Globale Potenziale in neuem Atlas erstmals gebündelt

Auf synthetischen, mit grünem Wasserstoff hergestellten Brenn- und Kraftstoffen ruhen große Hoffnungen. Sie sollen fossile Energien in Industrie, Verkehr und anderen Bereichen ersetzen: Power-to-X gilt als Schlüsseltechnologie. Doch wo könnten die CO2-neutralen Brenn- und Kraftstoffe zu welchen Kosten in welcher Menge auf nachhaltige Weise produziert werden – und welche Kosten verursacht deren Export? Das stellt jetzt der erste globale PtX-Atlas des Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) im Detail dar.

Viele Regionen der Welt bieten gute Bedingungen für die Produktion von grünem Wasserstoff sowie regenerativ erzeugten synthetischen Kraft- und Brennstoffen. Wie groß die jeweiligen Potenziale im Detail sind, zeigt der Power-to-X-Atlas. Die Bewertung der technischen und ökonomischen Potenziale basiert auf umfangreichen Analysen beispielsweise der Flächenverfügbarkeit und der Wetterbedingungen. Auch Faktoren wie die lokale Wasserverfügbarkeit, der Naturschutz, die Investitionssicherheit oder die Transportkosten sind berücksichtigt. Der PtX-Atlas ist unter online verfügbar.

In ihrer Untersuchung haben sich die Experten auf die Standorte außerhalb des europäischen Wirtschaftsraumes konzentriert. Der PtX-Atlas ist im Rahmen des vom Bundesumweltministerium geförderten Projekts „DeVKopSys“ entstanden. Ziel des Projekts ist es, mit den klimapolitischen Zielen der Bundesregierung verträgliche Entwicklungspfade im Verkehrssektor in Rückkopplung mit anderen Sektoren des Energiesystems wissenschaftlich zu untersuchen.

„Unser Atlas zeigt, dass in vielen Regionen der Welt langfristig große Mengen an PtX-Energieträgern regenerativ produziert und exportiert werden können – wobei es von Standort zu Standort durchaus erhebliche Unterschiede gibt“, sagt Norman Gerhardt, Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse beim Fraunhofer IEE, schränkt jedoch ein: „Trotz des großen Potenzials können grüner Wasserstoff und grüne synthetische Brenn- und Kraftstoffe immer nur Ergänzung sein.“ Die Steigerung der Energieeffizienz und der direkte Einsatz erneuerbaren Stroms müssten stets Priorität haben.

„Mit dem Atlas können Interessenten unter anderem die für PtX in Frage kommenden Flächen, die dort erreichbaren Volllaststunden und möglichen Erzeugungsmengen, die jeweiligen Gestehungskosten für die verschiedenen PtX-Energieträger sowie die Kosten für deren Transport nach Europa abrufen“, erläutert Maximilian Pfennig vom Fraunhofer IEE, der den PtX-Atlas entwickelt hat.

Die Forscher kommen in ihrer Untersuchung zu dem Ergebnis, dass sich außerhalb Europas langfristig insgesamt etwa 109.000 Terawattstunden flüssigen grünen Wasserstoff beziehungsweise 87.000 Terawattstunden synthetische Kraft- und Brennstoffe (Power to Liquids, kurz PtL) herstellen ließen. Dieses Gesamtpotenzial könne jedoch nur zum Teil erschlossen werden – weil beispielsweise mancherorts keine ausreichende Investitionssicherheit gegeben sei oder weil es an nötiger Infrastruktur fehle.

Bei Berücksichtigung dieser Faktoren liegt das umsetzbare Potenzial laut Fraunhofer IEE aber immer noch bei 69.100 Terawattstunden Wasserstoff beziehungsweise 57.000 Terawattstunden PtL. Prognosen zufolge würden für die globale Luftfahrt bis 2050 insgesamt mindestens 6.700 Terawattstunden, für den weltweiten Schiffsverkehr 4.500 Terawattstunden PtL benötigt.

