Grüner Wasserstoff

Wasserstoff hat im Energiesystem zwei wichtige Aufgaben: Er befreit es vollständig von Kohlendioxid und er macht erneuerbaren Strom speicherbar. Er   entlastet das Stromnetz von Fluktuationen der Erzeugung und stellt und Verbrauchern Energie bedarfsgerecht bereit.

Anders ausgedrückt: Er ermöglicht die CO2-Vermeidung in allen Energiebereichen über den Strombereich hinaus und er hat die Speicherfunktion – den Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch erneuerbarer Energie, d.h. das Aufnehmen von Energie bei Überangebot, das Speichern dieser Energie und die bedarfsgerechte Bereitstellung der eingespeicherter Energie für die Nutzer (zur Einordnung von H2 als Speicher siehe hier).

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Was ist darauf aufbauend grüner Wasserstoff?

Definition: Grüner Wasserstoff wird zeitgleich erneuerbar und erzeugernah aus Wind- oder Solarenergie gewonnen. Für die erforderlichen Energiemengen werden zusätzliche erneuerbare Energieerzeuger errichtet.0 Grüner Wasserstoff wirkt netzentlastend, d.h. er verbessert Auslastung der Energienetze und verringert Fluktuationen im Netz.

Im Einzelnen:

1. Zeitgleich erneuerbar: Für die Herstellung des Wasserstoffs wird ausschliesslich zeitgleich erzeugter Strom aus Windkraft oder Solarenergie genutzt.

Nur so kann sichergestellt werden, dass durch die Wasserstoffgewinnung kein CO2 bei der erforderlichen Stromerzeugung ausgestoßen wird. Der Nachweis der Zeitgleichheit kann am einfachsten technisch über Zähler erfolgen, sofern Strom- und Wasserstofferzeuger direkt elektrisch verbunden sind. Wo dies nicht möglich ist und Elektrolysestrom über ein öffentliches Netz bezogen werden muss, könnte in Zukunft ein Herkunftsnachweis mit Zeitstempel die viertelstundengenaue Zeitgleichheit zertifizieren.

Solange noch kein viertelstundengenaues Herkunftsnachweissystem existiert, ist eine Übergangslösung denkbar, die das aktuelle Herkunftsnachweissystem mit einem bilateralen Vertrag zwischen den Betreibern von Elektrolyseuren und erneuerbare Stromerzeugungsanlagen kombiniert. Dazu müssen für den Strom, der zur Elektrolyseur genutzt wird, Herkunftsnachweise entwertet werden. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass die Herkunftsnachweise ausschließlich aus Anlagen stammen, die über einen bilateralen Vertrag eine Lieferbeziehung mit dem Elektrolyseur vereinbart haben. Die Lieferbeziehung kann im Herkunftsnachweisregister überprüft werden.

Um Wandlungsverluste zu minimieren, darf Wasserstoff auf keinen Fall aus anderen speicherbaren Energieträgern produziert werden. Jede Wandlung einer Energieform in einen Energieträger und umgekehrt ist verlustbehaftet und aufwändig. Am besten ist die direkte Nutzung von erneuerbarem Strom ohne Wandlung und Zwischenspeicherung. Der zweitbeste Weg ist die einmalige Wandlung und Einspeicherung mit späterer direkter Nutzung aus dem Speicher. Aus speicherbaren Energieträgern wie Kohle, Öl, Erdgas aber auch Biogas oder Holz, einen speicherbaren Energieträger wie Wasserstoff herzustellen, ist deshalb energetisch nicht sinnvoll.1 Die Definition stellt sicher, dass speicherbare Energie nicht ineinander umgewandelt werden, da sie ausschließlich Wind- oder Solarstrom zulässt.

