Emissionsarmer Wasserstoff aus Erdgas

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Da Strom aus erneuerbaren Energiequellen kurz- bis mittelfristig nicht genügen wird, um eine direkte Elektrifizierung der energieintensiven Industriesektoren vorzunehmen oder dies prozesstechnisch nicht möglich ist (z. B. für Hochtemperaturwärme) muss die Anwendung von klimaneutralem Wasserstoff auf diese Sektoren priorisiert werden. Zudem muss ebenfalls emissionsarmer Wasserstoff aus Erdgas in Kombination mit Carbon Capture and Storage (CCS) eingesetzt werden, um zeitnahe Emissionsreduktionen in der Industrie herbeizuführen.

Heute basieren 95 Prozent der globalen Wasserstoffproduktion auf fossilen Energieträgern.

Das herkömmliche Verfahren zur Wasserstoffherstellung ist die Dampfreformierung von Erdgas (Steam methane reforming, SMR). Der so erzeugte Wasserstoff hat eine durchschnittliche Kohlenstoffintensität von 328 Gramm CO2 pro Kilowattstunde und wird allgemein als „grauer Wasserstoff“ bezeichnet. Er ist damit wesentlich emissionsintensiver als Erdgas, aus dem er hergestellt wird. Zum Vergleich: Die Emissionsintensität von Erdgas ist 202 Gramm CO2 pro Kilowattstunde.

Die Emissionen aus diesem Prozess können durch die Abscheidung und dauerhafte Speicherung des CO2 aus dem SMR-Prozess reduziert werden. Während des SMR-Prozesses reagiert Hochdruckdampf (H2O) mit Erdgas (CH4) und erzeugt Wasserstoff (H2) und CO2. Bei der konventionellen Wasserstoffherstellung wird das CO2 normalerweise entlüftet, kann aber abgeschieden und zu offshore Lagerstätten transportiert und permanent geologisch gespeichert werden. Je nach Anlagentyp und Prozessführung können 71 – 92 Prozent des während des SMR-Prozesses entstehenden CO2 abgeschieden und gespeichert werden, wodurch die Emissionen aus der Wasserstoffproduktion gesenkt werden. Weiter können die entstehenden CO2-Emissionen durch die Verwendung von erneuerbarem Strom zum Betrieb der CO2-Abscheidungsanlage gesenkt werden.

Den unter Verwendung von CO2-Abscheidung erzeugten Wasserstoff nennt man im Allgemeinen „blauer Wasserstoff“.

Eine neuere Art der Methanreformierung, die für die emissionsfreie Wasserstoffproduktion besser geeignet ist, ist die autothermische Reformierung von Erdgas (ATR). Sie ist gekennzeichnet durch einen insgesamt geringeren Energieverbrauch und eine hohe CO2-Abscheidung, (94,1 bis 95 Prozent).

Emissionsarmer Wasserstoff aus Erdgas

Der Wasserstoff kann auch durch Erhitzen des Erdgases in Abwesenheit von Sauerstoff in einem Prozess namens Pyrolyse hergestellt werden. Dabei zerfällt Erdgas zu Wasserstoff und einem feinen Kohlenstoffpulver (Carbon Black), ohne dass CO2 entsteht. Das Carbon Black Pulver kann, von Druckertinte bis Asphalt, in einer Reihe verschiedener Produkte verwendet werden. Eine besonders hochwertige Anwendung wäre die Herstellung von Karbonfasern, die in hoch-festen Werkstoffen verwendet werden. So könnte zum Beispiel Stahl im Stahlbeton durch Karbonfasern ersetzt werden. Wenn der entstehende Kohlenstoff nicht weiterverarbeitet wird, kann er als Feststoff deponiert werden. Somit würde auch hier eine permanente Speicherung erfolgen und kein CO2 entweicht in die Atmosphäre.

 

Wird Gas mit geringen vorgelagerten Emissionen verwendet und der größte Teil des CO2 abgeschieden und gespeichert, ist der durch Methanreformierung erzeugte Wasserstoff emissionsarm.

Die Umwandlung von Erdgas in Wasserstoff kann nur dann als emissionsarm angesehen werden, wenn

  • ein sehr hoher Anteil des CO2 abgeschieden und gespeichert wird,
  • die Emissionen aus der Erdgasproduktion gering sind
  • und die dabei entstehenden Erdgasverluste (Leckagen) gering sind.

