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Wasserstoff und Energiewende

Wasserstoff kann einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten – als Kraftstoff für Autos, Rohstoff für die Industrie oder Brennstoff für Heizungen. Als vielseitiger Energieträger ist er in allen Sektoren einsetzbar und übernimmt somit eine Schlüsselfunktion in der Energiewende. In Power-to-Gas-Anlagen wird grüner Wasserstoff CO2-neutral aus Erneuerbaren Energien gewonnen, die sich so effektiv im Gasnetz speichern und transportieren lassen.

Klimaschutz und Versorgungssicherheit in allen Sektoren

Wasserstoff – der Energieträger der Zukunft

Mit Hilfe von Wasserstoff können die anstehenden Aufgaben der Energieverteilung, Systemvernetzung und Effizienzsteigerung gemeistert werden. Mehr noch: Klimaschutz und Wirtschaft können sich Hand in Hand entwickeln, weil die benötigten Technologien und Infrastrukturen größtenteils schon vorhanden sind. Und das, ohne Versorgungssicherheit und Sozialverträglichkeit aufs Spiel zu setzen. Die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird zum zentralen Punkt und zum verbindenden Element zwischen den einzelnen Bereichen der Energieversorgung. So wird aus der Stromwende eine wirkliche Energiewende, welche alle Sektoren umfasst: Strom, Wärme, Mobilität.
Mit Hilfe von Wasserstoff können die anstehenden Aufgaben der Energieverteilung, Systemvernetzung und Effizienzsteigerung gemeistert werden. Mehr noch: Klimaschutz und Wirtschaft können sich Hand in Hand entwickeln, weil die benötigten Technologien und Infrastrukturen größtenteils schon vorhanden sind. Und das, ohne Versorgungssicherheit und Sozialverträglichkeit aufs Spiel zu setzen. Die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wird zum zentralen Punkt und zum verbindenden Element zwischen den einzelnen Bereichen der Energieversorgung. So wird aus der Stromwende eine wirkliche Energiewende, welche alle Sektoren umfasst: Strom, Wärme, Mobilität.
Unser Energieversorgungssystem muss grüner, dezentraler und flexibler werden
Erneuerbare Energien für die kommunale Versorgung
Erneuerbare Energien © istock.com/Kamisoka

Eine zentrale Herausforderung der Energiewende, also dem Umstieg von der fossilen auf eine erneuerbare Energieerzeugung, ist das Problem der Speicherung. Sonne und Wind, die beiden wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, stehen nicht gleichmäßig zur Verfügung und die Stromerzeugung schwankt je nach Wetter und Tageszeit.

Schwankende Wind- und Sonnenenergie

Heute müssen Erneuerbare-Energien-Anlagen bzw. Windräder in windreichen Zeiten häufig abgeschaltet werden, weil das Stromnetz die anfallenden Strommengen nicht mehr aufnehmen kann. Dadurch entstehen enorme Kosten (Redispatching). Hinzu kommt, dass erhebliche Distanzen zwischen den meisten Windkraftanlagen (Nord-/Ostdeutschland) und den größten Verbrauchern (West-/Süddeutschland) überbrückt werden müssen. Der Strom muss also über weite Strecken transportiert werden, was einen umfangreichen Netzausbau zwingend erfordert.

Eine weitere Herausforderung entsteht während einer sogenannten Dunkelflaute, wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind weht, was die Erzeugung der erneuerbaren Energien nahezu zum Erliegen bringt. Wollen wir unsere Energie überwiegend aus Wind und Sonne beziehen, brauchen wir also eine Möglichkeit, diese Energie langfristig zu speichern und effektiv zu transportieren. Die schwankende regenerative Stromerzeugung aus Wind und Sonne muss zeitlich und räumlich vom Energieverbrauch entkoppelt werden.

Grüne Batterie der Energiewende – das Gasnetz als Speicher für erneuerbare Energien

Wasserstoff kann das Speicherproblem bei den Erneuerbaren Energien lösen und bietet eine Chance, die bislang getrennten Sektoren Strom, Wärme und Mobilität zu verbinden. Durch Power-to-Gas ist es möglich, aus Wind- und Sonnenenergie via Elektrolyse grünen Wasserstoff zu gewinnen. Dieser lässt sich im Gegensatz zu Strom nicht nur über lange Zeiträume speichern, sondern auch über weite Strecken nahezu verlustfrei transportieren.

