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Das Setzen auf den neuen Energieträger der Zukunft


Die Wasserstoff-Energiewirtschaft wird – ist man sich in der EU sicher – an die Stelle der traditionellen Bodenschätze Erdöl und Erdgas treten. Gemäß der Anfang vergangenen Juli vorgestellten Strategie der Europäischen Kommission soll bis zum Jahr 2030 der Wasserstoff als Brennstoff zum integralen Teil des Energiesystems der Europäischen Union werden. In den nächsten vier Jahren soll in der EU der Bau von Elektrolyse-Anlagen gewährleistet werden, die erlauben werden, die Erzeugung von bis zu einer Million Tonnen erneuerbaren Wasserstoffs zu starten. In der Perspektive ist geplant, den Wasserstoff in den Sektoren einzusetzen, die schwer vom Prozess der Dekarbonisierung erfasst werden, zum Beispiel in der Schwerindustrie und im Transportwesen.

Auf der Suche nach neuen Elementen der Zusammenarbeit

Verstehen Russland und Deutschland unter diesen Bedingungen die bisherige Zusammenarbeit beider Länder auf die neuen Energieträger und Technologien umzuorientieren? Dies war die Hauptfrage einer der Diskussionsplattformen des Deutsch-Russischen Rohstoffforums, das im Format einer Videokonferenz am 29. April stattfand. Das Forum wirkt seit dem Jahr 2006 als eine Möglichkeit für Begegnungen zwischen Importeuren aus Deutschland und Rohstoffexporteuren aus Russland und bringt alljährlich – obgleich in der letzten Zeit nur im Online-Regime – die Schlüsselakteure des Marktes und recht einflussreiche Politiker zusammen.

Beim diesjährigen Treffen berichteten die Redner von der deutschen Seite darüber, dass die Bundesrepublik bereits begonnen habe, ihre „Nationale Wasserstoff-Strategie“ umzusetzen, und die Europäische Union – den „Green Deal“, die zusammen einen Übergang zu erneuerbaren Energiequellen, die Reduzierung der Emissionen an Treibhausgasen und das Erreichen einer Klima-Neutralität bis zum Jahr 2050 vorsehen. Darüber informierte die Deutsche Welle.

Bei dem Forum gab es keinen Mangel an Erklärungen über Russlands Möglichkeiten bei der Anbahnung einer Wasserstoff-Zusammenarbeit mit Deutschland.

Deutschland sehe seinen russischen „Nachbarn“ (beide Länder haben keine gemeinsame Grenze, doch gleich mehrere Teilnehmer sprachen über beide Länder wie über „Nachbarn“) mit dessen gewaltigen Potenzial als einen wichtigen Partner bei der Realisierung des „grünen Deals“, erklärte der deutsche Bundesminister für Wirtschaft und Energie Peter Altmaier. Altmaier unterstützte auch ein anderes Mitglied des Ministerkabinetts, der Bundesminister für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung Gerd Müller. „Die globale Klimawende schaffen wir nur gemeinsam“, sagte Müller, wobei er anmerkte, dass sich die ökologischen Probleme der Arktis und das Auftauen der Permafrostböden auch auf Deutschland auswirken würden.

Optimismus hinsichtlich dessen, dass Deutschland und Russland als Partner den Übergang zur neuen Ära der Wasserstoffenergetik bewältigen würden, bekundeten die meisten der Teilnehmer einschließlich des per Videokonferenzschaltung auftretenden russischen Energieministers Alexander Nowak (wie auch alle anderen so auftretenden Redner). Dieser Tage waren in der Presse Informationen über den Entwurf einer Konzeption zur Entwicklung der Wasserstoff-Energetik aufgetaucht, wonach das Energieministerium der Russischen Föderation plane, bis zum Jahr 2050 bis zu 100 Milliarden Dollar durch den Export von reinem oder – wie man in Deutschland inzwischen sagt: von „grünem“ Wasserstoff zu verdienen.

Nowak wie auch der sich zum Forum zugeschaltete russische Minister für Industrie und Handel, Denis Manturow, versicherten, dass sich Russland auf die Klimaveränderungen vorbereite und „in vollem Maße“ seine Industrie mit dem Ziel modernisiere, sie umweltfreundlicher zu machen. „Wir haben sehr ambitionierte Ziele“, versicherte Manturow, aber es sei vorerst nur schwierig, eine Prognose für die Nachfrage zu erstellen. Russland beabsichtige aber seinen Worten zufolge, zu einem der weltweit führenden Wasserstoffexporteure zu werden.

