Grüne Wasserstoffproduktion auf hoher See "Wir müssen weitreichende Schäden durch die Energiewende vermeiden"

Wasserstoff, am besten mit Windkraft auf hoher See erzeugt, gilt als das Zaubergas, mit dem die Industrie grün und der Klimawandel bekämpft werden soll. Ist das realistisch, wo steht hier Deutschland, welche Folgen hat dies für die Meere? Ein Gespräch mit der Top-Wissenschaftlerin Corinna Schrum.
Das Interview führte Lutz Reiche
Industrielle Perspektive: An die Wasserstofferzeugung auf hoher See mit Windkraft (hier Simulation mit einer zentralen H2-Erzeugungsplattform in der Nordsee vor Helgoland) sind große Hoffnungen geknüpft. Die Industrie investiert Milliarden, der Staat fördert die Forschung mit hohen dreistelligen Millionenbeträgen.

Industrielle Perspektive: An die Wasserstofferzeugung auf hoher See mit Windkraft (hier Simulation mit einer zentralen H2-Erzeugungsplattform in der Nordsee vor Helgoland) sind große Hoffnungen geknüpft. Die Industrie investiert Milliarden, der Staat fördert die Forschung mit hohen dreistelligen Millionenbeträgen.

Foto: Jakob Martens / AquaVentus

Frau Schrum, am Persischen Golf warb der Kanzler kürzlich um Flüssigerdgas und intensiv auch für Investitionen in die Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Vor ein paar Wochen vereinbarten die Ostsee-Anrainer , die Offshore-Windleistung bis 2030 um 700 Prozent zu steigern. In der Nordsee soll sie parallel um 400 Prozent steigen. Die Energiekrise treibt die Politik vor sich her. Hat sie das Thema klimaneutraler Energieträger und Energiequellen zu lange schleifen lassen?

Corinna Schrum: Die Politik fördert seit Jahrzehnten die Erforschung neuer Technologien. Ob es viel früher möglich gewesen, stärker in deren praktische Umsetzung einzusteigen und die Rahmenbedingungen für verstärkte Investitionen zu schaffen, kann ich nicht beurteilen. Die Energiewende und Installation großer Offshore-Windparks sind komplexe logistische Prozesse, bei denen neben der Frage der Wirtschaftlichkeit und rechtlichen Rahmenbedingungen auch Fragen der gesellschaftlichen Akzeptanz, der Infrastrukturen und technologischen Möglichkeiten von Produktion und Speicherung sowie Fragen des Naturschutzes zu bedenken sind. In der Abwägung hat man auf einen langsameren Übergang gesetzt, sicher auch um die ökonomischen Belastungen und die Auswirkungen auf den Produktionsstandort geringer zu halten. Der gegenwärtige Konflikt in der Ukraine mit all seinen Konsequenzen für die weitere Nutzung von Gas als Brückentechnologie kam dann für die meisten Europäer unerwartet und diese Pläne wurden zunichtegemacht. Nun stehen wir vor der schwierigen Aufgabe, den Ausbau in sehr kurzer Zeit voranzubringen.

Foto: privat

Professorin Corinna Schrum leitet das Institut für Küstensysteme – Analyse und Modellierung  - am Helmholtz-Zentrum Hereon  in Geesthacht. Die Ozeanografin lehrt unter anderem am Institut für Meereskunde der Universität Hamburg. Ihre Forschungslaufbahn führte sie zuvor an das Geophysikalische Institut der Universität Bergen, wo sie insgesamt 10 Jahre lehrte. Die Top-Wissenschaftlerin pendelt heute noch regelmäßig zwischen Norwegen und Deutschland. Einer ihrer Forschungsschwerpunkte liegt auf Modellen, die das Geschehen an der Küste möglichst umfassend beschreiben und dabei chemische, physikalische, biologische und klimatische Prozesse berücksichtigen.

Ist es letztlich der aktuelle Energiepreisschock, der regenerativen Energiequellen den Weg in Gänze ebnet?

Eines ist offensichtlich: Die aktuelle Krise wirkt im Moment wie ein Katalysator. Wichtig ist jetzt, alle Akteure bis hin zum Verbraucher in den Umbau unserer Energielandschaft einzubeziehen und neben den geeigneten Infrastrukturmaßnahmen auch den Naturschutz und andere Nutzungen mitzudenken und frühzeitig einzubinden. Dafür braucht es entsprechende Planungen, aber auch ein besseres Verständnis der Auswirkungen auf Ökosysteme. Zudem müssen die Rahmenbedingungen optimiert werden, sodass sich ein entsprechendes Investitionsvolumen aufbringen lässt und die Maßnahmen schnell umgesetzt werden können.

