Die Umwandlung von Wasserstoff in Derivate ermöglicht den Transport über weite Strecken. Für die deutsche Energieversorgung besteht so die Möglichkeit, große Mengen an Wasserstoff aus wind- und sonnenreichen Regionen der Welt zu importieren.
Um die Klimaziele bis 2045 in Deutschland und Europa zu erreichen, ist die Umstellung auf ein klimaneutrales Energiesystem erforderlich. Da ein Großteil des Primärenergieverbrauchs in Deutschland derzeit durch fossile Energieträger wie Erdgas, Erdöl oder Kohle bereitgestellt wird, müssen diese schrittweise durch erneuerbare Energien oder klimaneutral erzeugte Energieträger ersetzt werden.
Wasserstoff und seine Derivate können hierzu einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten – als Kraftstoff für Autos, Rohstoff für die Industrie oder als Energieträger zur Strom- und Wärmeerzeugung. Als vielseitige Energieträger sind Wasserstoff und seine Derivate in allen Sektoren einsetzbar und übernehmen somit eine Schlüsselfunktion in der Energiewende.
Wasserstoff ist eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichem Erdgas und kann klimaneutral hergestellt werden. Mit dem Elektrolyse-Verfahren wird Wasser mit Hilfe von Strom in seine elementaren Bestandteile Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zerlegt. Stammt der Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenenergie, spricht man von grünem Wasserstoff.
Allerdings verfügt Deutschland über begrenzte Potenziale für Wind- und Sonnenergie und somit für die Erzeugung von klimaneutralem Wasserstoff. Der Import aus sonnen- und windreichen Regionen wie Südamerika, Australien, der Nahe Osten oder Nordafrika ist daher ein zentraler Bestandteil für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft.
Weltweites Potenzial für Windenergie und Photovoltaik
Klimaneutraler Wasserstoff kann in sonnen- und windreichen Regionen vergleichsweise kostengünstig erzeugt werden. Wie die Potenzialkarten zeigen, sind die Potenziale für Photovoltaik und Windenergie in bestimmten Regionen sehr hoch, wie zum Beispiel in Teilen Süd- oder Nordamerikas, Afrikas oder auch in Australien und dem Nahen Osten. Die entsprechenden Länder sind daher bedeutend für den Aufbau eines weltweiten Wasserstoffmarktes und -handels und kommen als Lieferländer für Wasserstoff in Frage.
Weltweites Potenzial für Windenergie und Photovoltaik
Globales Photovoltaik-Potenzial für die Wasserstofferzeugung (basierend auf Global Solar Atlas, GSA 2.0);
© DVGW
Globales Wind-Potenzial für die Wasserstofferzeugung (basierend auf Global Wind Atlas, GWA 4.0);
© DVGW
In Ländern mit hohen EE-Potenzialen kann lokal erzeugter erneuerbarer Strom in grünen Wasserstoff umgewandelt werden. Für den Export des Wasserstoffs nach Deutschland stehen anschließend wie bei der konventionellen Erdgasversorgung je nach Transportdistanz verschiedene Optionen zur Verfügung: Für weniger weit entfernte Gebiete, wie z.B. aus dem europäischen Ausland, kann Wasserstoff als Gas via Pipeline transportiert werden. Für größere Transportdistanzen, wie z.B. aus dem Nahen Osten oder Südamerika, bietet sich der Import von Wasserstoff mit dem Schiff an.
Für den Schiffstransport spielen Wasserstoffderivate künftig eine entscheidende Rolle. In den Exportländern wird grüne Energie in den Wasserstoffmolekülen gebunden. Diese werden in einen transportierbaren Stoff - dem Derivat - umgewandelt und mit dem Schiff über weite Strecken nach Deutschland transportiert. Am Importterminal können die Derivate über verschiedene Umwandlungsschritte wieder zu Wasserstoff umgewandelt und nach einer Aufreinigung für verschiedene Anwendungen genutzt werden.
Nach dem Elektrolyse-Prozess liegt der Wasserstoff im Exportland im gasförmigen Zustand vor. Dieser wird für den Schiffstransport in Derivate umgewandelt, da sich diese aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften leichter transportieren lassen und über eine höhere volumetrische Energiedichte verfügen. Insbesondere die letzte Eigenschaft ist von Vorteil für den Schiffstransport mit begrenzter Speicherkapazität: So kann mehr Energie transportiert werden.
Bei Wasserstoffderivaten wird molekularer Wasserstoff chemisch an ein Trägermedium wie Stickstoff oder Kohlenstoffdioxid (CO2) gebunden. Der Transport der Wasserstoffderivate erfolgt im flüssigen Zustand. Für die Verflüssigung von Gasen sind Druck und Temperatur entscheidend. Gase können verflüssigt werden, wenn sie unter ihren Siedepunkt abgekühlt werden. Dabei hängt der Siedepunkt vom Druck ab. Bei Normaldruck (1,013 bar) hat jedes Gas einen festen Siedepunkt.