Die Forumsteilnehmer hielten sich insgesamt an das Zukunftsbild, das durch den Wirtschafts- und Energieminister Altmaier skizziert worden war: Demnach werde Gas seine Bedeutung in den nächsten Jahren als Brennstoff der Übergangsperiode bewahren, aber am Ende des Gas-„Übergangs“ würden Deutschland und Russland erneuerbare Energiequellen und „grüner“ Wasserstoff erwarten.

Der Wasserstoff in den Plänen der EU

Die Seriosität des Herangehens von Europa an die Ernennung des „grünen“ Wasserstoffs zum hauptsächlichen Energieträger des Kontinents in der Zukunft belegt die Ende April unterzeichnete Absichtserklärung hinsichtlich der Errichtung der speziellen Wasserstoffleitung „AquaDuctus“. Das Dokument unterschrieben solche bekannten deutschen Firmen wie Gasunie und RWE sowie der anglo-niederländische Konzern Shell. Gemäß dem Wortlaut des Memorandums zur Wasserstoff-Pipeline sollen beginnend ab dem Jahr 2035 bis zu einer Million Tonnen „grünen“ Wasserstoffs durch die Nordsee von Offshore-Windparks unweit der Insel Helgoland bis zum Festland transportiert werden. Diese Wasserstoffleitung wird als ein bedeutender Beitrag zur Dekarbonisierung des Kontinents angesehen. Für die Gewinnung des Wasserstoffs sollen Elektrolyse-Anlagen mit einer Leistung von 10 Gigawatt errichtet werden. Mit deren Hilfe sollen erhebliche Mengen an Meereswasser gereinigt und einer Elektrolyse unterzogen werden. Natürlich ist die Wasserstoffleitung in bestimmter Hinsicht vorteilhafter als der Bau von Hochspannungsleitungen für die Stromübertragung von den Offshore-Windparks zum Festland. Eine solche Pipeline werde fünf Gleichstrom-Leitungen ersetzen. Wenn die Stromübertragung über eine Entfernung von mehr als 400 Kilometern erfolgt, so ist die Wasserstoffleitung vorteilhafter. Es gibt da aber einen Vorbehalt.

Laut Angaben des deutschen Energie-Portals https://www.tga-fachplaner.de würden für die Erzeugung von einem Kilogramm Wasserstoff durch Elektrolyse über 22 Kilogramm ungereinigten Wassers gebraucht. Ist dies viel oder wenig? Im vergangenen Jahr erreichte das Gasverbrauch in Deutschland umgerechnet 939 Milliarden kWh. Wenn man diese Gasmenge durch Wasserstoff ersetzt, so werden für dessen Erzeugung 214,6 Millionen Kubikmeter Wasser gebraucht. Dies sind etwa 24.500 Kubikmeter in der Stunde. Solch eine Wassermenge entspricht dem stündlichen Wasserverbrauch von 4,7 Millionen Menschen. Anders gesagt: Dies ist Berlin mit den Vororten. Dabei muss man berücksichtigen, dass der Gasverbrauch im Jahr 2020 aufgrund der Coronavirus-Pandemie zurückgegangen war.

Gegenwärtig kann Wasserstoff vom Herstellungspreis her nicht mit den traditionellen Energieträgern konkurrieren, in der Perspektive aber, in 15 bis 30 Jahren werde nach Meinung von Experten der Wasserstoff sie unweigerlich zwingen, Platz zu machen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt liege laut Angaben von „Gazprom“ der weltweite Verbrauch von Wasserstoff bei rund 70 Millionen Tonnen im Jahr. Der Hauptrohstoff für seine Erzeugung ist Erdgas. 76 Prozent des Wasserstoffs in der Welt wird aus Erdgas gewonnen, dessen Verbrauch für diese Ziele 205 Milliarden Kubikmeter im Jahr ausmacht. Derzeit ist die Methode, die am aktivsten zur Gewinnung von Wasserstoff angewandt wird, die Dampfkonversion bzw. -reformierung von Methan (steam methane reforming – SMR). Dies ist eine Technologie für die Gewinnung von Wasserstoff in Erdölverarbeitungsbetrieben bei der Erzeugung von Ammoniak und Methanol. Es muss gesagt werden, dass Forscher aus dem Technologischen Institut Karlsruhe ein Verfahren zur Methan-Pyrolyse in Hochtemperaturreaktoren entwickelt haben und zusammen mit Spezialisten von Wintershall Dea dieses für einen industriellen Einsatz vorbereiten. Bei der Pyrolyse wird das Methan in gasförmigen Wasserstoff und festen Kohlenstoff ohne eine CO2-Emission zerlegt. Der feste Kohlenstoff kann gespeichert und in anderen Branchen genutzt werden.

