Wärme für Leipzig, Teil 11: Nutzung von Wasserstoff und Biomasse

Eine Herausforderung ist die Herstellung von grünem Wasserstoff (H), die zum aktuellen Zeitpunkt einfach sehr viel Energie kostet. Deshalb sollte nur überschüssiger Wind- oder Solarstrom zur Erzeugung von H genutzt werden. Je nach Technologie für die Herstellung von H gehen 20 bis 40 Prozent der eingesetzten Energie in Form von Strom oder Erdgas dabei verloren. Der Rest ist dann als chemische Energie im Wasserstoff gespeichert.

Um große Mengen H mit einem Lkw oder Schiff zu transportieren, wird der Aggregatzustand des Wasserstoffs von gasförmig in flüssig umgewandelt. Auch dafür muss Energie eingesetzt werden: und zwar rund 30 Prozent – allein dafür. Das heißt, rund 60–70 % (2/3) der aufgewendeten Energie gehen für die Herstellung und den Transport von H verloren.

Vorteile und Nachteile von Wasserstoff

Für die Erzeugung von 1 Liter Wasserstoff werden bei der Elektrolyse derzeit noch 6 bis 10 Liter sauberes Wasser benötigt. Deshalb sollten zur Elektrolyse umfangreiche Wasserquellen vorhanden sein. Aus diesem Wasser muss deionisiertes Wasser hergestellt werden, was destilliertem Wasser sehr nahekommt. Dazu wird wiederum Energie benötigt.

Wasserstoff bietet aber auch viele Vorteile als Energiequelle: Er verbrennt ohne Rückstände, was übrig bleibt, ist Wasser oder Wasserdampf. Dadurch wird das Klima nicht zusätzlich belastet. Und Wasserstoff eignet sich, um Ökostrom zu speichern.

Neben grünem Wasserstoff gibt es noch andere Varianten des farblosen Gases. Durch die Spaltung von Erdgas in Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht grauer, blauer und türkisfarbener Wasserstoff. Das Problem: Das dabei entstehende Kohlendioxid landet ungenutzt in der Atmosphäre. Damit wird der Klimawandel weiter angetrieben. Trotzdem wird aus Erdgas seit Jahrzehnten der Großteil an Wasserstoff gewonnen. Das muss im Rahmen der Energietransformation geändert werden.

„Grundsätzlich gilt aber: Dort, wo Ökostrom direkt genutzt werden kann, ist sein Einsatz sinnvoller als der von Wasserstoff, weil schon viel Energie (2/3) bei der Wasserstoffproduktion verloren geht.“

Aktuell gibt es zwei Standorte in der Region, aber keiner davon befindet sich in Sachsen. Das wären: Nobian in Bitterfeld, wo grüner Strom zu 100 Prozent aus regenerativen Energiequellen zur Verfügung steht. Und es gibt die kürzlich in Betrieb genommene Produktion von ITM Linde im Chemiepark Leuna.

Wasserstoff wird vor allem als Energieträger für industrielle Prozesse und für die Schwerlastmobilität diskutiert und, wenn vorhanden, genutzt. Dort hat er gegenüber elektrischen Alternativen deutliche Vorteile.

Für die dezentrale Wärmeerzeugung in Wohn- und Gewerbegebäuden fehlen dagegen sowohl die notwendige Infrastruktur als auch ausreichende Mengen an grünem Wasserstoff. Aber der wichtigste Punkt dabei ist, dass die erwarteten Kosten für den Einsatz von Wasserstoff im Gebäudebereich deutlich über denen anderer Technologien liegen.

Aus heutiger Sicht wäre das Heizen mit Wasserstoff doppelt bis dreimal so teuer wie mit Wärmepumpen oder erneuerbarer Fernwärme. Auch die rechtlichen Rahmenbedingungen sind unsicher. Unter anderem deshalb ist Wasserstoff in absehbarer Zeit keine ausreichend sinnvolle Option zur Wärmebereitstellung im Rahmen der Wärmeplanung.

Dazu kommt noch, dass die Netzbetreiber nicht garantieren können, dass ein heute noch erdgasbasiertes Netz tatsächlich einmal Wasserstoff transportieren wird. Damit fehlt die Sicherheit für Gebäude-Eigentümer, das sogenannte „H₂-Ready“-Heizungen jemals wirtschaftlich betrieben werden könnten.

Entsprechend Kommunalem Wärmeplan (KWP) für Leipzig ergibt sich daraus ein klares Fazit, „dass der Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für Erdgas – abseits von spezifischen Industrieanwendungen – in der dezentralen Gebäudewärme nicht realistisch ist. Es fehlt an der wirtschaftlichen Tragfähigkeit, an der Infrastruktur und an einer gesicherten Versorgung.“

Die Kosten für H werden noch lange Zeit über denen für erneuerbare Energien liegen.

Nutzung von Biomasse

Bei der Bildung von Biomasse – also dem Wachstum der Pflanzen – wird der Atmosphäre das TreibhausgasCO₂2 entzogen. Später, bei der Verbrennung oder Verrottung der Biomasse, gelangt dieselbe MengeCO₂2 wieder in die Atmosphäre. Die Klimabilanz von Biomasse ist also neutral, allerdings nur so lange, wie die verbrauchte Menge die nachwachsende Menge nicht übersteigt. Bioenergie kann zum Beispiel gewonnen werden:

aus eigens landwirtschaftlich angebauten Pflanzen (z.B. Mais, Getreide und Stroh, Zuckerrübe, Raps, Sonnenblumen, Ölpalmen),

aus schnell wachsenden Gehölzen, die auf landwirtschaftlichen Flächen angebaut werden (sogenannte Kurzumtriebsplantagen) wie Schilf, bestimmte massenhaft wachsende Gräser, Gehölze wie Pappeln uA,
aus Holz aus der Forst- und Plantagenwirtschaft oder aber

aus biogenen Abfall- und Reststoffen aus Land- und Forstwirtschaft wie Gülle, aus Haushalten oder Industrie wie Klärschlamm

Die Rohstoffe können regionaler Herkunft sein oder über globale Handelsströme zu uns gelangen. Dieser volumenreiche Transport verursacht wiederum Treibhausgasemissionen. Aus Holz und anderen biogenen Festbrennstoffen lässt sich nicht nur Wärme gewinnen, sondern auch Strom. Ein Verfahren zur Nutzung ist: Verbrennung.

