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Ob grau, ob blau, ob rein – Aus Wasserstoff kann die Energiewende sein

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    LEIPZIGER ZEITUNG/Auszug Ausgabe 83, seit 25. September im HandelWie sieht sie aus, die Energiewende? Wann kommt sie denn endlich und wer tut etwas dafür? 2038 ist zumindest für die Region Leipzig ein einschneidendes Jahr. Dann, wenn Braunkohle in Deutschland nicht mehr verstromt wird, muss sich die Region umgucken. Wo kommt die Energie dann her? Wer hat einen Arbeitsplatz in der Energiewirtschaft? HTWK-Professor Robert Huhn weiß, wodurch Strom ziemlich sicher hergestellt werden kann: Durch Wasserstoff.

    Professor Huhn, auf der Homepage des Bundesenergieministeriums findet sich folgendes Statement zur Energiewende: „Wasserstoff wird dabei als vielfältig einsetzbarer Energieträger eine Schlüsselrolle einnehmen“. Warum ist das so?

    Zum einen sind es dessen Eigenschaften, wie beispielsweise die Verfügbarkeit. Ich kann den Stoff in verschiedenen Verfahren herstellen. Außerdem ist er ungiftig. Seine technische Anwendbarkeit sowie Speichermöglichkeit in Langzeitspeichern wie z. B. in Kavernen, also in bestehenden Erdgasspeichern, sind weitere Argumente.

    Solar- und Windenergie müssen wir dann nutzen, wenn Sie verfügbar ist. Dafür benötigen wir Energiespeicher. Wasserstoff ist ein günstiges Speichermedium hierfür. Damit kann die zeitliche Verschiebung zwischen Energieerzeugung und Energieverbrauch überbrückt werden.

    Wie sieht diese Überbrückung denn aus?

    Wasserstoff wird z. B. durch Elektrolyse erzeugt, also durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe elektrischer Energie (Power-to-Gas). Hierfür können wir die überschüssige Energie aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen verwenden, die sonst nicht genutzt wird.

    So können wir durch die Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff die Ausnutzung der angebotenen Energiemengen aus Wind- und Solaranlagen erhöhen. Bisher müssen wir die Anlagen, mit denen wir erneuerbare Energien erzeugen, abschalten, wenn wir die erzeugte elektrische Energie nicht direkt nutzen oder im Stromnetz abtransportieren können.

    Auf der Internetseite heißt es weiter: „Die Bundesregierung hat deshalb eine Nationale Wasserstoffstrategie erarbeitet und diese mit einem Aktionsplan untermauert, der fortlaufend weiterentwickelt werden soll.“ Läuft das in Ihrem Interesse?

    Diese Strategie ist ein richtiger und wichtiger Schritt, die Strategie enthält viele zukunftsweisende Ansätze. Die Bundesregierung hat sich dazu bekannt, dass sie Wasserstoff als wichtigen Energieträger anerkennt. Jetzt geht es darum, die formulierten Ziele zu erreichen. Wir müssen den regulatorischen Rahmen anpassen und wir brauchen auch weitere Förderanreize.

    Der DVGW, der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches, hat eine über 20-seitige Stellungnahme geschrieben und sich zu den weiteren erforderlichen Schritten positioniert. Das lässt sich nur schwer in wenigen Sätzen zusammenfassen. Unter anderem gibt es das Energie-Wirtschaftsgesetz mit Regelungen, die sich auf den Gas- und den Stromsektor beziehen. Darin sind noch nicht die Weichen für eine Wasserstoffwirtschaft gestellt. Es müssen Restriktionen, die Wasserstoff benachteiligen, abgebaut werden.

    Im Wasserstoffdorf in Bitterfeld-Wolfen wird geforscht, wie man Wasserstoff in Zukunft günstig erzeugen, sicher transportieren und zielsicher in die Haushalte bringen könnte. © HTWK Leipzig
    Im Wasserstoffdorf in Bitterfeld-Wolfen wird geforscht, wie man Wasserstoff in Zukunft günstig erzeugen, sicher transportieren und zielsicher in die Haushalte bringen könnte. © HTWK Leipzig

    Ich lese immer wieder von „klimafreundlich hergestelltem Wasserstoff“. Wie stellt man Wasserstoff denn her? Ist das schwer?