Verflüssigter Wasserstoff (Liquid hydrogen, LH2) ist ein kryogener flüssiger Zustand von Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen. Um Wasserstoff zu verflüssigen, wird dieser in mehreren verfahrenstechnischen Kühlstufen im Exportland bei Normaldruck auf -253 °C heruntergekühlt. Durch die Verflüssigung wird die volumetrische Energiedichte erhöht, was insbesondere für den Schiffstransport mit begrenzter Speicherkapazität von Vorteil ist.
Nach dem Transport per Schiff kann der flüssige Wasserstoff in Deutschland durch Regasifizierung wieder in den gasförmigen Zustand überführt und genutzt werden. Im Gegensatz zu den anderen Wasserstoffderivaten ist für den Import von flüssigem Wasserstoff kein zusätzliches chemisches Trägermedium erforderlich.
Synthetic Natural Gas (SNG) besteht, wie fossiles Erdgas, überwiegend aus Methan (CH4). Allerdings stammt SNG nicht aus fossilen Quellen, sondern wird chemisch aus grünem Wasserstoff und CO2 hergestellt. Dieser Prozess wird Methanisierung genannt. Ähnlich wie bei der Methanol- und DME-Synthese kann das für die Methanisierung benötigte CO2 aus der Luft entzogen, aus biogenen Quellen bereitgestellt oder einem zukünftigen CO2-Kreislauf entnommen werden.
SNG wird, wie konventionelles Flüssigerdgas (LNG) im flüssigen Zustand bei einer Temperatur von -162 °C und Normaldruck transportiert. Da SNG klimaneutral hergestellt werden kann, wird es in verflüssigter Form auch als „Green LNG“ bezeichnet. Nach dem Import kann der Wasserstoff durch Methan-Reformierung abgespalten und für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Das in der Reformierung abgespaltene CO2 lässt sich für einen zukünftigen CO2-Kreislauf verwenden.
Bei der Ammoniakherstellung wird gasförmiger Wasserstoff im Exportland über das Haber-Bosch-Verfahren unter Zufuhr von Stickstoff zu Ammoniak synthetisiert. Der hierfür benötigte Stickstoff kann aus der Umgebungsluft abgeschieden werden. Wird für die Ammoniakherstellung im Exportland grüner Wasserstoff verwendet, spricht man von grünem Ammoniak.
Für den Schiffstransport wird Ammoniak bei Normaldruck durch Kühlung auf -34 °C verflüssigt. Nach dem Import kann der Wasserstoff über das sogenannte Ammoniak-Cracking abgespaltet und genutzt werden. Ammoniak ist allerdings korrosiv und toxisch und es bedarf bei seinem Handling entsprechender Maßnahmen. Es wird jedoch bereits seit Jahrzehnten im Agrarbereich und in der chemischen Industrie eingesetzt; der Umgang hiermit ist somit erprobt und technisch ausgereift.
Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) sind flüssige organische Stoffe, die Wasserstoff für den Transport chemisch binden und wieder freigeben können. Im Exportland wird gasförmiger Wasserstoff über eine exotherme Reaktion an organische Trägermedien gebunden (Hydrierung). LOHC werden bei Umgebungstemperatur und Normaldruck im flüssigen Zustand transportiert und können in konventionellen Mineralöltanks gespeichert und transportiert werden.
Nach dem Schiffstransport wird der gebundene Wasserstoff durch eine endotherme Reaktion wieder freigesetzt (Dehydrierung) und kann anschließend für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Die organische Trägerflüssigkeit wird während der Be- und Entladung nicht verbraucht und lässt sich in einem LOHC-Kreislauf wiederverwenden.
Für die Herstellung von Methanol wird gasförmiger Wasserstoff im Exportland mittels Methanol-Synthese unter Zufuhr von CO2 zu Methanol synthetisiert. Das hierfür benötigte CO2 im Exportland kann entweder aus der Umgebungsluft entzogen, aus biogenen Quellen bereitgestellt oder einem zukünftigen CO2-Kreislauf entnommen werden. Wird für die Synthese grüner Wasserstoff verwendet, spricht man von grünem Methanol.
Wie auch LOHC wird Methanol bei Umgebungstemperatur und Normaldruck im flüssigen Zustand transportiert. Nach dem Import kann der Wasserstoff in Deutschland durch Methanol-Reformierung zurückgewonnen und für verschiedene Anwendungen genutzt werden. Das in der Reformierung abgespaltene CO2 lässt sich in einem zukünftigen CO2-Kreislauf wiederverwenden.
Dimethylether (DME) wird mittels DME-Synthese hergestellt, bei der gasförmiger Wasserstoff unter Zufuhr von CO2 zu DME synthetisiert. Wenn für die DME-Synthese im Exportland grüner Wasserstoff verwendet wird, spricht man von regenerativ erzeugtem DME (rDME). Da DME über eine hohe volumetrische Energiedichte verfügt, hat es großes Potenzial als klimaneutraler Energieträger im Flüssiggasbereich eingesetzt zu werden.
