Vor- und Nachteile von grünem Wasserstoff

Geschrieben von Levi Naldi do Espirito Santo und Ana Beatriz Pereira Santos im März 2023

Grüner Wasserstoff (H2V) ist eine der wichtigsten aufstrebenden Alternativen mit nachhaltigen Eigenschaften und dem Potenzial, fossile Brennstoffe in verschiedenen Wirtschaftssektoren zu ersetzen. Es wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt, ein intensiver Prozess in der elektrischen Energie aus Sonnen- und Windquellen. Daher ist es möglich, einen Kraftstoff zu erhalten, der im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen, die für einen großen Teil dieser Emissionen verantwortlich sind, sowohl im Produktions- als auch im Nutzungsprozess keine Treibhausgase freisetzt.

Grüner Wasserstoff kann flexibel in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, z. B. im Leicht- und Schwerfahrzeugtransport; Energieerzeugung und -speicherung sowie in Industriesegmenten.

Derzeit sieht sich die Welt einem wachsenden Bedarf an sauberen und erneuerbaren Energiequellen gegenüber, um den Klimawandel zu bekämpfen und den wachsenden Energiebedarf zu decken. H2V hat das Potenzial, bei diesem Übergang eine wichtige Rolle zu spielen, und dieser Moment gilt als der günstigste, um in seine Produktion und Nutzung zu investieren.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass sich der Herstellungsprozess von Green Hydrogen von den bisher meist von der Industrie durchgeführten Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff unterscheidet, da diese fossile Quellen wie Erdgas und Kohle verwenden, die Treibhausgase emittieren in ihrem Produktionsprozess.

In diesem Sinne ist es wichtig, die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette zu vergleichen, um die Vor- und Nachteile der verschiedenen Arten von Technologien zur Erzeugung und Nutzung dieses Energieträgers einschätzen zu können.

Produktion

Die weltweite Wasserstoffnachfrage erreichte 94 2021 Millionen Tonnen (Mt), was einen Anstieg von 5 % gegenüber dem Vorjahr bedeutet, was hauptsächlich auf die Erholung der Aktivitäten im Chemie- und Raffineriesektor zurückzuführen ist. Darüber hinaus hat die Wasserstoffnachfrage ihr historisches Maximum von 91 Mt aus dem Jahr 2019 überschritten. Der größte Teil dieser Nachfrage wurde jedoch durch Wasserstoff gedeckt, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wurde, mit schädlichen Auswirkungen auf die Umwelt (IEA, 2022).

Derzeit ist die Produktion von Wasserstoff, der hauptsächlich in der chemischen und petrochemischen Industrie verwendet wird, für mehr als 900 Mt CO2-Emissionen verantwortlich (z. B. Grauer Wasserstoff und Schwarzer Wasserstoff). Im Vergleich zum H2V, das hat Null emittiertões von CO₂ Bei seiner Produktion wird darauf hingewiesen, dass einer der ersten Schritte darin bestehen würde, diesen Sektoren eine Alternative zur Verwendung von sauberem Wasserstoff vorzuschlagen.

Die H2V-Produktionstechnologie hat sich weiterentwickelt, steht aber immer noch vor der Barriere der technologischen Reife und des Größenzuwachses. In Abbildung 1 wird angemerkt, dass grüner Wasserstoff im Vergleich zu anderen Produktionsprozessen eine ähnliche Effizienz wie grauer Wasserstoff hat [1][3].

Abbildung 1: Effizienzvergleich zwischen Technologien zur Gewinnung von Wasserstoff

Quelle: Verlust der Integrität von Wasserstofftechnologien: Eine kritische Überprüfung, 2021

Investitionen in neue F&E-Projekte, die auf die Entwicklung der Produktionstechnologie für grünen Wasserstoff abzielen, sind eine der Lösungen, um die Barriere der technologischen Reife zu überwinden. In diesem Sinne verzeichnete die öffentliche Finanzierung für Forschung und Entwicklung im Bereich Wasserstoff laut Daten von (IEA, 2022) im Jahr 2021 mit einem Anstieg von 35 % im Vergleich zu 2020 den größten jährlichen Anstieg. Wasserstofftechnologien erhielten etwa 5 % des Gesamtbudgets für Forschung und Entwicklung für saubere Energietechnologien und europäische Länder trugen hauptsächlich zu diesem Anstieg bei.