Olaf Lies, SPD-Umweltminister aus Niedersachsen, versprach kürzlich: Den rasanten Windkraft-Offshore-Ausbau "werden wir im Einklang mit Umwelt und Natur schaffen" . Für das Ziel von 70 Gigawatt müssten die Leitungskapazitäten massiv ausgebaut, das halbe Wattenmeer umgepflügt werden, befürchtet der BUND. Geht mehr Offshore-Windstrom und mehr Versorgungssicherheit also stets zulasten der Natur - müssen wir diese Gleichung akzeptieren?

Neben den Beeinträchtigungen für die Meeresumwelt, die sich aus der Installation der Windparks und der dazugehörigen Infrastruktur ergeben, hat auch der Betrieb Auswirkungen auf die Meeresumwelt. Jedes Windrad stellt im Meer ein kleines Hindernis dar, das zu komplexen Turbulenzen, Sedimentbewegungen und Strömungsveränderungen in den Windparks führt. Es entstehen kleine künstliche Riffe und zusätzlicher Lebensraum an den Strukturen. Für einige Arten von Seevögeln und Meeressäugern ergeben sich aber auch zusätzliche Gefahren und Beeinträchtigungen. Zusätzlich zu den lokalen Auswirkungen in nächster Nähe der Windenergieanlagen, werden sich aber auch weiträumige Folgen einstellen, die über die Gebiete der Windfarmen weit hinausgehen.

Welche Folgen meinen Sie?

"Das wird Auswirkungen auf das Ökosystem in Nordsee und Ostsee haben"

Der Atmosphäre wird erhebliche Energie entzogen, damit werden sich auch Strömungen und die Vermischung im Wasser großräumig verändern. Das wird Auswirkungen auf das Ökosystem in Nordsee und Ostsee haben. Unsere Erkenntnisse legen nahe, dass sich in der Zukunft die Muster der Planktonproduktion verschieben können, es entstehen negative wie auch positive Änderungen, die Größenordnungen von 10 Prozent und mehr erreichen. Solche Veränderungen können sich in das Ökosystem fortpflanzen und neben Arten- und Bestandsverschiebungen bei Fischen auch Meeressäuger und Seevögel betreffen.

Was bedeutet dies für geschützte Gebiete wie das Wattenmeer?

Große Windparks und notwendige Infrastruktur können sich auf Meeresschutzgebiete auswirken – ob positiv oder negativ, ist allerdings noch unbekannt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eher zu Verschiebungen im Ökosystem kommen wird und nicht zu generellen Abnahmen der Produktivität, also etwa weniger Plankton entsteht.

Das klingt komplexer als man vermutet und wenig kalkulierbar.

Ja, all diese Veränderungen sind komplex und noch nicht vollumfänglich erforscht. Das gilt auch für die Belastungen, die durch den Betriebs- und Versorgungslärm an Offshore-Windanlagen und die ausgestoßenen Schadstoffe entstehen. Dass Veränderungen und Belastungen entstehen, ist aber zu erwarten.

Nochmal nachgehakt: Müssen wir diese Belastungen akzeptieren?

"Wir müssen weitreichende Schäden durch die Energiewende vermeiden"

Wenn wir uns als Gesellschaft für die Offshore-Energieproduktion entscheiden – ja bis zu einem gewissen Maß müssen wir das sicher. So wie wir an Land auch Veränderungen durch Ackerbau, Forstwirtschaft, Besiedelung, Bergbau und Industrie akzeptieren müssen. Wir müssen aber dafür sorgen, dass die Auswirkungen so gering wie möglich sind, ganz ohne wird es jedoch nicht gehen. Wichtig ist auch, dass wir hier, ebenso wie an Land die Folgen abwägen und zu geeigneten Ausgleichs- und Meeresschutzmaßnahmen kommen, um eine nachhaltige Nutzung in Nordsee und Ostsee sicherzustellen. Wir müssen weitreichende Schäden durch die Energiewende vermeiden und dazu die Auswirkungen dieser Technologien zwingend und schnell erforschen.

Sie forschen selbst intensiv an diesen Themen.