    Es gibt verschiedene Technologien, Wasserstoff herzustellen, sie unterscheiden sich im CO2- Fußabdruck. Klimafreundlich heißt: Wasserstoff wird in Elektrolyseanlagen, z. B. mithilfe von Wind- oder Solarenergie gewonnen. Hier muss man die Energie für die Herstellung von Wind- und Solaranlagen beim ökologischen Fußabdruck mitberücksichtigen. Es ist aber der beste Weg, um Wasserstoff weitgehend klimaneutral herzustellen.

    Es gibt noch grauen, blauen und türkisen Wasserstoff. Die Unterscheidung erfolgt je nach Herstellung. Der blaue Wasserstoff wird auch als Übergangslösung diskutiert. Als Ausgangsstoff wird Erdgas verwendet, welches hauptsächlich aus Methan (CH4) besteht. Der Wasserstoff kann dann aus dem Methan abgespalten werden, aber dabei fällt eben auch CO2 an. Entweicht dieses CO2 in die Atmosphäre spricht man von grauem Wasserstoff.

    Wenn man das CO2 auffängt und, wie es das Prinzip des Carbon Capture and Storage vorsieht, zum Beispiel in ehemalige Erdöl- oder Erdgaslagerstätten verpresst, würden bei der Wasserstoffherstellung nur wenige direkte Emissionen in die Atmosphäre austreten. Man müsste aber sicherstellen, dass das CO2 dauerhaft aus der Atmosphäre ferngehalten wird. So könnte man große Wasserstoffmengen bereitstellen, damit sich Marktteilnehmer umstellen können.

    Langfristig müssen wir aber hin zum grünen Wasserstoff, weil wir sonst das Erdgas dauerhaft benötigen und davon abhängig bleiben. Türkiser Wasserstoff wird mit dem Pyrolyse-Verfahren hergestellt. Hierbei wird Wasserstoff aus Methan abgespalten, aber der Kohlestoff aus dem Methan bleibt als Ruß übrig. Damit hat man ihn in fester Form, könnte ihn besser endlagern oder weiterverwenden. Zudem würde kein CO2 in die Atmosphäre entweichen.

    Gemeinsam mit weiteren Partnern unterhält die HTWK ein sogenanntes Wasserstoffdorf. Was treiben Sie da?

    Der Schwerpunkt bei dem Wasserstoffdorf liegt nicht in der Herstellung, sondern in der Anwendung und Verteilung von Wasserstoff. Gemeinsam erproben wir dort ein Wasserstoffverteilnetz auf Basis von Kunststoffrohrleitungen. Mit Edelstahlleitungen hat man schon mehr Erfahrungen. Bisher wird in Leuna mit konventionellen Methoden Wasserstoff erzeugt und in ein Wasserstoffnetz eingespeist. Dieses Netz erstreckt sich bis Bitterfeld und dort nehmen Industriekunden den Wasserstoff ab. Das ist der aktuelle Stand der Technik.

    Im bestehenden Erdgasnetz gibt es aber viele Kunststoffleitungen, gerade in großen Städten mit vielen Haushalten. Wir haben das Ziel, solche preiswerten Kunststoffleitungen auch für die Anwendung mit Wasserstoff zu qualifizieren. Dadurch könnte die bestehende Gasnetzinfrastruktur zum großen Teil auch für Wasserstoff weiterverwendet werden, bzw. eine neue Wasserstoffinfrastruktur wirtschaftlich aufgebaut werden. Dies ist der Kern bei diesem Projekt.

    Schwierigkeiten gibt es noch beim sicheren Transport über lange Strecken. © HTWK Leipzig
    Schwierigkeiten gibt es noch beim sicheren Transport über lange Strecken. © HTWK Leipzig

    In diesem Dorf wurden 1.400 Meter Rohrleitungen verlegt, hauptsächlich Kunststoffleitungen und einige Stahlleitungen. Diese werden in einem Monitoringprogramm getestet und überwacht: ob Wasserstoff beispielsweise durch Rohrwände permeiert und an die Oberfläche tritt. Gleichzeitig werden weitere Komponenten in der Verteilkette wie Regelanlagen getestet. So soll nachgewiesen werden, dass der leitungsgebundene Transport von Wasserstoff sicher funktioniert.

    Was würde sich für den Endkunden ändern, wenn Wasserstoff Erdgas als Energieträger ablösen würde?

