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CO2-neutrale Gase als Energieträger der Zukunft

Grüner Wasserstoff, synthetisches Methan und blauer Wasserstoff sind als CO2-neutrale Gase Energieträger der Zukunft. Durch ihren Einsatz kann es gelingen, die Treibhausgasemissionen in den Sektoren Gebäude, Verkehr und Industrie volkswirtschaftlich effizient zu senken. Damit kommt diesen „grünen“ Gasen eine wichtige Rolle bei der Erfüllung der Klimaschutzziele zu. 

Sowohl Wasserstoff als auch synthetisches Methan werden entscheidende Bausteine der Energiewende sein und eine wichtige Rolle im Energiemix der Zukunft einnehmen. Wasserstoff dient dabei als sauberer Energieträger z.B. für die Brennstoffzellentechnologie. Diese könnte ihre Anwendung zukünftig etwa bei Lokomotiven, die derzeit in Deutschland noch zu rund 40 Prozent mit Diesel betrieben werden, finden. Und sie bieten neben Gasautos eine sinnvolle Ergänzung zu Elektroautos im Straßenverkehr, insbesondere zur Bewältigung langer Strecken und schwerer Lasten. Das produzierte Methan kann als Surrogat für Erdgas eingesetzt werden und dieses Zug um Zug vergrünen, also Gas langfristig zu einem klimaneutralen Energieträger machen.

Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff ist ein erneuerbares Gas und wird mittels Elektrolyse in so genannten Power-to-Gas-Anlagen hergestellt. Dazu wird Wasser mit elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Stammt die elektrische Energie weit überwiegend aus erneuerbaren Energien, wird der Wasserstoff gemäß § 3 Nr. 10c EnWG als grün bezeichnet. Da bei dem Umwandlungsverfahren kein CO2 entsteht, beträgt der Emissionsfaktor von grünem Wasserstoff 0 g CO2/kWh. Aktuell existieren drei verschiedene Varianten des Elektrolyseverfahrens, die einen unterschiedlichen technischen Reifegrad aufweisen. Dabei handelt es sich um die alkalische Elektrolyse, die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse. Bislang sind vor allem die alkalische Elektrolyse und die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse als Niedrigtemperaturelektrolysen gut etabliert und werden kommerziell eingesetzt. Die alkalische Elektrolyse ist dabei die ausgereiftere Technologie, welche schon seit Jahren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. Die Hochtemperaturelektrolyse befindet sich noch in der Entwicklungsphase.

Die Gasinfrastruktur und zahlreiche Endanwendungen insbesondere im Wärmemarkt sind bereits heute bis zu einem Anteil von 10 Volumenprozent „H2-ready“ (DVGW G 260/ G262). Zukünftig sollen 20 Volumenprozent Wasserstoffeinspeisung ermöglicht werden. Der DVGW schätzt, dass in den nächsten Jahren eine Toleranz von 50 Volumenprozent erneuerbarem bzw. dekarbonisiertem Wasserstoff möglich sein wird. Es gibt jedoch noch Restriktionen insbesondere im Bereich der Industrie, aber auch im Verkehrssektor oder beim Einsatz in Gasturbinen.

Synthetisches Methan

Der mittels Power-to-Gas-Anlagen (Elektrolyseure) erzeugte Wasserstoff kann in einem zusätzlichen Schritt unter Zuführung von Kohlendioxid in synthetisches Methan umgewandelt werden (Sabatier-Prozess). Als CO2-Quelle kann Biogas dienen, andere Quellen können industrielle Prozesse und Kläranlagen sein. Das benötigte CO2 könnte in Zukunft auch aus der Luft gewonnen werden (Direct Air Capture). Die Herstellung des synthetischen Methans ist CO2-neutral. Neben dem Sabatier-Prozess gibt es auch die Möglichkeit zur biologischen Methanisierung, die aber derzeit noch nicht im großen Maßstab verfügbar ist.

Da synthetisches Methan identische Brenneigenschaften wie fossiles Erdgas hat, kann es ohne Mengenbegrenzung in das Erdgasnetz eingespeist werden. Darüber hinaus gibt es keine Restriktionen in der Endanwendung.


Blauer Wasserstoff

Bislang wird Wasserstoff industriell primär mittels Dampfreformierung aus fossilem Erdgas (Methan) gewonnen. Das so entstehende Produkt wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Wird das bei der Dampfreformierung entstehende CO2 mittels Carbon Capture and Storage (CCS) aus dem Abgasstrom abgeschieden und in geologischen Strukturen gespeichert und gelangt nachweisbar nicht in die Atmosphäre, entsteht so genannter blauer (treibhausgasneutraler) Wasserstoff. Blauer Wasserstoff ist damit ein dekarboniertes Gas.

Eine noch in der Entwicklung befindliche Alternative zur Dampfreformierung in Kombination mit CCS stellt die CO2-freie Wasserstoffherstellung aus Methan mittels Pyrolyse dar. Bei dem Pyrolyseverfahren wird der Kohlenstoff als Feststoff abgeschieden und kann so vergleichsweise einfach gespeichert oder als Rohstoff weiterverwendet werden, wodurch der Emissionsfaktor auch nahe Null ist. Bislang ist das Verfahren auf dem Markt allerdings noch nicht etabliert und findet nur im Forschungsmaßstab Anwendung.

Die Gasinfrastruktur und zahlreiche Endanwendungen insbesondere im Wärmemarkt sind bereits heute bis zu einem Anteil von 10 Volumenprozent „H2-ready“ (DVGW G 260/ G262). Zukünftig sollen 20 Volumenprozent Wasserstoffeinspeisung ermöglicht werden. Der DVGW schätzt, dass in den nächsten Jahren eine Toleranz von 50 Volumenprozent erneuerbarer bzw. dekarbonisierter Wasserstoff möglich sein wird. Es gibt jedoch noch Restriktionen insbesondere im Bereich der Industrie, aber auch im Verkehrssektor oder beim Einsatz in Gasturbinen.

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