Das vorhandene Gasnetz bildet einen riesigen Speicher, der die Stromnetze entlasten und somit stabilisieren kann. Auch der Ausbau des Stromnetzes kann dadurch reduziert werden. So lässt sich über die vorhandene Infrastruktur die Hälfte der deutschen Haushalte mit grünem Gas versorgen. Hier kann der aus Erneuerbaren Energien erzeugte Wasserstoff z. B. zum klimaneutralen Heizen oder in Brennstoffzellenheizungen rückverstromt werden.

Alle Infos auf einen Blick
Die wichtigsten Informationen zu Wasserstoff finden Sie hier kurz zusammengefasst:

Wasserstoff ist das häufigste Element des Universums und steht somit auch an erster Stelle im Periodensystem. Auf der Erde kommt er hauptsächlich in gebundener Form, z. B. in Wasser, vor und ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Um ihn als Energieträger nutzen zu können, muss der Wasserstoff extrahiert werden. In ungebundener Form ist er dann ein farb- und geruchsloses Gas. Wie Erdgas kann Wasserstoff zusammengepresst und unter hohem Druck oder in flüssiger Form gespeichert und transportiert werden. In ihm ist dreimal so viel Energie enthalten wie in der gleichen Masse Benzin. 

Wasserstoff kann über verschiedene Prozesse erzeugt werden. Die Energiequelle sowie Methode entscheiden darüber, wie viel CO2 eingespart werden kann.

Konventioneller Wasserstoff

Das häufigste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung, bei der Erdgas mit Hilfe von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) aufgespalten wird. Das anfallende CO2 wird in der Regel nicht weiterverwendet.

CO2-neutraler/-freier Wasserstoff

Es gibt jedoch erfolgreiche Verfahren, die verhindern, dass CO2 in die Atmosphäre gelangt, und somit die Klimabilanz des aus Erdgas hergestellten Wasserstoff erheblich verbessern. Dies ist möglich durch die Speicherung (Carbon Capture and Storage, kurz CCS) von CO2 z.B. in unterirdischen, erschöpften Gasfeldern oder durch die Verwendung (Carbon Capture and Utilisation kurz CCU) in der Industrie. Ein weiteres Herstellungsverfahren für Wasserstoff ist die Pyrolyse von Erdgas. Hierbei fällt der Kohlenstoff nicht als gasförmiges CO2 an, sondern er wird als Feststoff gebunden, der sich industriell verarbeiten lässt.

Erneuerbarer Wasserstoff

Völlig klimaneutral lässt sich Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser herstellen. Dieses als Power-to-Gas bezeichnete elektrochemische Verfahren nutzt Wind- und Sonnenenergie, um Wasserstoff aus Strom und Wasser herzustellen. Der erneuerbar produzierte Wasserstoff bietet erhebliches Potenzial für den Klimaschutz in einem zunehmend auf Erneuerbaren Energien beruhenden Energiesystem.

Wasserstoff wird insbesondere in der Industrie zur Herstellung etwa von Ammoniak oder Erdölprodukten (Benzin, Diesel, Kerosin) verwendet und spielt in der Stahlherstellung eine wichtige Rolle. Darüber hinaus wird er aber auch als Kraftstoff für Autos, Züge oder Schiffe mit Brennstoffzellenantrieb eingesetzt und dient als Treibstoff für Raketen.

Hohes Potenzial bietet außerdem die Verwendung von Wasserstoff in einer Brennstoffzellenheizung. Diese sehr effizienten Heizgeräte zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nicht nur Wärme sondern gleichzeitig auch Strom produzieren. Dies geschieht durch einen chemischen Prozess in der Brennstoffzelle, in der Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. 

Das DVGW-Regelwerk bietet ein Höchstmaß an Sicherheit
Das DVGW-Regelwerk bietet ein Höchstmaß an Sicherheit © Foto: DVGW, Roland Horn

Der Umgang mit Wasserstoff ist nicht gefährlicher als mit anderen Energieträgern. Da sich Wasserstoff durch eine geringe Dichte auszeichnet, wird er üblicherweise gasförmig unter sehr hohem Druck oder in flüssiger Form bei niedriger Temperatur gespeichert.