    Als Endkunde merken Sie davon in der Anwendung fast nichts. Im Keller muss ihr Gasheizkessel, sofern möglich, auf Wasserstoff umgestellt oder ausgetauscht werden. Das würde für den Endkunden Geld kosten. Die Regel- und Sicherheitseinrichtungen in den Zuleitungen von der Straße bis zum Gasverbrauchsgerät müssten eventuell ausgetauscht werden. Das würde sich in Kosten für Sie und den Netzbetreiber niederschlagen. Letzterer darf diese Kosten dann umlegen auf die Netzentgelte.

    Wie hoch diese Kostenanpassungen sind, hängt davon ab, wie viel geändert werden muss. Wir wissen: Rein theoretisch ist es möglich. Nun sammelt man Erfahrungen, wie die Umstellung im Detail genau funktioniert. Wir wollen nicht nach zwei oder drei Jahren einen Rückschlag erleben, weil wir Abläufe nicht getestet haben.

    Durch alte Gasleitungen fließt dann also Wasserstoff?

    So könnte man sich das bildlich vorstellen. Man weiß, welche Stahlsorten in welcher Qualität geeignet sind, um Wasserstoff zu transportieren. Bei Materialien, die sich weniger eignen, kann nach einer Druckanpassung eine Weiternutzug erfolgen. Die Versprödung von Material durchWasserstoff tritt abhängig von Druck, Temperatur und Materialien auf. In den Netzen müsste man vor einer Umstellung auf Wasserstoff die Eignung und Qualität der vorhandenen Rohre prüfen.

    Das scheint eine große Aufgabe zu sein.

    Wir haben viele Tausende Kilometer Gasleitungen in Deutschland. Bei einigen, bei den großen Hochdruckleitungen, wird es einfacher möglich sein, ihre Eignung zu testen. Da kann man Sonden durchschicken, sogenannte Molche, um den Zustand zu überprüfen. Bei den vielen kleineren Leitungen in den Städten und Gemeinden sieht es schwieriger aus, da braucht es andere Methoden. Ein Großteil dieser Leitungen im Verteilnetzbereich ist auch schon als Kunststoffleitung ausgeführt.

    Wie sieht die Zusammenarbeit mit der Mitteldeutschen Netzgesellschaft im Wasserstoffdorf aus und warum ist es ein Dorf?

    Das Titelblatt der LEIPZIGER ZEITUNG Nr. 83, Ausgabe September 2020. Foto: Screen LZ

    Die Mitteldeutsche Netzgesellschaft Gas mbH (MITNETZ GAS) ist der Gasnetzbetreiber. In Deutschland ist es so geregelt, dass es für die Gasnetze unabhängige Netzbetreiber gibt. Sie sind der entscheidende Partner für die technischen Maßnahmen im Netz, da wir die Forschungsanlage an ein bestehendes Wasserstoffnetz angeschlossen haben, nämlich das zwischen Bitterfeld und Leuna. Damit bringt die MITNETZ GAS auch Wasserstofferfahrungen mit ein.

    Es gibt aber noch weitere Partner, ohne die das Projekt nicht erfolgreich durchgeführt werden könnte: Die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH übernimmt die Hauptkoordination, die TÜV Süd Industrie Service GmbH zertifiziert und ist für die technische Sicherheit zuständig, der Kunststoffhersteller REHAU AG + Co liefert die verschiedenen Kunststoffrohre und die Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK Leipzig) begleitet das Vorhaben wissenschaftlich. Je nachdem was gemacht wird, ist jemand von uns oder den Partnern vor Ort.

    Was erforschen sie zurzeit?

    Zurzeit laufen praktische Versuche zu Absperrmöglichkeiten, wie man sie auch an Erdgasleitungen durchführt. Wenn man eine Gasleitung aufgrund einer Havarie abstellen muss, aber an dieser Stelle kein Absperrschieber vorhanden ist, kann man das Rohr abquetschen, bis das Gas nicht mehr durchströmt. Das haben wir an den Wasserstoffleitungen ebenso getestet. Es laufen auch Langzeitmessungen, beispielsweise ob irgendwo austretender Wasserstoff gemessen werden kann.

    Wie lange arbeiten Sie noch im beziehungsweise am Dorf?

