Nachhaltigkeit von Power-to-H2 und Power-to-Liquid

Der Umstieg auf erneuerbare Energien ist der Schlüssel zur Reduktion der Treibhausgasemissionen und damit zum Erreichen der aktuellen Klimaziele. Insbesondere die Bereitstellung von erneuerbarem Strom hat in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Seit einigen Jahren nimmt auch das Thema Umwandlung von Strom zu verschiedenen Produkten (Power-to-X) immer mehr Fahrt auf. Insbesondere die Herstellung von Wasserstoff in einer Elektrolyse (Power-to-H₂) gewinnt enorm an Bedeutung. Wie steht es um die Nachhaltigkeit des so hergestellten Wasserstoffs und seinen Folgeprodukten?

Der Wasserstoff kann entweder direkt genutzt oder durch chemische Umwandlung zu weiteren Produkten wie Chemikalien und Kraftstoffen umgewandelt werden. Flüssigkeiten sind hierbei aufgrund ihrer Energiedichte und einfachen Transportierbarkeit gefragte Zielprodukte, daher wird diese Prozesskette auch als Power-to-Liquid bezeichnet. Für Power-to-Liquid-Prozesse ist neben Wasserstoff noch ein weiterer Ausgangsstoff notwendig. In den meisten Fällen wird CO₂ genutzt, um kohlenstoffhaltige Verbindungen wie zum Beispiel Methanol herzustellen. Aber auch die Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff rückt immer mehr in den Fokus. Die folgende Abbildung zeigt die Prozesse, mit denen wir uns am Fraunhofer ISE hauptsächlich beschäftigen.

Power-to-H₂ und insbesondere Power-to-Liquid ermöglichen die Umwandlung von Strom in Produkte mit hohen Energiedichten. In dieser Form kann erneuerbarer Strom auch über längere Zeitabschnitte gespeichert und zudem über längere Strecken transportiert werden. Allein dieser Vorteil führt jedoch nicht zwingend dazu, dass Power-to-H₂ und Power-to-Liquid Prozesse nachhaltig sind. Zur Untersuchung der Nachhaltigkeit ist eine genaue Analyse von ökonomischen, ökologischen und sozialen Aspekten notwendig.

Im folgenden Beitrag wird auf die Energiebedarfe, die Treibhausgasemissionen und die Kosten eingegangen, die mit der Herstellung von Produkten aus Power-to-H₂ (Wasserstoff) und Power-to-Liquid (PtL-Produkte) einhergehen.

Energiebedarfe für Wasserstoff und PtL-Produkte

Den größten Einfluss auf den Energiebedarf der Wasserstoffherstellung hat die Strombereitstellung für die Elektrolyse. Falls der Wasserstoff verflüssigt wird, um ihn z. B. über eine sehr lange Strecke zu transportieren, dann verursacht auch dieser Prozessschritt einen nennenswerten Energiebedarf.

Auch bei PtL-Produkten führt der Wasserstoffbedarf dazu, dass die Strombereitstellung für die Elektrolyse in den meisten Fällen für den größten Energiebedarf verantwortlich ist. Aufgrund der sehr hohen Energiedichte der PtL-Produkte, führt der Import, auch über lange Transportstrecken, nur zu sehr geringen zusätzlichen Energiebedarfen. Weitere Energiebedarfe werden verursacht durch die Wärme- und Strombereitstellung für den chemischen Umwandlungsprozess sowie durch die CO₂ oder N₂-Bereitstellung.

Die Energiebedarfe für die CO₂– bzw. N₂-Bereitstellung teilen sich in Wärme- und Strombedarfe auf. Für Power-to-Liquid-Prozesse kann es vor allem in zukünftigen Szenarien sinnvoll sein, auch die Wärmebedarfe über eine strombasierte Wärmebereitstellung zu decken, damit möglichst geringe Treibhausgasemissionen erreicht werden. Wenn auch die Wärmebedarfe durch Strom bereitgestellt werden, ist Strom der einzige relevante Input für die Herstellung von Wasserstoff und PtL-Produkten. In diesem Fall kann ein Wirkungsgrad von Strom zu Produkt angegeben werden. Für Wasserstoff liegt der Wirkungsgrad ohne Verflüssigung bei etwa 65 % und mit Verflüssigung bei etwa 55%. Für PtL-Produkte liegt der Wirkungsgrad je nach Verfahren und Endprodukt zwischen 40 % bis 55 %, wobei es Möglichkeiten gibt, diesen Wirkungsgrad zu steigern z.B. durch Wärmepumpen.

Treibhausgasemissionen von Wasserstoff und PtL-Produkten

Unsere Arbeiten zeigen, dass die Treibhausgasemissionen sowohl von Wasserstoff als auch von PtL-Produkten hauptsächlich durch die Treibhausgasemissionen der Strombereitstellung beeinflusst werden [1].

Unter der im Absatz Energiebedarf beschriebenen Annahme, dass der Energiebedarf für die Herstellung von Wasserstoff und PtL-Produkten vollständig durch Strom gedeckt wird, kann man einen Grenzwert für die Treibhausgasemissionen die Stromerzeugung berechnen. Dieser Grenzwert gibt an, welche Treibhausgasemissionen die Stromerzeugung maximal haben darf, damit die strombasierte Herstellung von Wasserstoff bzw. PtL-Produkten niedrigere Treibhausgasemissionen hat als die konventionelle, fossil-basierte Herstellung.