2. Erzeugernah: Die Wasserstoffgewinnung muß nah an der Stromerzeugung erfolgen

Da Wasserstoff nicht nur gut speicherbar, sondern auch zu geringeren Kosten2 als Strom durch Gasnetze transportierbar ist, hat es keinen Sinn, Strom erst durch ein Stromnetz zu übertragen, um ihn dann an einem anderen Ort als den seiner Erzeugung für die Wasserstoffgewinnung zu verwenden. Die beste Lösung ist ein direktes möglichst kurzes Kabel zwischen Stromerzeuger und Elektrolyseur, welcher möglichst in Ortsnähe platziert werden sollte, um eine Abwärmenutzung zu ermöglichen. Eine Nutzung öffentlicher Stromnetze über kurze Distanz ist nur sinnvoll, sofern deren dafür erforderlicher Ausbau günstiger als eine Direktleitung ist.3

Der Bezug von Netzstrom für die Herstellung von Wasserstoff darf nur dann zulässig sein, wenn die Elektrolyse das Netz nicht zusätzlich belastet. Netzbetreiber müssen daher deshalb berechtigt sein, Elektrolyseure abzuregeln, sobald sie Netzengpässe verstärken. Deshalb sollten Elektrolyseure vorrangig und entschädigungsfrei in das Redispatch-Regime integriert werden.

Das Kriterium der Erzeugungsnähe würde durch die Einführung von entfernungsabhängigen Netzentgelten entfallen (Netztransportentgelt).

3. Zusätzlich: für die Wasserstoffgewinnung müssen zusätzliche erneuerbare Strommengen bereitgestellt werden.

Der Ausbau von erneuerbaren Energien und die Produktion von grünem Wasserstoff bedingen sich gegenseitig, um das Ziel eines CO2-freien Energiesystems zu erreichen. Der Ausbau erneuerbarer Energien ist die notwendige Voraussetzung für grünen Wasserstoff.

Es kann also jährlich maximal so viel grüner Wasserstoff die grüne Eigenschaft erlangen, wie auch ein dafür erforderlicher Zubau der erneuerbaren Stromerzeugung stattfindet. Um dies sicherzustellen, ist ein Zertifizierungssystem erforderlich, bei jeder Wasserstoffproduzent nachweisen muss, dass er dafür sorgt4, dass mindestens soviel erneuerbare Strom zusätzlich erzeugt wird, wie seine Elektrolyse benötigt.5

4. Netzentlastend: die Herstellung von grünem Wasserstoff muss die Fluktuationen der erneuerbaren Erzeugung ausgleichen.

Sinnvolle Wasserstofferzeugung entlastet die Stromnetze von Fluktuationen der erneuerbaren Erzeugung. Der Grad dieser Schwankungen des Energieangebotes wird durch das Verhältnis von Jahresenergieerzeugung (kWh) und maximaler dabei vorkommender Leistung (kW) beschrieben (Volllaststunden, Vlh). Eine Voraussetzung für die grüne Eigenschaft von Wasserstoff muss daher die Erhöhung der Volllastunden des Stromtransportes im öffentlichen Netz sein.

Sofern kein öffentliches Netz genutzt wird, ist der Nachweis rechnerisch leicht am Einspeisepunkt zu führen6. Bei Nutzung des öffentlichen Netzes  muss der Nachweis durch eine Netzanalyse geführt werden.

Wer aber einen Nachweis der Netzdienlichkeit im Sinne einer besseren Netzauslastung nicht führen kann oder will, kann nur bis zu einer Obergrenze von z.B. 2000 Vlh seinen Elektrolyseur betreiben, um Grünen Wasserstoff zu erzeugen.

Es ist dabei ausreichend, diesen Nachweis einmal vor Inbetriebnahme zu führen. Denn wenn die Anlage einmal so dimensioniert ist, dass sie netzentlastend wirken kann, dann hat der Wasserstofferzeuger kein wirtschaftliches Interesse, sie nicht netzentlastend zu betreiben.7

Eine verbindliche Selbstverpflichtung des Elektrolysebetreibes, seine Anlage netzentlastend zu fahren, deren Einhaltung im Zweifel überprüfbar wäre, gäbe zusätzlich Rechtssicherheit.8

Welche Probleme wären mit einer solchen Definition noch zu lösen, um einen grünen Wasserstoffmarkt aufzubauen?