Das britische Unternehmen HiiROC aus dem englischen Hull befasst sich mit der Entwicklung einer Technologie zur Methan-Pyrolyse. Daher investieren die Wintershall Dea Technology Ventures GmbH, ein Tochterunternehmen der Wintershall Dea GmbH, und die VNG Innovation GmbH, eine Tochter der in Leipzig ansässigen VNG AG, Gelder in die Technologie der britischen Firma.

Laut Angaben von „Gazprom“ befasst sich der Konzern derzeit aktiv mit der Suche nach akzeptablen Technologien für eine Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas. Dazu gehören das Methan-Cracking in den Schmelzen flüssiger Metalle, die plasmachemische Konversion von Erdgas und die Pyrolyse sowie die Gewinnung von Wasserstoff aus Schwefelwasserstoff (Schwefelwasserstoff-Konversion und plasmachemische Konversion).

Unter Berücksichtigung der Perspektiven für die Wasserstoff-Energetik macht es für Russland als ein potenziell großer Akteur auf diesem Markt Sinn, sich bereits Gedanken über die Entwicklung der erforderlichen Technologien zu machen, um sich in die sich verändernde energiewirtschaftliche Landschaft seines größten Gas-Käufers zu integrieren.

Der Transport von Wasserstoff

Die Hauptfrage wird dabei mit dem Transport des Wasserstoffs zusammenhängen. Es muss betont werden, dass gerade die Speicherung und der Transport die Hauptprobleme für die Wasserstoff-Energetik sind. In der Regel wird Wasserstoff in einem verflüssigten, absorbierten oder verdichteten gasförmigen Zustand gespeichert. Die Hauptprobleme, die eine Lösung bei der Entwicklung von Technologien zur Wasserstoff-Speicherung verlangen, haben mit der Gewährleistung ihrer Rentabilität und Sicherheit zu tun, was direkt mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Wasserstoffs zusammenhängt.

Als die perspektivreichste Methode wird die Speicherung von Wasserstoff in einem absorbierten Zustand angesehen. Die meisten Materialien erlauben, nicht mehr als sieben bis acht Prozent an Wasserstoff im Masseanteil zu absorbieren. Erfolg bei der Entwicklung von Absorptionsmittel haben Adam B. Phillips und Bellave S. Shivaram erzielt. Sie haben den Prozess einer Synthese eines Verbundstoffes auf der Grundlage von metallischem Titan beschrieben, der die Fähigkeit besitzt, bis zu 12,4 Prozent an Wasserstoff (im Masseanteil) zu absorbieren.

Ein computergestütztes Modellieren demonstrierte die Möglichkeit einer Speicherung von Wasserstoff in Buckyballs (in clusterförmigen Kohlenstoff-Strukturen). Buckyballs sind Vertreter von Fullerenen. Eine recht ungewöhnliche, dabei aber recht kostengünstige Methode zur Speicherung von Wasserstoff unter Verwendung karbonisierter Fasern von Hühnerfedern. Der Transport erfolgt in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand. Das Problem des Transports in flüssiger Form hängt damit zusammen, dass Wasserstoff in flüssiger Form ausschließlich bei einer Temperatur von minus 252 bis minus 259 °C existiert. Das verdichtete Gas muss in speziellen Behältern mit einer entsprechenden Markierung gespeichert und transportiert werden. Daher löst die Organisierung des Transports durch Pipelines besonderes Interesse aus.

Gegenwärtig haben, wie die Deutsche Welle betont, elf große Unternehmen Europas, die über eine Infrastruktur für den Transport und die Speicherung von Gas verfügen, bereits ihre Pläne für die Wasserstoff-Zukunft erstellt, wonach bis zum Jahr 2040 die Länge der Wasserstoff-Pipelines 23.000 Kilometer erreichen werde. Und 75 Prozent von ihnen würden aus umgerüsteten Gaspipelines bestehen. Geplant ist unter anderem, für den Transport von Wasserstoff auch die Pipeline umzurüsten, die eine Fortsetzung der Ostsee-Routen für die Gaslieferungen aus Russland – „Nord Stream“ und die sich noch im Bau befindliche „Nord Stream 2“ – ist. Dabei werden letztere als „potenzielle zusätzliche Routen“ für Lieferungen angesehen. Nach Aussagen von Analytikern erlaube die (vorhandene) Infrastruktur an Gaspipelines derzeit ein Beimischen von bis zu 10 bis 20 Prozent Wasserstoff zum zu transportierenden Erdgas (Methan) ohne eine ernsthafte Modernisierung. „Unter Berücksichtigung der Klima-Tagesordnung der EU, insbesondere der jüngst verabschiedeten Wasserstoff-Strategie, die einen Import von Wasserstoff aus Nachbarländern vorsieht, prüft die Betreibergesellschaft genauso wie auch „Gazprom“ ernsthaft die Frage nach einem Durchpumpen eines Gas-Wasserstoff-Gemischs. Zumal „Nord Stream 2“ beispielsweise im Unterschied zum vorhandenen Gaspipeline-System der Ukraine dafür die technischen Möglichkeiten haben wird“, betont Maria Belowa, Forschungsdirektorin von Vygon Consulting. Überdies werde die Lieferung von Wasserstoff erlauben, fügt sie hinzu, die Frage nach einer Lockerung der Bedingungen hinsichtlich der gegenwärtigen Beschränkung für ein Reservieren von 50 Prozent der Kapazität von „Nord Stream 2“ aufzuwerfen.