Für Wasserstoff liegt dieser Grenzwert bei ungefähr 200 bis 250 g CO₂ pro kWh. Bei PtL-Produkten liegt der Grenzwert in einem Bereich von etwa 100 bis 200 g CO₂ pro kWh [2]. Diese Grenzwerte können nur von erneuerbarem Strom unterschritten werden. Denn die fossil-basierte Stromerzeugungstechnologie mit den niedrigsten Treibhausgasemissionen ist ein Gas- und Dampfkraftwerk mit 350 g CO₂ pro kWh im Bestfall. Erneuerbarer Strom z.B. aus einer Windkraftanlage verursacht nur etwa 10 bis 15 g CO₂ pro kWh. Damit ist es für Wasserstoff und PtL-Produkte zwingend erforderlich, dass der genutzte Strom fast ausschließlich aus erneuerbaren Quellen stammt. Für neue Power-to-H₂ bzw. Power-to-Liquid-Prozesse sollte darüber hinaus der erneuerbare Strom aus zusätzlich errichteten Anlagen stammen, damit der erneuerbare Strom den bereits existierenden Anwendungen und Verbrauchern im Stromnetz nicht weggenommen wird.

Da Power-to-H₂ und Power-to-Liquid-Prozesse helfen sollen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, ist es zwingend erforderlich, dass sie niedrigere Treibhausgasemissionen haben als die konventionellen, fossilen Prozesse. Darüber hinaus sollten die Prozesse aber auch das zukünftige Potenzial für einen treibhausgasneutralen Prozess haben. Nur dann helfen Power-to-H₂ und Power-to-Liquid-Prozesse auch beim Erreichen der langfristigen Klimaziele. Damit die Prozesse treibhausgasneutral sind, müssen die folgenden Kriterien erfüllt sein:

1. Treibhausgasneutrale Bereitstellung aller Strom- und Wärmebedarfe
2. CO₂ muss aus erneuerbaren Quellen (z.B. Luft oder Biomasse) stammen
3. Treibhausgasneutrale Herstellung aller Anlagenkomponenten

Bei der Bewertung des zukünftigen Potenzials von diesen Prozessen sollten neben Treibhausgasemissionen auch andere Umweltwirkungen wie z. B. Eutrophierung und Versauerung analysiert werden.

Kosten von Wasserstoff und PtL-Produkten

Im Gegensatz zu den Treibhausgasemissionen werden die Kosten nicht nur von der Strombereitstellung dominiert. Neben den Stromkosten haben auch die Investitionskosten einen entscheidenden Anteil an den Gesamtkosten.

Bei der Herstellung von Wasserstoff ist vor allem die Elektrolyse für einen entscheidenden Anteil der Investitionskosten verantwortlich. Falls eine Zwischenspeicherung des gasförmigen Wasserstoffes oder einen Wasserstoffverflüssigung notwendig ist, verursachen diese Anlagen jedoch nicht zu vernachlässigende, zusätzliche Investitionskosten.

PtL-Produkte haben im Allgemeine höhere Strombereitstellungskosten und höhere Investitionskosten als Wasserstoff – aber auch einen höheren Verkaufspreis und damit eine höhere Wertschöpfung. Dies liegt an den niedrigeren Effizienzen und den damit verbundenen höheren Wasserstoffbedarf. Zusätzlich entstehen Investitionskosten für die CO₂-Bereitstellung und die chemische Umwandlung. Ein Vorteil von PtL-Produkten ist, dass in der Regel keine Verflüssigung benötigt wird.

In den meisten Fällen machen die Kosten für Strombereitstellung und Investitionskosten für die Elektrolyse deutlich über die Hälfte der Gesamtkosten aus. Daher ist die Herstellung von Wasserstoff und PtL-Produkten insbesondere in Gebieten mit niedrigen Stromgestehungskosten und hohen Volllaststunden für erneuerbare Energie vielversprechend.

In einem wissenschaftlichen Artikel [3] haben wir für das Jahr 2030 bei einer Produktion in Nordafrika Kosten von 90 € pro MWh für Wasserstoff und 128 € pro MWh für das PtL-Produkt Methanol berechnet. Wenn auch der Transport nach Deutschland berücksichtigt wird, dann erhöhen sich die Kosten um 25 € pro MWh für Wasserstoff bzw. 3 € pro MWh für Methanol. Den größten Einfluss auf die Kosten haben demnach nicht der Transport, sondern der Strompreis und die Investitionskosten für die Elektrolyse.

Unsere Arbeiten zum Thema Nachhaltigkeit von Power-to-X zeigen, welches große Potenzial Wasserstoff und PtL-Produkte zur Reduktion von Treibhausgasemissionen im Chemie- und Verkehrssektor bieten. Außerdem werden Potenziale für weitere Kostenreduktionen aufgezeigt.

Weiterführende Informationen

[1] Comparative well-to-wheel life cycle assessment of OME3–5 synfuel production via the power-to-liquid pathway https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/se/c9se00658c#fn1

[2] Power-to-What? – Environmental assessment of energy storage systems https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ee/c4ee03051f

[3] Energy efficiency and economic assessment of imported energy carriers based on renewable electricity https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/se/d0se00067a

Titelbild © istock.com / Petmal