Problem A. – angemessener CO2-Preis für einen Markthochlauf und Quote

Die Kosten der Wasserstofferzeugung bestehen aus den Energieerzeugungskosten nebst Verlusten, den Kosten der Elektrolyse in Höhe von grob 1000 €/MW, sowie Kosten für Zwischenspeicher incl. Nebenanlagen in Höhe von ca. 20 €/kWh. Beispielhaft könnten sich daraus folgende Wasserstoffkosten ergeben (tatsächliche Kosten können hiervon je nach angenommener Strompreis- und Technikentwicklung abweichen):

Ct/kWh10002000300040005000600070008000
Strom3,004,005,006,007,008,009,0010,00
Verluste3,003,553,934,174,294,314,244,08
Elektrolyse5,002,501,671,251,000,830,710,63
Speicher1,550,320,110,050,020,010,010,00
Vertrieb, Tansport0,030,030,030,030,030,030,030,03
Gesamt12,5810,4010,7411,5012,3413,1813,9914,74
€ pro kg H24,153,433,543,804,074,354,624,86
Wirkungsgrad50 %53 %56 %59 %62 %65 %68 %71 %
Wasserstoffkosten in Abhängigkeit der Auslastung des Elektrolyseurs in Volllaststunden

Bei Wasserstoffkosten von über 3 €/kg bzw. 10 ct/kWh ergibt sich ein CO2-Preis von über 200 € pro Tonne, um gegenüber Erdgas oder Kohle wettbewerbsfähig zu sein, wie aus folgender Tabelle ersichtlich. Gegenüber Heizöl wären etwas über 100 €/t ausreichend und gegenüber Kraftstoffen wäre die Wettbewerbsfähigkeit sofort gegeben, allzumal Wasserstofffahrzeuge den doppelten Wirkungsgrad gegenüber Verbrennungsmotoren erreichen, was sich massiv auf die Kaufbereitschaft auswirkt.

Preiseffekt in €/kWh bei CO2-Preis von…
ErdgasHeizölKraft-stoffBraun-kohleStein-kohleBraunkohle-strom
10 €/t CO20,0020,000,000,000,000,01
20 €/t CO20,0040,010,010,010,010,02
30 €/t CO20,0060,010,010,010,010,03
40 €/t CO20,0080,010,010,020,010,04
50 €/t CO20,0100,010,010,020,020,05
100 €/t CO20,0200,030,030,040,030,10
150 €/t CO20,0300,040,040,060,050,15
200 €/t CO20,0400,050,050,080,070,20
250 €/t CO20,0500,070,070,100,090,24
Heutiger Preis, ca.0,0300,060,120,010,010,03
Preisauswirkungen des CO2-Preises auf die Kosten der Energieträger (ohne Produktionskosten, welche in letzter Zeile angedeutet sind)

Solange der CO2-Preis nicht ausreichend hoch ist, kann lediglich eine Quote den Aufbau eines grünen Wasserstoffmarktes ermöglichen. Diese wäre je nach Anwendungsfall zu gestalten (Anteil H2 im Gasnetz, Anteil H2 an Stahlerzeugung usw.)

Problem B. – fairer Markt

Für einen Wasserstoffmarkt ist es zwingend, dass für alle Marktteilnehmer dieselben Marktbedingungen gelten, d.h. es darf auch keine Ausnahmen über die Besondere Ausgleichsregelung geben.

Problem C. – Wasserstoffleitungen

Ein Wasserstoffmarkt braucht zügig eine Umwidmung von redundanten Erdgasleitungen zu Wasserstoffleitungen, damit der Wasserstoff zu den Industrieverbrauchern kommt. Auch Neubau von Wasserstoffleitungen ist erforderlich.

0 Die Definition verwendet bewußt den Begriff Energie statt Strom, denn es sind Techniken möglich, welche H2 ohne den Zwischenschritt Strom erneuerbar gewinnen. Der weitere Text stellt aus Gründen der Verständlichkeit aber nur auf Strom ab, da Technologie, welche H2 ohne Strom herstellen, bislang sehr wenig gebräuchlich sind.

1 Das Argument, dass Elektrofahrzeuge auch nicht zu 100% mit erneuerbarer Energie geladen werden, greift nicht als Rechtfertigung, Wasserstoff teilweise mit Strom aus fossilen Brennstoffen herzustellen, denn Autos müssen jederzeit fahrbereit sein und also geladen werden, wenn es nötig ist. Bei der Wasserstoffgewinnung ist dies völlig anders – es gibt kein Erfordernis einer Fahrbereitschaft für Wasserstofferzeuger, denn ihre Aufgabe ist das Bereitstellen speicherbarer Energieträger. Ohne Speicher ergibt Wasserstoff keinen Sinn. Mit ausreichend großem Speicher wiederum hat es keinen Sinn, Wasserstoff zu erzeugen, wenn nicht genug erneuerbare Energie bereitsteht.