Da Wasserstoff seit geraumer Zeit sicher sowie vielseitig eingesetzt wird und langjährige Erfahrungswerte vorliegen, ist das Risiko bei seiner Nutzung äußerst gering. In der Gaswirtschaft garantiert das DVGW-Regelwerk seit vielen Jahrzehnten effiziente Best-Practice-Lösungen und bietet ein Höchstmaß an Sicherheit. Um größere Mengen Wasserstoff als bislang in die Gasinfrastruktur einspeisen zu können und gleichzeitig die strengen Sicherheitsstandards beizubehalten, entwickelt der DVGW die Technischen Regeln auf der Grundlage von praxisorientierter Forschung fortlaufend weiter.

Biogasanlage vor Windrädern © istockphoto.com/winyuu

Das heimische Erzeugungspotenzial aller erneuerbaren Gase (grüner Wasserstoff, synthetisches Methan, Biomethan) liegt mit
rund 414 TWh etwa bei der Hälfte des heutigen Erdgasabsatzes in Deutschland. Auch in einer dekarbonisierten Welt wird Deutschland in großem Umfang Energie importieren müssen, um den Verbrauch decken zu können. Der Import grüner Energie wie z. B. erneuerbarem Wasserstoff aus sonnenreichen Ländern bietet Chancen für einen klimaschonenden Technologietransfer in andere Regionen der Welt. Zusätzlich kann CO2-neutraler / -freier Wasserstoff in den benötigten Mengen hergestellt werden.

Die Nationale Wasserstoff-Strategie
Ein aus grünen Blättern bestehendes H2, die Formel für Wasserstoff
Wasserstoff © iStock.com/Petmal

Bis Ende 2019 will die Bundesregierung eine Nationale Wasserstoff-Strategie vorlegen. Die Ministerien für Wirtschaft, Forschung, Entwicklung und Verkehr haben am 5. November ein Papier vorlegt, das als Diskussionsbeitrag für die Strategie gedacht ist. Ziel soll es u. a. sein zu zeigen, wie durch den Einsatz von grünem Wasserstoff in der Industrie, dem Verkehr und im Energiebereich Deutschlands Wettebwerbsfähigkeit erhalten, die Klimaschutzziele erreicht und neue Märkte erschlossen werden können. Damit verzahne die Nationale Wasserstoffstrategie Klima-, Energie-, Industrie- und Innovationspolitik und ziele auf eine Vorreiterrolle beim grünen Wasserstoff.

Wir wollen bei Wasserstofftechnologien die Nummer 1 in der Welt werden. Wasserstofftechnologien bieten enorme Potenziale für die Energiewende und den Klimaschutz wie auch für neue Arbeitsplätze.

Peter Altmaier, Bundeswirtschaftsminister, 18.07.2019

zur Nationalen Wasserstoff-Strategie

Forschung zum Thema Wasserstoff

Die Klimaziele und die gesetzlichen Vorgaben zur CO2-Reduktion können nur mit der Gasinfrastruktur in Kombination mit Power-to-Gas im industriellen Maßstab erreicht werden. Die Speicherung erneuerbarer Energieträger als grüne Gase wie Wasserstoff und die sektorenübergreifende Bereitstellung sind die wirksamsten Beiträge, die Deutschland zur weltweiten Treibhausgasneutralität leisten kann.

Prof. Dr. Gerald Linke, Vorstandsvorsitzender des DVGW

Aktuelles zu Wasserstoff
Grüner Wasserstoff durch Power-to-Gas
Power-to-Gas-Anlage – aus Strom entsteht Gas
Power-to-Gas-Anlage – aus Strom entsteht Gas © Uniper Energy Storage GmbH

Wasserstoff kann auch über die Elektrolyse von Wasser hergestellt werden. Wenn der für die Elektrolyse eingesetzte Strom aus Erneuerbaren Energien stammt, fallen keine CO2-Emissionen an. So wird Strom aus Wind- und Sonnenenergie in Gas umgewandelt. Power-to-Gas ist die vielversprechendste Technologie zur Erzeugung von klimaschonendem Wasserstoff, da als Nebenprodukt der Elektrolyse nur reiner Sauerstoff anfällt, der unbedenklich für die Umwelt ist. Weiterer Vorteil: Wasserstoff lässt sich überall herstellen, wo Wasser und erneuerbarer Strom zur Verfügung stehen.

