Wieviel CO2 steckt in der Wasserstoffbereitstellung?

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, doch der Energiebedarf zur Herstellung ist hoch. Werden hierfür fossile Energiequellen verwendet, schmälern CO₂-Emissionen die Klimabilanz. Als nachhaltig gilt die Produktion von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse mithilfe erneuerbarer elektrischer Energie. Doch wie groß ist der Beitrag von Wasserstoff zum Klimaschutz? Die Bewertung der Nachhaltigkeit ist mit verschiedenen Methoden und Annahmen möglich und führt zu unterschiedlichen Ergebnissen.

Abb. 1: Prof. Dr.-Ing. Christine Minke (zweite von rechts) entwickelt mit ihrer Arbeitsgruppe Modelle zur Nachhaltigkeitsbewertung von Energietechnologien. Bei der Wasserstoffherstellung gibt es verschiedene Ergebnisse. (© TU Clausthal)

Emissionsarme Wasserelektrolyse mit grünem Strom

Aktuell basiert praktisch die gesamte weltweite Wasserstoffproduktion auf fossilen Energieträgern, hauptsächlich auf Dampfreformierung von Erdgas und Kohlevergasung. Das verursacht hohe CO₂-Emissionen. Der Anteil an emissionsarmer Wasserstoffherstellung durch Wasserelektrolyse war in den vergangenen drei Jahren geringer als ein Prozent der gesamten Produktionsmenge. Allerdings steigt die Produktion von grünem Wasserstoff weltweit an und kann somit zum Klimaschutz beitragen. Die Nachhaltigkeitsbewertung der Elektrolyse hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab. Wie ist der Stand der Wissenschaft?

Verschiedene Technologien und Berechnungsmodelle

Die mit der weltweiten Wasserstoffproduktion verbundenen Treibhausgasemissionen erreichten zuletzt mehr als 900 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalente (kurz CO₂e) pro Jahr. Im globalen Durchschnitt entstehen aktuell rund 10 Kilogramm CO₂e pro Kilogramm Wasserstoff. Einzelne Angaben zur CO₂e-Bilanz der Wasserstoffproduktion können deutlich von diesem Durchschnitt abweichen. Dies ist zum einen in den unterschiedlichen Technologien begründet, zum anderen im Berechnungsmodell. Die Berechnung einer CO₂e-Bilanz unterliegt internationalen Standards (zum Beispiel ISO 14040, ISO 14067). Gleichzeitig können der technische, zeitliche und geografische Bilanzrahmen, Bezugsgrößen und Annahmen in jedem Modell individuell definiert werden. Somit existieren nebeneinander ganz unterschiedliche Betrachtungen der potenziellen Klimawirkung mit entsprechend abweichenden Ergebnissen.

Abb. 2: Für Wasserstoff gibt es vielfältige Anwendungen. Die Herstellung ist dann am nachhaltigsten, wenn Wasserstoff per Wasserelektrolyse mithilfe erneuerbarer Energiequellen produziert wird. (© TU Clausthal)

Prozessenergie maßgeblich für Emissionen

Bei der Berechnung der Treibhausgasemissionen ist die Prozessenergie, die zur Herstellung des Wasserstoffs eingesetzt wird, maßgeblich. Daher bietet die Wasserelektrolyse, wenn sie mit fossil erzeugter elektrischer Energie (zum Beispiel beim aktuellen Strommix in Deutschland) betrieben wird, keinen Vorteil in Bezug auf den Klimaschutz. Werden hingegen die Elektrolyseprozesse zur Erzeugung von grünem Wasserstoff mit 100 Prozent erneuerbarer elektrischer Energie betrieben, können die Emissionen deutlich auf 0,5 bis 3 Kilogramm CO₂e pro Kilogramm Wasserstoff gesenkt werden. Gegenstand der aktuellen Methodenentwicklung in der Nachhaltigkeitsbewertung sind eine weitere Vereinheitlichung der Kriterien, größere Transparenz sowie die Integration von Stoffkreisläufen, etwa die Herstellung der Anlagen.