Mit der Hitze, die bei der Verbrennung entsteht, wird Dampf erzeugt. Dieser Dampf treibt dann eine Turbine oder einen Motor an. Wird die verbleibende Wärme zur Beheizung verwendet, zum Beispiel von Gebäuden oder betrieblichen Trocknungsprozessen, spricht man von Heizkraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplung. Weitere Wärmenutzung erfolgt durch Verbrennung in Öfen, Kaminen, in Pellets- oder Hackschnitzelheizungen.

Die andere Variante zur Nutzung ist: Zersetzung. Nicht jede Art der Biomasse eignet sich für die Verbrennung. Mais- und Getreidepflanzen, Gülle, Klärschlamm oder Bioabfall setzen Energie durch Vergärung frei. Bei der Zersetzung der organischen Materie durch spezielle Methanbakterien entsteht brennbares Biogas, das zur Stromerzeugung oder als Kraftstoff verwendet werden kann.

Genutzt wird das Verfahren insbesondere in ländlichen Regionen in Biogasanlagen, die damit ein Nahwärmenetz betreiben oder bei der Nutzung der Abwärme von Abwasserkläranlagen.

Anbaubiomasse – zu wertvoll zum Verbrennen

Für die Erzeugung von Biomasse besteht eine gravierende Flächenkonkurrenz, denn die begrenzt verfügbaren landwirtschaftlichen Flächen werden dringend benötigt:

– zur Herstellung von Nahrungsmitteln für die Menschen und zur Erzeugung von Futtermitteln für die Tierhaltung,

– die vorhandenen Flächen werden benötigt für Gebäude, Betriebe, Industrieanlagen, bauliche Anlagen, Verkehrsanlagen jeder Art, 

– für Lagerflächen, Parkplätze, Sportanlagen und militärisches Gelände,

– für Wiesen, Weiden, Wälder, Parkanlagen und Naturschutzgebiete, für Kurzumtriebsplantagen,
zur Rohstoffgewinnung in Tagebauen und Kies- oder Erzgruben,

– zur Energieerzeugung durch PV- und Windkraftanlagen usw.

Jährlich gehen weltweitn große Flächen durch Wassermangel, Bodenabtrag, Winderosion, Versalzung oder menschliche Bebauung verloren. Laut Statistischem Jahrbuch der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) ist die Agrarfläche des Planeten zwischen 2000 und 2022 um insgesamt 91 Millionen Hektar geschrumpft. Somit entspricht der Verlust etwa dem 2,5‑Fachen der Fläche Deutschlands. Gleichzeitig ging die Waldfläche um 109 Millionen Hektar zurück.

Grundsätzlich konkurriert die energetische Nutzung von Biomasse mit den vielen anderen Verwendungsmöglichkeiten. Vornehmlich eigens auf fruchtbaren Ackerflächen angebaute „Energiepflanzen“ stehen in direkter Konkurrenz zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion, aber auch zu einer stofflichen Nutzung, zum Beispiel für biobasierte Kunststoffe oder Chemikalien.

Um das Wachsen der Biomasse zu gewährleisten, wird Dünger benötigt, werden Pestizide und Vernichtungsmitttel gegen Unkräuter, Insekten und Kleinlebewesen eingesetzt, die Böden müssen mit energieintensiver Technik bearbeitet und bewässert werden, die Biomasse muss transportiert werden.

Leider alles keine nachhaltigen Verfahren, weswegen die Erzeugung von Biomasse zur Verbrennung nur dann sinnvoll ist, wenn keine Alternative zur Verfügung steht.

In ländlichen und suburbanen Gebieten besteht durch Biomasse, unter Einsatz moderner, emissionsarmer Feuerungstechnik, ein technisches Potenzial, das zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung beitragen kann. Hierzu zählen die landwirtschaftlichen Biogasanlagen, aber auch Pellet- und Hackschnitzelanlagen, deren Emissionen durch technische Maßnahmen zur Luftreinhaltung wie Staubabscheider oder Katalysatoren deutlich reduziert werden können.

In den städtischen Gebieten hingegen, die schon durch Verkehr und Industrie hoher Vorbelastung durch Feinstaub und Stickoxide ausgesetzt sind, ist die zusätzliche Installation von Biomasseanlagen aus immissionsschutzrechtlichen Gründen kaum vertretbar. Ausschlusskriterien für Biomasseanlagen in verdichteten städtischen Gebieten sind zudem der Platzbedarf für Brennstofflager, der zusätzliche Transportaufwand für die Biomasse und die technischen Anforderungen zur Luftreinhaltung sowie der erforderlichen Schornsteinhöhen.

Biomasseanlagen können lediglich in Ausnahmefällen eine Rolle spielen, etwa bei Ersatzlösungen für bestehende Festbrennstoffanlagen, sofern die emissionsseitigen Rahmenbedingungen eingehalten werden.