Wasserstoff oder zusätzliche Methanisierung

In einem zweiten Verfahrensschritt kann Wasserstoff auch noch zu Methan (CH4) umgewandelt werden. Das so gewonnene synthetische Methan ist chemisch identisch mit Erdgas und kann deshalb problemlos und nahezu unbegrenzt in das Gasnetz eingespeist werden. Allerdings bedeutet Methanisierung einen weiteren Umwandlungsschritt, weshalb er nur erfolgen sollte, wenn der reine Wasserstoff nicht genutzt werden kann. Doch ob Wasserstoff oder daraus erzeugtes synthetisches Methan: In beiden Fällen kann jedweder nicht bedarfsgerecht erzeugte Strom nutzbringend eingesetzt werden.

Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland

Aktuell sind in Deutschland 34 Power-to-Gas-Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 30 Megawatt in Betrieb. Die meisten von ihnen sind Pilot- oder Demonstrationsprojekte in kleinem Maßstab und dienen zu Forschungszwecken. In Hamburg jedoch erzeugt bereits die erste Industrieanlage fünf Megawatt grünen Wasserstoff in einer Raffinerie, und zwei ehemalige städtische Versuchsanlagen sind in den dauerhaften Betrieb übergegangen. Weitere Anlagen sind in ganz Deutschland in Planung, darunter erstmals auch 100-Megawatt-Anlagen. Eine Übersicht über die Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland finden Sie in unserer Power-to-Gas-Karte.

Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz – 20 Prozent sind das Ziel
Gas hat ein enormes Klimaschutzpotenzial
Gas hat ein enormes Klimaschutzpotenzial © BDEW

Für die Speicherung von Wasserstoff bestehen verschiedene Möglichkeiten, eine besonders vielversprechende ist die anteilige Einspeisung in das vorhandene Gasnetz. Bereits heute können bis zu 10 Prozent Wasserstoff in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. In einem nächsten Schritt soll diese Menge auf 20 Prozent erhöht werden und perspektivisch können Teilabschnitte, in denen Angebot und Nachfrage zusammentreffen, technisch auf den Transport von reinem Wasserstoff (100 Prozent) umgestellt werden.

Für größere Wasserstoffbeimengungen in das Gasnetz sind zunächst jedoch noch Anpassungen einiger Netzkomponenten, Geräte und Anlagen vonnöten, die höhere Wasserstoffanteile derzeit nicht tolerieren. Insbesondere in der Industrie können bereits geringe Schwankungen der Gasqualität negative Auswirkungen auf Produktionsprozesse und Technologien haben.

Der DVGW hat bereits das Startsignal für die gebündelte und umfassende Weiterentwicklung seiner Technischen Regeln für Erzeugung, Einspeisung, Beimischung, Transport, Verteilung und Speicherung von Wasserstoff in der Erdgasinfrastruktur gegeben. Die dazu notwendigen Lösungen werden im Rahmen praxisorientierter Forschungsprojekte erarbeitet. So wird die Gasinfrastruktur für eine schrittweise Erhöhung des Wasserstoffanteils fit gemacht unter Beibehaltung des gewohnt hohen Sicherheitsstandards.

Wasserstoff-Pilotprojekte – Reallabore der Energiewende

Im Februar 2019 hat das Bundwirtschaftsministerium den Ideenwettbewerb "Reallabore der Energiewende" gestartet und 20 Projekte prämiert, die sich mit Wasserstofftechnologien, Stromspeichern oder energieoptimierten Quartieren befassen. Für den Zeitraum 2019 bis 2022 stehen hierfür Fördermittel in Höhe von 100 Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung. Unternehmer und Forscher sollen so unterstützt werden, um neue Technologien und Geschäftsmodelle unter realen Bedingungen zu testen. Erfahren Sie im Folgenden mehr über die Reallaboren, an denen Institute oder Mitglieder des DVGW aktiv beteiligt sind.