In einem Beitrag von Nikita Golunow, Michail Lurjé und I. Musailow (alles Mitarbeiter der Moskauer staatlichen Gubkin-Universität für Erdöl und Gas – Anmerkung der Redaktion) in der Zeitschrift „Territoriya Neftyegaz“ (deutsch „Öl- und Gas-Territorium“), der dem Transport von Wasserstoff gewidmet ist, wird eine Variante zur Lösung der Aufgabe des Transports erheblicher Mengen von Wasserstoff in Form von sogenannten Methan-Wasserstoff-Gemische, d. h. von Erdgas mit einem bestimmten Anteil an Wasserstoff durch vorhandene und zu projektierende Ferngasleitungen vorgestellt. Die Lösung dieser Aufgabe ist eine bedeutsame Etappe auf dem Weg zur Gestaltung der perspektivreichen Wasserstoff-Energetik, die auf dem Einsatz von Wasserstoff als Energieträger basiert. Methan-Wasserstoff-Gemische können durch eine Injektion (Beimischung) reinen Wasserstoffs in das Erdgas gewonnen werde. Der reine Wasserstoff wird dabei durch die Hydrolyse von Wasser oder die Pyrolyse von Methan gewonnen und dann in einem Umfang von 10 bis 25 Prozent dem zu transportierenden Erdgas beigemischt. Untersucht wurde der Einfluss des anzuwendende Volumenanteils des reinen Wasserstoffs am Methan-Wasserstoff-Gemisch auf die gasdynamischen Parameter der Gastransportfernleitung, insbesondere auf den Druck und den Gasverbrauch in der Gaspipeline. Dargelegt wurde eine Theorie zur Berechnung der Bewegung des Methan-Wasserstoff-Gemischs in den Gaspipelines, darunter mit einem großen Höhengefälle, mit hohen (10 bis 15 MPa) und überhohen (15 bis 25 MPa) Drücken, die die Fraktionszusammensetzung des zu transportierenden Gemischs berücksichtigt. Als Beispiel wurde der Unterwasserteil einer Ferngasleitung vom Typ „Nord Stream“, die auf dem Grund der Ostsee verläuft, behandelt. Es wurde gezeigt, dass der Wasserstoff, der dem Erdgas in den Grenzen der ausgewiesenen Konzentrationen hinzugefügt wurde, den Druck und die Durchlassfähigkeit der Gaspipeline unerheblich verändert, was ein gewichtiges Argument zugunsten der Möglichkeit eines Transports von Wasserstoff durch das existierende Gaspipeline-System ist. Der Preis solch eines Transports ist weitaus kostengünstigerer als der für den Transport von reinem Wasserstoff.

Möglicherweise besteht gerade darin die Lösung des Problems von „Nord Stream 2“. Folgendes sagte dazu beim stattgefundenen deutsch-russischen Rohstoff-Forum der Chef von Uniper Klaus-Dieter Maubach auf die Frage danach, wie er die Partnerschaftsbeziehungen mit Russland in zehn Jahren sehe. Er erklärte, dass „wir nicht nur Gas exportieren werden, sondern auch Wasserstoff. Und schon keiner wird über die Gaspipeline „Nord Stream 2“ streiten, denn sie wird zu einem Teil der allgemein anerkannten Energie-Infrastruktur“. In diesem Zusammenhang verdient das Positionspapier von Wintershall Dea Beachtung, das im Mai 2019 vorgelegt wurde und der Rolle des Wasserstoffs im Rahmen der Energiewende gewidmet ist. Darin wird unter anderem vorgeschlagen, keinen Unterschied zwischen den Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff zu machen (heutzutage sind solche Hauptarten wie „grüner“, „blauer“ und „grauer“ Wasserstoff bekannt) und in gleicher Weise an sie heranzugehen. Somit wird in den Thesen dieses Positionspapiers offeriert, keinen Unterschied zwischen dem Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, und dem, der aus Erdgas erzeugt wird, zu machen.