2 Die Kosten des Gastransportes in Gasleitungen (Gasnetzentgelte) liegen deutlich unter 1 ct/kWh, während Netzentgelte in Stromnetzen weit über 1 ct/kWh liegen.

3Der Denkansatz, es würde genügen, wenn die Wasserstofferzeugung auf derselben Seite des Netzengpasses läge, wie die Stromerzeugung, ist sehr gewagt und schwer zu begründen – denn Netzenpässe wandern natürlich mit der Zeit, d.h. mit neuen Erzeugern und Verbrauchern ebenso wie mit Stilllegungen. Mit einem solchen Ansatz wären sehr wahrscheinlich hohe unnötige Kosten für Netzausbau und -unterhaltung verbunden.

4 „dafür sorgt“ bedeutet, dass der Wasserstofferzeuger entsprechende Verträge mit erneuerbaren Stromerzeugern nachweisen oder eigene Stromerzeugungskapazitäten aufbauen muss. Das Zertifikatesystem stellt dabei sicher, dass Erzeugungskapazitäten nicht mehrfach Wasserstofferzeugern zugerechnet werden.

5Diese Herangehensweise erübrigt Betrachtungen von „Abregelmengen für Elektrolyse„ oder „Elektrolyse bei negativen Strompreisen“, denn in Verbindung mit dem geforderten Nachweis der Senkung von Fluktuationen im Stromnetz ergibt es sich von selbst, dass die Elektrolyse überwiegend bei hohem Energieangebot erfolgen muss und demzufolge Abregelungen nicht erfolgen bzw. negativen Strompreisen entgegengewirkt wird.

6 Ein Beispiel: Es werden 100-MW-Elektrolyse an einem Standort mit 100-MW Windkraft und 100 MW PV errichtet. Der Netzanschluss (Transformator) ohne Elektrolyse erfordert eine Kapazität von 133 MW. Die Windkraftanlagen erzeugen 300 GWh, die PV 100 GWh, zusammen 400 GWh. Ohne Elektrolyse ergeben sich daraus Volllaststunden der Einspeisung von 400/133 = 3000. Mit der Elektrolyse, welche 200 GWh Strom verbrauchen soll, kann nun die Kapazität des Netzanschlusses auf 33 MW verringert werden. Aus Netzsicht ergeben sich (400-200)/33= 6000 Volllaststunden, also deutlich weniger Fluktuation.

7 Bei dem Beispiel von Fußnote 6 könnte die Elektrolyse z.B. auch 350 MWh Strom verbrauchen und nur 50 MWh ins Netz einspeisen, so dass er mit (400-350)/33 = 1500 Volllaststunden eine Zunahme der Fluktuation im Netz verursachen würde. Dies lohnt sich allerdings nicht, weil die zusätzlichen 150 GWh Strom für den Elektrolyseur in die Zeiten mit geringem Energieangebot und hohem Strompreis fielen. Der Wasserstoffproduzent würde also viel teureren Wasserstoff erzeugen, als Wettbewerber und könnte ihn nicht mehr verkaufen.

8 Feste Grenzwertvorgaben zur Senkung der Fluktuation ergeben keinen Sinn. Solche gewillkürten Vorgaben verhindern die volkswirtschaftliche Optimierung. Bei niedrigen Börsenstrompreisen liegt zwar meist ein hohes erneuerbares Stromangebot vor, doch lassen sich niedrige Börsenstrompreise allein nur schwer als Begründung für die Sinnhaftigkeit der Wasserstoffgewinnung heranziehen – allzumal eine Regel, dass nur unterhalb eines bestimmten Preisniveaus H2 hergestellt werden dürfte, die Steuerfunktion des Preises einschränken würde. Jeder Hersteller ist an niedrigen Stromkosten interessiert, aber es muss auch jedem selbst überlassen bleiben, wo er seine Kostengrenze setzt. Auch feste Obergrenzen für Volllastunden an Elektrolyseuren gehen fehl, da man nicht vorher wissen kann, wo das wirtschaftlich-technische Optimum liegen wird.