Westküste 100
Das "Projekt Westküste 100" sieht die Produktion von grünem Wasserstoff in Schleswig Holstein vor
Das "Projekt Westküste 100" sieht die Produktion von grünem Wasserstoff in Schleswig Holstein vor © Westküste 100

Grüner Wasserstoff und Dekarbonisierung in allen Sektoren

  • Bau eines 30-MW-Elektrolyseurs in Schleswig-Holstein
  • Ziel: Produktion von grünem Wasserstoff aus Offshore-Windkraftanlagen und Nutzung der dabei entstehenden Abwärme. Im Anschluss Wasserstoff-Einspeisung in das Gasnetz und Produktion als klimafreundlicher Kraftstoff für Flugzeuge. Zusätzlich soll der ebenfalls gewonnene Sauerstoff in einem Zementwerk weiterverarbeitet werden
  • Projektpartner: u.a. Open Grid Europe, Stadtwerke Heide, Orsted, EDF, Thyssenkrupp, FH Westküste

Zur Website – Projekt Westküste 100

ELEMENT EINS

Kopplung von Strom und Gas im Industriemaßstab

  • Bau eines 100-MW-Elektrolyseurs in Niedersachsen als größte deutsche Power-to-Gas-Anlage
  • Inbetriebnahme: schrittweise ab 2022
  • Ziel: Abbildung einer regionalen Wasserstoffwirtschaft im
    industriellen Maßstab
  • Projektpartner: Gasunie Deutschland, TenneT und Thyssengas
  • Wissenschaftliche Begleitung: Universitäten Clausthal,
    Dortmund, Duisburg Essen, die Ostbayerische Technische Hochschule
    Regensburg sowie das Gas- und Wärme-Institut Essen

Zur Website – Projekt ELEMENT EINS

https://www.youtube.com/watch?v=aUfngQBtXi4
Energiepark Bad Lauchstädt

Grüner Wasserstoff für Mitteldeutschland

  • Bau einer Großelektrolyse-Anlage von bis zu 35 MW in Sachsen-Anhalt
  • Inbetriebnahme ab 2020
  • Ziel: Herstellung, Transport, Speicherung (Salzkaverne) und der wirtschaftliche Einsatz von grünem Wasserstoff in industriellem Maßstab im mitteldeutschen Chemidreieck
  • Projektpartner: Uniper, VNG Gasspeicher, Ontras, Terrawatt, DBI – Gastechnologisches Institut

Zur Website – Projekt Energiepark Bad Lauchstädt

DVGW und DWV – Eine starke Kooperation für Wasserstoff

Gemeinsam mit dem Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellenverband (DWV), der Dachorganisation der Wasserstoff- und Brennstoffzellenindustrie in Deutschland, setzt sich der DVGW für den Zukunftsenergieträger Wasserstoff ein. Im Januar 2019 haben sich beide Verbände auf eine enge Kooperation und eine Wasserstoffstrategie verständigt. Ziel ist es, die Potenziale von Wasserstoff für den zwingend erforderlichen Transformationsprozess in der Energiewirtschaft aufzuzeigen:

Forschung
Initiierung und Durchführung von Forschungs- und Entwicklungs-Vorhaben z.B. zu werkstoffseitigen Wechselwirkungen beim Wasserstofftransport in Erdgasleitungen

Ordnungsrechtlicher Rahmen
Aufzeigen von Handlungsfeldern im ordnungsrechtlichen Rahmen

Regelwerk
Ausrichtung des bestehenden DVGW-Regelwerkes für Gasinfrastrukturen und Gasanwendungen auf höhere Wasserstoffanteile; Ergänzung eines neuen Regelwerkes für 100% Wasserstoff gemeinsam mit dem DWV

Berufsbildung und Information
Aufnahme des Themas Wasserstoff in die jeweiligen Programme zur berufsbegleitenden Bildung, für Informationsveranstaltungen und für mögliche Qualifizierungsbausteine

Ansprechpartner
Regelwerk Erzeugung
Frank Dietzsch
Hauptgeschäftsstelle / Gastechnologien und Energiesysteme

Telefon+49 228 91 88-914
Regelwerk Infrastruktur
Andreas Schrader
Hauptgeschäftsstelle / Gastechnologien und Energiesysteme

Telefon+49 228 91 88-982
Regelwerk Anwendung
Dieter Vass-Wolff
Hauptgeschäftsstelle / Gastechnologien und Energiesysteme

Telefon+49 228 91 88-806
Forschung
Dr. Michael Walter
Hauptgeschäftsstelle / Technologie und Innovationsmanagement

Telefon+49 228 91 88-845