in Form von Wasserstoff. Werden diese 3 TWh wieder in Strom transformiert, erhält man 1,5 TWh elektrische Energie. Das ist in etwa der Strom-Bedarf Deutschlands an einem Tag im Durchschnitt. Das Narrativ von den Unmengen vorhandenen Windstroms im Norden Deutschlands, der nicht genutzt werden können, ist eben nur eine „Geschichte“, die dazu dient, das Stocken der Energiewende schön zu reden. Gleichwohl kosten Einsman/Redispatch den Stromkunden eine Menge Geld, wie der Monitoringbericht der Bundesnetzagentur ausweist:

Kosten Redispatch und Einspeisemanagement

 
„Im Vergleich zum Vorjahr ist das Maßnahmenvolumen für Netzengpassmanagementmaßnahmen im Jahr 2021 insgesamt deutlich gestiegen. Die vorläufigen Gesamtkosten für Netzengpassmanagementmaßnahmen (Einspeisemanagement, Redispatch inkl. Countertrading sowie Einsatz und Vorhaltung Netzreserve) liegen bei rund 2,3 Mrd. Euro und sind damit ebenfalls deutlich gestiegen (2020: 1,4 Mrd. Euro).“ Quelle

Notwendiger Zubau regenerativer Stromerzeugungsanlagen bis 2030

 
Im Jahr 2022 wurden 33,4 % des Strom-Mix` per Windkraft- und PV-Anlagen erzeugt. Hinzu kommen 10,4 Prozent Strom aus Wasserkraft (nicht Pumpspeicher) und Biomasse. Insgesamt lag der Anteil des regenerativ erzeugten Stroms bei 43,8 Prozent des deutschen Strom-Mix´. 2020 waren es knapp 47,8 Prozent, im Jahr 2021 nur 39,9 Prozent. Deshalb die Aufteilung Wind/Solar und Biomasse/Wasserkraft: Nur Windkraft- und PV-Anlagen sind in starkem Umfang erweiterbar. Die Stromerzeugung per Biomasse/Wasserkraft in Deutschland dagegen nicht. Um die geplanten 80 Prozent regenerativ erzeugten Strom rein rechnerisch zu erzeugen, müssten Windkraft- und PV-Anlagen zwecks Produktion von 188 TWh Strom zugebaut werden plus 126 TWh wegen Bedarfserhöhung bis zum Jahr 2030 auf angenommene 700 TWh. Diese Anlagen erzeugten dann zusätzliche TWh Strom zusätzlich zu den 188 TWh des Jahres 2022 zusätzliche 314 TWh. Plus dem Strom aus Biomasse, Wasserkraft (58 TWh) ergibt für das Jahr 2030 eine Strommenge von 560 TWh. Was den 80 Prozent von 700 TWh geschätztem Jahresbedarf entspräche.

Wie viele Windkraft- und PV-Anlagen sind bis zum Jahr 2030 …

 
… fertigzustellen, um rechnerisch die 314 TWh grünen Strom zu ernten und unter dem Strich die 80 Prozent von angenommenen 700 TWh Strombedarf in Deutschland zumindest rein rechnerisch im Jahresdurchschnitt zu erreichen? Der Stromdaten.info-Rechner gibt Auskunft:

Quelle

Dekarbonisiert grüne Wasserstoffwirtschaft die Atmosphäre? Schützt sie das Klima?   Klare Antwort: Nein, im Moment schadet sie dem Klima!

 
Im Jahr 2022 lag die Stromerzeugung in Deutschland per Windkraft- und PV-Anlagen bei besagten 33,4 Prozent der Strom-Gesamtproduktion. Jede MWh grüner, aufwendig erzeugter Strom, die für die Wasserstoffproduktion verwendet und nicht in das allgemeine Stromnetz eingespeist wird, fehlt dort und muss fossil Eerzeugt werden, damit der Bedarf gedeckt werden kann. Die Folge ist 100 Prozent CO2-Ausstoß für diesen Stromanteil. Der grüne Wasserstoff hingegen wird in Bussen, Bahnen oder Industriefahrzeugen oder sonstigen Anwendungen genutzt.  Mittels Brennstoffzelle wird der Wasserstoff wieder in Strom transformiert und in einer ´kleinen` Batterie zwischengespeichert. Mit Energieverlusten von 75 Prozent über den gesamten Strom-Wasserstoff-Strom Prozess. Aus der Batterie wird der Strom dem Bedarf entsprechend abgerufen, es wird ´Gas` gegeben, um das Fahrzeug, den Triebwagen usw. in Bewegung zu setzen. Die Energie, die nach den „Wasser-Reinigungs-, Elektrolyse-, Kompressions-, Verflüssigungs-, Transport-, Lagerungs-, Brennstoffzellen- und Zwischenspeicherbatterieprozeduren“ noch vorhanden ist, liegt nach Bossel, siehe oben, bei höchstens 25 Prozent der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie. Würde man den grünen Strom direkt in das allgemeine Stromnetz einspeisen, könnten batterieelektrische Züge – statt Dieselloks im oberleitungsfreien Personen- und Güter-Nahverkehr –  sowie E-Autos und all die Anwendungen, die mittels Batterie betrieben werden, mit grünem Ladestrom versorgt werden. Der wäre – zumindest nach heutiger Lesart – zu 100 Prozent CO2-frei. Der Energieverlust wegen der Batteriespeicherung läge bei etwa 10 Prozent. Die Atmosphäre wird durch die Erzeugung grünen Wasserstoffs stark mit CO2 belastet, solange der dafür verwendete grüne Strom nicht nachhaltig und weit über den Strombedarf Deutschlands erzeugt wird.

Folgerichtig wäre es, keinerlei grünen Strom zu Wasserstoff zu verarbeiten.

 
Grüner Strom gehört ins allgemeine Stromnetz, um den Anteil des regenerativ erzeugten Stroms am Strom-Mix zu erhöhen. Jede MWh grünen Stroms, der NICHT ins allgemeine Stromnetz eingespeist wird, muss dort fossil mit entsprechendem CO2-Ausstoß ersetzt werden. Alle Forschungen zu Wasserstoff könnten mit grauem, konventionell erzeugtem Wasserstoff ohne Grünstromverschwendung durchgeführt werden. Grüner Wasserstoff ist nur dann sinnvoll und realisiert eine CO2-Ersparnis, wenn er aus grünem Strom erzeugt wurde, der im Überfluss vorhanden, also im allgemeinen Stromnetz keine Verwendung mehr findet, weil der Bedarf bereits mit regenerativ erzeugtem Strom gedeckt ist und der Überschuss deshalb gespeichert werden muss.

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