Um rDME für den Schiffstransport zu verflüssigen, wird es bei Normaldruck auf -25 °C gekühlt. Nach dem Import kann es in Deutschland durch Reformierung wieder in Wasserstoff und CO2 umgewandelt werden.
Für den Wasserstoffimport ist entscheidend, wie viel Wasserstoff mit einem bestimmten Derivat nach Deutschland importiert werden kann. Diese Menge unterscheidet sich aufgrund der jeweiligen chemischen Zusammensetzung der Derivate.
Der Wasserstoffgehalt beschreibt, wie viele Kilogramm Wasserstoff in einem Kubikmeter eines Derivats enthalten sind. Je höher dieser Wert ist, desto geringer ist das erforderliche Volumen, um eine bestimmte Wasserstoffmenge nach Deutschland zu importieren. Dies ist insbesondere beim Schiffstransport von großer Bedeutung, da das Frachtvolumen begrenzt ist und darin möglichst viel Wasserstoff transportiert werden soll.
Unter den aufgeführten Derivaten hat Ammoniak aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung den höchsten Wasserstoffgehalt pro Kubikmeter. Das heißt: Bei gleichem Schiffsvolumen können damit größere Wasserstoffmengen als mit anderen Derivaten importiert werden. Umgekehrt bedeutet dies, dass bei anderen Derivaten für den Transport der gleichen Wasserstoffmenge größere Importvolumina erforderlich sind.
Dennoch bieten die anderen Derivate je nach Anwendungsfall ebenfalls Vorteile. So kann im Fall von SNG oder DME das bei der Rückumwandlung entstandene CO₂ anderweitig genutzt werden. Ein diversifizierter Importmix kann daher die Versorgungssicherheit erhöhen und die Nutzung unterschiedlicher Infrastrukturen ermöglichen.
Der Import von Wasserstoff ist unverzichtbar für die Energiewende. Wasserstoffderivate ermöglichen den überseeischen Transport großer Energiemengen aus Regionen mit hohem Potenzial für erneuerbare Energien und bilden damit die Basis für eine klimaneutrale Versorgung. Die verschiedenen Derivate unterscheiden sich in Handhabung, Energiedichte und Infrastrukturbedarf, was eine sorgfältige Auswahl erfordert.
Derzeit erfolgt die Versorgung von Deutschland mit LNG über die drei Importterminals in Wilhelmshaven, Brunsbüttel und Mukran. Ein weiteres LNG-Terminal in Stade befindet sich im Bau. Parallel dazu werden bereits heute weitere Importterminals auch für Wasserstoffderivate geplant.
Ein wichtiger regulatorischer Rahmen für den Import wurde durch das LNG-Beschleunigungsgesetz (LNGG) geschaffen. Dieses legt die Voraussetzungen für den langfristigen Betrieb konventioneller LNG-Terminals mit klimaneutralen Molekülen fest. Ab dem Jahr 2044 dürfen die Terminals gemäß dem LNGG nur noch mit klimaneutralem Wasserstoff und Derivaten betrieben werden. Daraus ergibt sich ein klarer Handlungsauftrag: Die bestehenden Terminals müssen umgerüstet und an die neuen Anforderungen der Derivate angepasst werden.
Nach dem Import der Wasserstoffderivate müssen diese vom Importterminal bis zur Endanwendung transportiert werden. Hierfür stehen grundsätzlich zwei Optionen zur Verfügung. Einerseits kann die Rückumwandlung der Derivate in gasförmigen Wasserstoff direkt am Importterminal über mehrere Umwandlungsschritte erfolgen. Anschließend wird das Gas aufgereinigt, bevor es dann in das bereits im Aufbau befindliche Wasserstoffkernnetz eingespeist werden kann. Bei der Rückumwandlung geht allerdings ein Teil des Gases verloren, so dass die tatsächlich nutzbare Wasserstoffmenge geringer ist als der im Derivat enthaltene Wasserstoffgehalt.
Andererseits besteht die Möglichkeit, die Derivate zunächst innerhalb Deutschlands weiterzutransportieren, etwa zu Binnenhäfen oder per Bahn. Die Freisetzung des Wasserstoffs aus dem Derivat erfolgt dann dezentral am Ort der Endanwendung oder die Derivate werden direkt genutzt. Welche Bereitstellungsoption sich anbietet, hängt von der jeweiligen Endanwendung und der vorhandenen Infrastruktur des Standortes ab.
Um das Potenzial der Wasserstoffderivate zu nutzen, sind für die kommenden Jahre klare Prioritäten entscheidend. Die Entwicklung effizienter Umwandlungsverfahren, die Umrüstung und Anpassung bestehender Terminals und Transportketten, die Schaffung verbindlicher Normen sowie der Aufbau langfristiger Partnerschaften mit Exportländern. Nur durch abgestimmte technologische, regulatorische und wirtschaftliche Maßnahmen kann Deutschland eine stabile Wasserstoffwirtschaft etablieren und seine Klimaziele erreichen.