Im Vergleich zu den Produktionskosten hat Grüner Wasserstoff beispielsweise immer noch einen sehr hohen Stellenwert gegenüber Grauem. Neben den bereits erwähnten Faktoren technologischer Reife und fehlender Skalengewinne, die sich auf den CAPEX-Anteil der Produktion auswirken, hängt diese hohe Preisgestaltung auch mit der Verfügbarkeit von Erzeugung aus erneuerbaren Quellen und der Akzeptanz durch die Industrie zusammen. Allerdings, wie in Abbildung 2 dargestellt, mittelfristig eine Besteuerung der CO-Emissionen₂ und Fortschritte in der Produktionstechnologie versetzen Grünen Wasserstoff in eine wirtschaftlich vorteilhaftere Position in Bezug auf die Produktionskosten.

Abbildung 2: Kostenvergleich zwischen grünem Wasserstoff x grauem Wasserstoff

Quelle: Energie neu denken, 2022

Unter Berücksichtigung der aktuellen Produktionseffizienz von Wasserstofftypen können wir sagen, dass Green immer noch nicht so skalierbar ist wie Gray. Aber der Vorteil, immens zur Dekarbonisierung beizutragen, wenn man bedenkt, dass beide für die gleichen Endzwecke verwendet werden können, zeigt, wie wichtig es ist, grüne Wasserstofftechnologien so schnell wie möglich zu entwickeln. Hervorhebung der Bedeutung dieser neuen Energieform/-quelle zur Eindämmung des Klimawandels und seiner Auswirkungen.

Lagerung/Transport

Wasserstoff kann in LKW-beladenen Tanks gelagert und transportiert werden, ist jedoch nicht nur ein gefährliches Verfahren, da es sich um ein hochflüchtiges und brennbares Produkt handelt, sondern auch im Vergleich zum Transport anderer Energiequellen eine sehr geringe Effizienz. Dies liegt daran, dass Wasserstoff eine sehr geringe spezifische volumetrische Energiedichte hat. Um beispielsweise das Energieäquivalent von 10 Litern Diesel zu transportieren, das in einem LKW vorhanden ist, werden 11 LKWs mit 300 kg komprimiertem H2 benötigt.

Interessant ist unter anderem deshalb, dass es eine regenerative Wasserstoffproduktion in der Nähe des Einsatzortes gibt. Man kann jedoch sagen, dass es schwierig wäre, diese Art von Modell für die meisten Endanwendungen zu verbreiten. Daher werden einige Alternativen zur Lagerung in Tanks vorgestellt, nämlich: Verflüssigung, Verdünnung in Erdgas und Zugabe zu Ammoniak.

Die Möglichkeit, Wasserstoff in flüssiger Form zu speichern und zu transportieren, ist nicht sehr effizient, da es sich um eine relativ komplexe Technik handelt, die hohe Installationskosten verursachen kann und zusätzliche Prozesse zur Verflüssigung des Wasserstoffs erfordert. Es handelt sich jedoch immer noch um ein Forschungsgebiet, das das Potenzial für signifikante Verbesserungen der verwendeten Technologien hat, die die Effizienz dieser Form der Speicherung erhöhen und die Kosten des Prozesses senken können.

Eine weitere Möglichkeit des Wasserstofftransports sind Gaspipelines, bei denen der Bau einer neuen und exklusiven Struktur für H2 indiziert ist, wie sie noch in der Anfangsphase in den USA, Deutschland, Holland, Frankreich und Belgien umgesetzt wird. Dies ist jedoch eine Alternative, die als kostspielig angesehen wird, weshalb vorgeschlagen wird, den Transport von Wasserstoff durch Wiederverwendung des bestehenden Netzes für den Transport von Erdgas machbar zu machen. In der ersten Studienphase kann festgestellt werden, dass die Mischung von Wasserstoff mit Erdgas sicher ist und die Konzentration jeder Substanz von der Anwendung abhängt, wobei eine Konzentration von 10 % Wasserstoff im Gesamtvolumen als sicher angesehen wird, wie in gezeigt Abbildung 3.