    Das Projekt war ursprünglich bis Ende 2019 angedacht. Aufgrund von nicht planbaren Verzögerungen wurde es bis Ende 2021 verlängert. Dann wird es auslaufen. Bis dahin sind noch Messungen und Beobachtungen möglich, theoretisch müssen wir es danach zurückbauen. Aber es laufen Überlegungen, wie man es weiternutzen kann.

    Was passiert dann mit den Ergebnissen?

    Unsere Forschungsergebnisse wären dann einige von vielen Ergebnissen der unterschiedlichen HYPOS-Teilprojekte. Man wird dann alle bekannten Ergebnisse zusammenfließen lassen und damit die Umsetzung voranbringen, indem man die Erfahrungen bündelt. Der Großraum Leipzig als Region mit bereits bestehender Wasserstoffinfrastruktur würde sich sehr gut eignen, Wasserstoff als Energieträger in Gasnetze einzuführen. Vielleicht könnte man eine Kommune als Wasserstoffdorf umstellen. In anderen Pilot-Kommunen wird die Wasserstoffbeimischung zum Erdgas bereits getestet, das nächste Ziel wäre eine reine Wasserstoffversorgung.

    Wie lange könnte es dauern, bis Wasserstoff Erdgas ersetzen wird?

    Es ist ein Transformationsprozess. Man könnte jetzt schätzen: Bis 2030 sind erste kleinere Teilsubstitutionen von Erdgas durch Wasserstoff erfolgt. Es ist aber schwierig zu beantworten. In den nächsten Jahren werden sich wahrscheinlich erste kleinere Projekte entwickeln und dann muss die Wasserstoffinfrastruktur Stück für Stück in der Breite wachsen.

    Dann gibt es noch die großen Industrieverbraucher wie die Stahl- und Glasindustrie, die auf Wasserstoff umstellen wollen. Wenn man das schaffen könnte, wäre es ein Vorzeigebeispiel für weitere Gaskunden. Die Leipziger Stadtwerke bauen derzeit ein neues hochmodernes Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk in Leipzig-Süd. Die Gasturbinen sollen dort später auch mit Wasserstoff betrieben werden können.

    Die Frage heutzutage ist, wann man eine so große Wasserstoffmenge, die für eine Stadt wie Leipzig nötig ist, beziehen kann. Noch haben wir nur kleine Mengen. Wir brauchen aber große Wasserstofferzeugungen. Das liegt wiederum auch am Willen der Bundesregierung, wie schnell man eine Umstellung ermöglichen kann. Weg von der Braunkohle in Leipzig wäre ideal, es fehlt nur noch der Wasserstoff.

    Wie bekommt man mehr Wasserstoff?

    Wir bräuchten deutlich mehr Photovoltaik und Windkraftanalagen sowie Elektrolyseanlagen, die auch den Wasserstoff erzeugen können. Derzeit haben wir erst kleinere Pilotanlagen. Ausgehend von den heutigen Bedarfsszenarien wird Deutschland aber nicht umhinkommen, grünen Wasserstoff zu importieren.

    Gibt es Risiken?

    Technisch ist der Wasserstoff seit über 100 Jahren in der Anwendung, meist als anteiliges Gas. Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde Stadtgas eingesetzt, welches etwa 50 Prozent Wasserstoff enthält. Es gibt bereits Normen und Regelwerke: Man muss prinzipiell nicht alles neu erfinden. Die Anwendung von Wasserstoff ist technisch und sicherheitstechnisch beherrschbar.

    Es geht heute um Fragen wie die der Kunststoffleitungen, also eher um Details. Es geht um Anwendungen in neuen Bereichen, wie Kavernenspeichern, und um andere Dimensionen. Wasserstoffnutzung ist eine Technologie, die weitgehend reif ist. Explosionen sind technisch vermeidbar. Erdgas ist ersetzbar durch Wasserstoff. Wir können auf viele Erfahrungen aus der Erdgastechnologie aufbauen. Es ist nicht so, dass wir Restrisiken haben wie bei der Kernenergienutzung – zumindest nicht bei der Verwendung von grünem Wasserstoff! Aber Wasserstoff wird trotzdem nur eine von mehreren Säulen der Energiewende sein können.

    Dieses Projekt wird gefördert vom Bundesforschungsministerium (BMBF).

    Physiker Dr. Matthias Müller von der TU Freiberg über Metalle, die nicht in Solarzellen gehören

    Die neue „Leipziger Zeitung“ Nr. 83: Zwischen Ich und Wir

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