Ja, wir beschäftigen uns mit den Auswirkungen der verstärkten Nutzung von Nord- und Ostsee im Zuge eines großen, interdisziplinären Programms der Deutschen Allianz für Meeresforschung , der Forschungsmission SustainMare. Dabei betrachten wir auch die erheblich zunehmende Offshore-Windenergieproduktion. Im Projekt "CoastalFutures" entwickeln wir entsprechende Zukunftsszenarien für den Windenergieausbau und untersuchen die Auswirkungen auf die Meeresökosysteme. Das ist allerdings erst ein Anfang, und viele Fragen sind noch offen.

Mit Ökostrom produzierter Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger , der fossile Energieträger zumindest im Schwerlastverkehr und in der Industrie ersetzen könnte. Da liegt es nahe, grünen Wasserstoff direkt auf hoher See mit Windkraftanlagen herzustellen. Protagonisten der Industrie sagen, bis 2035 ließen sich jährlich allein in der Nordsee vor Helgoland jährlich 1 Million Tonnen grüner Wasserstoff erzeugen? Ist das realistisch?

Wie entsteht Wasserstoff? Wasserstoff (H2 in Gasform) ist das häufigste Element in unserem Universum und hat bezogen auf die Masse eine hohe Energiedichte – 1 KG enthält etwa so viel Energie wie 3 KG Benzin. H2 ist leichter als Luft, farb- und geruchlos, verbrennt emissions- und rückstandsfrei. Wasserstoff existiert auf der Erde nicht in Reinform, sondern nur in Verbindungen. Um H2 zu gewinnen, muss Wasser (H2O) durch den Einsatz von Energie (Elektrolyse) in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Die dafür eingesetzte elektrische Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt und in Wasserstoff gespeichert. Wasserstoff ist also ein Energieträger und keine Energiequelle.

Kommt bei der Elektrolyse Ökostrom zum Einsatz, spricht man von "grünem" Wasserstoff; wird fossiles Erdgas eingesetzt, entsteht mittels Dampfreformierung so genannter "grauer" Wasserstoff, bei dessen Produktion viel CO2 frei wird. Grauer Wasserstoff ist nicht klimaneutral. "Blauer" Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, bei dessen Produktion das CO2 abgeschieden und zum Teil im Erdboden gespeichert wird (CCS, Carbon Capture and Storage) – aber eben nur zum Teil. Von "türkisem" Wasserstoff wiederum spricht man, wenn er über die thermische Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt wird. Statt CO2 entsteht fester Kohlenstoff. Kritiker  bewerten unter Verweis auf wissenschaftliche Forschung  blauen und türkisen Wasserstoff nicht als klimaneutral.

Zur Speicherung und den Transport von Wasserstoffenergie muss H2 wieder gebunden werden, meist mit CO2 oder Stickstoff (N2). Nachteil: Jeder Umwandlungsprozess kostet wieder Energie.

Wo ist der Einsatz von Wasserstoff sinnvoll? Da, wo Elektrifizierung unwirtschaftlich oder prozesstechnisch nur schwer möglich ist, sagen Experten. Sie haben vor allem die Industrie (Kunststoffproduktion, Stahlerzeugung) Teile des Schwerlastverkehrs (Brennstoffzelle, synthetische Kraftstoffe) und des Wärmemarktes (Industriewärme durch Verbrennen von Wasserstoff) als prädestinierte Verbraucher von grünem Wasserstoff ausgemacht, wo bislang vor allem fossile Energieträger zum Einsatz kommen.

Wie teuer ist die Herstellung von grünem Wasserstoff? Die genauen Kosten sind noch unklar, viele Wasserstofftechnologien noch nicht marktreif und die Erzeugung von grünem Wasserstoff bislang teuer. Fossile Energieträger waren lange Zeit günstiger, doch ihr Kostenvorteil schwindet mit der aktuellen Preisexplosion. Klar ist: Grüner Wasserstoff wird umso günstiger, je günstiger sich Ökostrom erzeugen lässt und je effizienter die Wasser-Elektrolyse wird. Weitere Antworten auf die häufigsten Fragen finden sich unter anderem hier  und hier .

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Im Vergleich zur jetzigen deutschen Jahreserzeugung von etwa 400 Millionen Kilogramm Wasserstoff bedeuten eine Million Tonnen grüner Wasserstoff eine Verdopplung. Unser Primärenergiebedarf liegt allerdings gegenwärtig bei 2600 Terawattstunden und wird zu 80 Prozent aus gasförmigen und flüssigen Energieträgern gedeckt. Um diesen nur zur Hälfte aus Wasserstoff zu decken – bei einem Energieinhalt von 33 Kilowattstunden je Kilogramm – müssten wir mindestens 30 Millionen Tonnen Wasserstoff erzeugen. Um die gasförmigen und flüssigen Energieträger vollständig zu ersetzen, müssten sogar mehr als 60 Millionen Tonnen Wasserstoff aus regenerativen Energien erzeugt werden, andere industrielle Nutzungen von Wasserstoff sind da noch nicht mitgerechnet. Eine Million Tonnen grüner Wasserstoff sind deshalb nur ein erster Schritt – aber in die richtige Richtung.