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann Wasserstoff aus SMR zusammen mit Carbon Capture and Storage (CCS) ein emissionsarmer Energieträger und damit ein Instrument zur Emissionsreduzierung in einigen jetzt noch umweltschädlichen Industriebranchen sein. Durch Umstellung auf klimaneutrale wasserstoff-basierte Prozesse wird der Bedarf an Wasserstoff stark steigen. Deshalb ist davon auszugehen, dass die Nachrüstung alter SMR-Anlagen mit CCS nur einen kleinen Teil des neuen Bedarfs decken wird. Es ist von neuen hocheffizienten ATR- oder Pyrolyse-Kapazitäten auszugehen, die eine geringere Gesamt-CO2-Menge produzieren und besonders hohe Abscheideraten haben, bzw. bei deren Betrieb CO2 gar nicht erst entsteht.

Was jedoch in jedem Fall wichtig bleibt, ist die Senkung der vorgelagerten Emissionen der Erdgasversorgungskette. Um erhöhte Lebenszyklusemissionen zu vermeiden, sollten Fracking- und Schiefergasbetriebe sowie Gassysteme mit einer hohen Leckagenrate von der Wasserstoff-Produktion ausgeschlossen werden.

Emissionsarmer Wasserstoff aus Erdgas leistet einen wichtigen Beitrag zur Senkung von Emissionen in energieintensiven Industrien. Er ist schneller in größerer Menge verfügbar als emissionsarmer Wasserstoff aus Elektrolyse. Somit sinken die Emissionen aus den emissionsintensiven Industrieprozessen schneller. Ein weiterer Vorteil dieser Verfahren ist deren kontinuierlicher Betrieb. Es kann ein Vorteil sein, denn ein kontinuierlicher Wasserstoff-Strom kann ggf. besser in eine ebenfalls kontinuierlich arbeitende Industrieanlage eingekoppelt werden, als ein Elektrolyse-Wasserstoff, deren Menge ebenso wie die Menge an erneuerbarem Strom Fluktuationen aufzeigen würde. Des Weiteren trägt die Verwendung emissionsarmen Wasserstoffs aus Erdgas zum Aufbau der notwendigen Wasserstoff-Infrastruktur bei.

Infrastruktur

Strom-, Wasserstoff- und CO2-Infrastruktur müssen zusammen gedacht werden. Sie stehen miteinander in Wechselwirkung und werden alle drei gebraucht, um die Versorgung mit emissionsarmem Wasserstoff sicherzustellen und eine klimaneutrale Industrie zu ermöglichen. Internationale Zusammenarbeit bewirkt eine Senkung der Kosten und erleichtert die Errichtung der Wasserstoff-Infrastruktur und der Strom-Infrastruktur in benötigtem Ausmaß. Mit Fokus auf direkte Elektrifizierung wo immer möglich und Wasserstoffausbau wo immer nötig, wird die stärkste Emissionssenkung erreicht.

Wasserstoff kann in unterirdischen Speichern oder in Tanks aufbewahrt werden. Für Entfernungen unter 1500 km ist es am preiswertesten, H2 per Pipeline zu transportieren. Für größere Distanzen wird der Transport per Schiff über Wasserwege immer günstiger.

Bellona fordert:

  • Bei der Umsetzung der Wasserstoffstrategie müssen die Potentiale des emissionsarmen Wasserstoffs aus Erdgas genutzt werden, um schneller größere Emissionsminderungen in der Industrie zu bewirken.
  • Die Bundesregierung muss schnellstmöglich die regulatorischen Rahmenbedingungen für den Aufbau einer Wasserstoff- und CO2-Infrastruktur als Teil eines Gesamtsystems aus Stromnetz-, Wasserstoff- und CO2-Infrastruktur schaffen. Dabei muss von stark wachsenden Wasserstoffbedarfen für eine klimaneutrale Industrie ausgegangen werden.
  • Erdgas mit hohen Vorketten-Emissionen, wie zum Beispiel Erdgas aus Fracking, muss von der Wasserstoff-Produktion ausgeschlossen werden.