Abbildung 3. Zulässige Toleranz einiger Komponenten der Gasinfrastruktur

Quelle: IRENA. Ausarbeitung Gasenergie

Die Aggregation von Wasserstoff zu Ammoniak wird als weitere praktikable Option gesehen, da sie in der Lage ist, große Energiemengen lange zu erhalten, was diese Transportform neben der bereits bestehenden konsolidierten Infrastruktur für Langstrecken zu einer interessanten Alternative macht diese Transportart.

Verwenden Sie

Eine der Hauptanwendungen von Wasserstoff wäre der Mobilitätssektor, wo er seit Anfang des 6. Jahrhunderts in verschiedenen Transportmitteln wie Autos, Luft- und Raumfahrzeugen als Kraftstoff verwendet wird. Derzeit können Wasserstoff-Brennstoffzellen (FVECs) in Autos, Lastwagen und Bussen zum Antrieb von Elektromotoren verwendet werden und bieten eine Alternative zu fossilen Brennstoffen. Im Straßenverkehr sind batterieelektrische Fahrzeuge jedoch immer noch effizienter und ausgereifter als FCEVs. Auf der anderen Seite ist der beschleunigte Einsatz von FCEVs, hauptsächlich in schweren Lkw, zu beobachten. Darüber hinaus ist es eine vielseitige Energiequelle und kann für industrielle Zwecke und Energiespeicherung verwendet werden. [XNUMX]

In der Industrie wäre eine der Hauptanwendungen von Wasserstoff die Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen chemischen Produkten. In diesem Szenario können diese Industrien durch die Verwendung von grünem Wasserstoff ihre COXNUMX-Emissionen erheblich reduzieren. Diese Nutzung stellt im Vergleich zum Ersatz von Kraftstoffen relativ geringe technische Herausforderungen dar, da sie nicht den bereits durchgeführten Prozess ändert, sondern nur die Quelle der Herstellung des verwendeten Wasserstoffs.

Eine weitere Verwendung von grünem Wasserstoff ist die Energiespeicherung. Dies ist möglich, weil Wasserstoff leicht komprimiert und gespeichert werden kann und so zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie verwendet werden kann, die in Zeiten geringer Nachfrage erzeugt wird. Gespeicherte Energie kann verwendet werden, um die Energieerzeugung in Zeiten hoher Nachfrage zu ergänzen, wodurch der Bedarf an Energiequellen auf Basis fossiler Brennstoffe reduziert wird, die derzeit diese Rolle spielen.

Vorteile des H2 Verde gegenüber anderen Typen:

1. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen stößt es bei seiner Herstellung oder Verwendung keine Treibhausgase aus.
2. Es kann aus erneuerbaren Energiequellen, durch Wasserelektrolyse mit Sonnen- oder Windenergie hergestellt werden.
3. Es kann flexibel in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Energieübertragung, -erzeugung und -speicherung.
4. Es kann in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen wie Zügen, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt werden, wodurch die Emissionen von Luftschadstoffen im Verkehr eliminiert werden.
5. Es kann in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet und für eine spätere Verwendung gespeichert werden.
6. Es kann als Rohstoff für die chemische, petrochemische und pharmazeutische, Zement- und Stahlindustrie verwendet werden, fossile Brennstoffe ersetzen und Treibhausgasemissionen reduzieren.

Nachteile des H2 Green:

Im Folgenden sind die Nachteile von grünem Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energiequellen aufgeführt.

1. Im Vergleich zu anderen Energiequellen hat es immer noch hohe Produktionskosten, hauptsächlich aufgrund der geringen technologischen Reife, die mit seiner Produktion verbunden ist.
2. Für den Einsatz als Ersatz für fossile Brennstoffe wie Benzin oder Diesel müsste sich die Automobilindustrie neben anderen Optionen wie dem alternativ einsetzbaren Elektroauto auf die Nutzung von Wasserstoff einstellen.
3. Die geringe Dichte von Wasserstoff, sei es im flüssigen oder gasförmigen Zustand, führt auch zu einer geringen Energiedichte. Der Nachweis, dass Wasserstoff in seiner reinen Form kein gutes Mittel zum Energietransport ist.