Dabei ist die Produktion von grünem Wasserstoff sehr teuer.

Ja, derzeit ist sie noch viermal so teuer wie die Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Energieträgern. Deshalb ist der Einstieg in die industrielle Produktion auch ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Kostenreduktion von grünem Wasserstoff.

Die derzeit benötigte Energie, um ein Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen, beträgt rund 53 Kilowattstunden Strom. Das bedeutet, dass für die angestrebte Menge grünen Wasserstoffs kontinuierlich 6 Gigawatt vor Helgoland zur Verfügung stehen müssen. Für eine solche Herausforderung müssen Politik, Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten und auch der Rückhalt aus der Bevölkerung muss gewährleistet sein.

Gleich vier Institute des Helmholtz-Zentrums Hereon sind in H2Mare  forschend eingebunden, das Wasserstoffleitprojekt der Bundesregierung. Was spricht aus Ihrer Sicht für die Offshore-Produktion von grünem Wasserstoff?

"Offshore-Produktion von grünem Wasserstoff bietet sich dort an, wo Stromnetzanbindungen schwierig oder besonders teuer sind"

Die Umsetzung neuer Technologien, bei denen die Windenergie nicht als elektrische, sondern als chemische Energie transportiert, gespeichert und genutzt wird, hat das Potenzial, Windenergie unabhängig von Stromnetzkapazitäten zu ernten. Das könnte bedeuten, dass weniger Seekabel benötigt werden, als wenn der Strom direkt an Land geleitet werden müsste. Die Offshore-Produktion von grünem Wasserstoff bietet sich dort an, wo Stromnetzanbindungen schwierig oder besonders teuer sind.

Die Offshore-Wasserstofferzeugung nahe der Windkraftanlagen mit Transport über eine Pipeline ist kostengünstiger als der Transport der elektrischen Energie und der Wasserstofferzeugung an Land. Bei großen Entfernungen zur Küste kann der Eingriff ins Ökosystem Meer durch die Schaffung von Insellösungen reduziert werden.

Sie sprechen die Kosten an: Eine Studie im Auftrag der Industrie hat drei Varianten verglichen . 1. Die Wasserstofferzeugung auf hoher See und den Abtransport mit Pipelines. 2. Den Abtransport alternativ mit Schiffen. 3. Die Wasserstofferzeugung an Land mit Offshore-Windstrom. Mit Blick auf Kosten und Umweltverträglichkeit sieht die Studie Variante 1 klar im Vorteil. Verstehe ich Sie richtig, dass Sie das Ergebnis der Studie teilen?

Im Hinblick auf die Installations- und Betriebskosten scheint mir das zunächst plausibel, aber ich bin hier kein Experte und kann das nicht abschließend beurteilen. Im derzeit laufenden Forschungsprojekt H2Mare untersuchen verschiedene Partnerinstitutionen aber gemeinsam, welche der genannten Optionen logistisch am besten störungsarm funktionieren kann. Zusätzlich zu den logistischen Fragen spielen rechtliche Rahmenbedingungen eine wichtige Rolle. Deshalb ist die Entscheidung für eine der Optionen im Rahmen von H2Mare bisher nicht gefallen. Im Hinblick auf die Umweltverträglichkeit ist das in meinen Augen noch nicht vollständig geklärt.

Foto: BDEW

Wie löst man die Frage der Speicherung und des Transports?

Der Wasserstoff kann, wie zuvor erwähnt, durch Pipelines abtransportiert oder auf See gespeichert werden und dann mit Schiffen abtransportiert werden. Was die Speicherung angeht, wird am Helmholtz-Zentrum Hereon an einem weiteren Institut unter der Leitung von meines Kollegen Professor. Thomas Klassen schon seit Langem an innovativen Lösungen geforscht. Neben der Speicherung in flüssigem Zustand oder als komprimiertes Gas kann Wasserstoff nämlich auch in Metallhydriden gespeichert werden. Diese Methode ist besonders effizient, weil sie sich ohne Kompressoren direkt mit Elektrolyseuren koppeln lässt, und zudem sind diese Speicher sehr kompakt und sicher. Damit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für Speicherung und für den Transport.

Offshore erzeugter Wasserstoff könne das Stromnetz entlasten, erwähnten Sie. Wie muss ich mir das vorstellen?

Wird die Windenergie nicht als elektrische, sondern als chemische Energie in Form von Wasserstoff transportiert, die gespeichert und später genutzt wird, werden unsere Stromnetze drastisch entlastet und auch das Problem der ungleichmäßigen Energieerzeugung durch den Wind verringert sich. Auch die Ansiedelung energieintensiver Industrien in der Nähe der Erzeugung ist eine weitere Möglichkeit. Und es gibt noch einen Vorteil.

Welchen?

Die Kosten für Folgeprodukte der Wasserstofferzeugung wie etwa Ammoniak und Methanol könnten deutlich sinken. Ammoniak und Methanol sind wichtige Ausgangsstoffe in der chemischen Industrie, die gegenwärtig mit erheblichem Einsatz von Primärenergie erzeugt werden. Ihre klimaneutrale Herstellung wäre ein wichtiger Beitrag auf dem Weg zur deutschen Klimaneutralität.

Welche Nachteile der Produktion von grünem Wasserstoff sehen Sie?

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist mit Energieverlusten verbunden, für eine vollständig klimaneutrale Energieproduktion müssten wir die Produktion erneuerbarer Energien also zusätzlich steigern. Zudem wird die industrielle Nutzung des Ökosystems Meer mit der Offshore-Elektrolyse noch einmal deutlich intensiviert. Durch den zusätzlichen Schiffsverkehr oder Pipelines und durch die Elektrolyse auf See entstehen weitere Belastungen für die Meeresumwelt. Die Schadstoffbelastung im Meer, verursacht etwa durch Korrosion und Emissionen, kann zudem steigen. Durch die Elektrolyse entstehen überdies lokal auch erhebliche Mengen an Salzlake. Ob diese bei großräumiger Erzeugung auch großräumige Änderungen im Meer nach sich ziehen, die das Potenzial haben, die Strömungsverhältnisse im Meer und damit auch das Ökosystem weiträumiger zu verändern, wissen wir gegenwärtig noch nicht. Entsprechende Untersuchungen und die Entwicklung von Strategien um die Auswirkungen auf die Meeresumwelt gering zu halten ist Gegenstand aktueller Forschung.

In Kampagnen sieht manches so einfach aus: Eine Offshore-Windkraftanlage, ein Elektrolyseur am Fuße des Windrades und dann den Wasserstoff über Leitungen oder Schiff abtransportieren. So simpel ist es wohl nicht. Was ist die größte Herausforderung bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff auf hoher See?

Die logistischen Anforderungen sind auf hoher See sehr viel größer als an Land. Die Installationen, aber auch der Abtransport müssen zudem bei ausreichend ruhiger See erfolgen. Außerdem wirken viel stärkere Umwelteinflüsse auf die Anlagen ein als an Land, das kann zu zusätzlichen Korrosionsschäden oder mechanischen Schäden führen. Stürme und Extremwellen auf See, die immer wieder auch in den deutschen Küstengewässern vorkommen, haben ein erhebliches Zerstörungspotential und stellen Anforderungen an die zu verwendenden Materialen. Zusätzlich muss das Meerwasser aufbereitet werden, was neue Anforderungen an die verwendeten Membranen in der Elektrolyse stellt.

Die Bundesregierung prognostizierte noch im vergangenen Jahr, dass Deutschland bis 2030 allenfalls 15 Prozent des eigenen Bedarfs an grünem Wasserstoff selbst produzieren könne. Woher könnte der Energieträger dann alternativ kommen, wenn zu wenig Ökostrom zur Verfügung steht?

In Rahmen des Leitprojektes H2Mare wird die Erzeugung von grünem Wasserstoff und Folgeprodukten als Insellösung erforscht. Die Insel – also eine Anlage ohne Anbindung an Leitungsnetze - kann dann auch an anderen Orten betrieben werden. Zum Beispiel offshore außerhalb der deutschen Hoheitsgewässer oder in Gebieten mit hoher Ausbeute an Solarenergie. Alternativen zur eigenen Produktion ist zudem der Import. Daran arbeitet die Politik intensiv, ein Beispiel ist das Wasserstoffabkommen mit Kanada.

Anmerkung der Redaktion: In Antwort neun (unter dem Wasserstoffkasten) hatte sich mit der ursprünglichen Formulierung "400 Millionen Tonnen Wasserstoff" ein Zahlenfehler eingeschlichen. Wir haben das korrigiert.

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