Herausforderungen

Neben den oben aufgeführten Nachteilen gibt es auch Herausforderungen bei der Umsetzung von Grünem Wasserstoff, die nicht zwingend mit einem Vergleich zwischen Energieträgern verbunden sind, nämlich:

1. Die derzeitige Infrastruktur zur Speicherung und Verteilung von Wasserstoff ist begrenzt.
2. Die Produktion von grünem Wasserstoff erfordert erneuerbare elektrische Energiequellen, die in einigen Regionen der Welt noch weniger verfügbar sind.
3. Es gibt noch technische Herausforderungen, um die Effizienz der Wasserstofferzeugung und -speicherung zu steigern.
4. Die Gesellschaft fürchtet immer noch die Verwendung von Wasserstoff aufgrund seiner Verbindung mit Atombomben und Explosionen.
5. Die Produktion von grünem Wasserstoff ist noch nicht skalierbar genug, um den weltweiten Energiebedarf zu decken.

6 Gründe, warum es jetzt an der Zeit ist, in Grünen Wasserstoff zu investieren:

1. Der wachsende Bedarf an sauberen, erneuerbaren Energiequellen zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Deckung des wachsenden globalen Energiebedarfs.
2. Grüner Wasserstoff hat das Potenzial, als Ersatz für fossile Brennstoffe eine wichtige Rolle beim Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft zu spielen.
3. Die Produktionstechnologie für grünen Wasserstoff hat sich in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt, mit Aussichten, besser zugänglich und wirtschaftlich rentabel zu werden.
4. Wachsender Druck von Regierungen und Gesellschaft, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und Klimaziele zu erreichen.
5. Der Bedarf an flexiblen und skalierbaren Energiequellen, um den Energiebedarf zu decken, insbesondere für Energietransport- und Speicheranwendungen.
6. Steigende Nachfrage nach sauberen und effizienten Transportlösungen aufgrund des gestiegenen Bewusstseins für die Bedeutung von Nachhaltigkeit und öffentlicher Gesundheit.

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[1] SANTOS, Ana und ESPIRITO SANTO, Levi. Die Formen der Wasserstofferzeugung. Mizidi. 2023. Verfügbar unter: https://mitsidi.com/as-formas-de-producao-de-hidrogenio/

[2] SCHROTENBOER, Albert H. et al. Ein grünes Wasserstoff-Energiesystem: Optimale Regelstrategien für integrierte Wasserstoffspeicherung und Stromerzeugung mit Windenergie. 2022. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122006323

[3] USTOLIN, Federico. Verlust der Integrität von Wasserstofftechnologien: Eine kritische Überprüfung. International Journal of Hydrogen Energy, vl 45, 10.1016 Juni 2021. Verfügbar unter: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319920321583?ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=7b648398ff7ca5d3

[4] Energie neu denken. Verfügbar unter: https://rethinkresearch.biz/product/rethink-energy/

[5] MORGAN, Harry. Warum die Marktdynamik den Durchschnittspreis für grünen Wasserstoff bis 1.50 auf 2023 $/kg senken wird. AUFLADEN. 2022. Verfügbar unter: https://www.rechargenews.com/energy-transition/opinion-why-market-dynamics-will-reduce-the-average-price-of-green-hydrogen-to-1-50-kg -bis-2030/2-1-1292801

[6] Wasserstoff. IEA. 2022. Verfügbar unter: https://www.iea.org/reports/hydrogen

[7] Wasserstoff. IEA. 2021. Verfügbar unter: https://www.iea.org/fuels-and-technologies/hydrogen

[8] LACERDA, Naylil. Die Herausforderungen der großtechnischen Speicherung und des Transports von Wasserstoff. Gasenergie. 2021. Verfügbar unter https://gasenergy.com.br/os-desafios-da-armazenagem-e-transporte-de-hidrogenio-em-larga-escala/

[9] IBERDOLA. Grüner Wasserstoff: eine Alternative zur Reduzierung von Emissionen und zum Schutz unseres Planeten. Verfügbar unter: https://www.iberdrola.com/sustentabilidade/hidrogenio-verde