Rechnet man die zur Verfügung stehenden Mengen nach dem heutigen Anteil an der Weltbevölkerung auf Deutschland herunter, stehen 770 Terawattstunden Wasserstoff beziehungsweise 640 Terawattstunden PtL zur Verfügung. »Das genügt, um den verbleibenden Brenn- und Kraftstoffbedarf zu decken – vorausgesetzt, Energieeffizienz und direkte Stromnutzung haben jederzeit absoluten Vorrang«, sagt Gerhardt.

Bei der Berechnung der ökonomischen Potenziale der einzelnen Standorte haben die Forschenden neben den Stromgestehungskosten der erneuerbaren Energien und den Wirkungsgraden der PtX-Prozesse unter anderem auch Peripherie-, Speicher-, und Transportkosten berücksichtigt – mit dem Ergebnis, dass Standorte mit guten Bedingungen für die Windenergie und wenn möglich auch in Verbindung mit Photovoltaik die niedrigsten Erzeugungskosten aufweisen. An Standorten mit geringeren Windenergie-Ressourcen sind die Photovoltaik-basierten PtX-Erzeugungskosten laut Untersuchung dagegen höher. Gerade bei Wasserstoff sind aber je nach Standort die Kosten für den Transport nach Deutschland ein entscheidender Faktor und überkompensieren teilweise die Standortunterschiede.

Der Atlas zeigt auch, dass es oft kostengünstiger ist, Brenn- und Kraftstoffe wie PtL für den europäischen Markt ebenfalls direkt dort zu produzieren, wo auch der grüne Wasserstoff erzeugt wird, statt in Europa auf Basis importierten Wasserstoffs. Diese Syntheseprodukte sind deutlich kostengünstiger zu transportieren und mittels Luftabscheidung kann an diesen Standorten CO2 für die Weiterverarbeitung gewonnen werden. Denn um Wasserstoff über lange Distanzen zu transportieren, muss dieser verflüssigt werden – ein Energie-intensiver und damit Kosten-treibender Prozess. Hinzu kommen Verdampfungsverluste der Flüssiggase während des Transportes.

Welche Länder und Regionen als Exportpartner für Europa in Frage kommen, muss im Einzelfall betrachtet werden. Länder mit hohem Erzeugungspotenzial und günstigen sozioökonomischen Rahmenbedingungen wie die USA und Australien könnten große Mengen an PtX-Energieträgern liefern. Bei großer inländischer Nachfrage jedoch ist von einem verminderten Ausfuhrpotenzial auszugehen, so die Schlussfolgerungen der Fraunhofer-Analysen. Wegen der großen Transportdistanzen wäre es auch wirtschaftlich nicht sinnvoll, aus diesen Ländern grünen Wasserstoff nach Europa zu exportieren.

Anders sieht es bei näher gelegenen Standorten etwa in Nordafrika aus: Von hier aus könnte Wasserstoff relativ kostengünstig per Pipeline nach Europa gebracht werden. In den politisch recht stabilen Ländern Marokko und Tunesien lassen sich allerdings lediglich 814 Terawattstunden Wasserstoff produzieren. Mit 8.638 Terawattstunden ist das Potenzial in Ägypten, Libyen und Algerien weitaus größer. Allerdings sind hier die soziökonomischen Bedingungen deutlich schlechter.

Damit sind die Investitionsrisiken höher, was auch die Finanzierungskosten steigen lässt. Das verringert die Wahrscheinlichkeit, dass dort PtX-Projekte in großem Umfang realisiert werden, so die Annahme der Forschenden.

Über das Erschließen von Import-Optionen hinaus sollte Europa auch eine eigene Was-serstoff-Produktion aufbauen, so die Empfehlung der Fraunhofer IEE. Die Untersuchung sieht Offshore-Potenziale, die aufgrund teilweise fehlender Netzanschlussmöglichkeiten frühzeitiger explizit für eine H2-Erzeugung ausgebaut werden können. Diese könnten den gasförmigen Wasserstoff für Industrieverbraucher (z.B. Stahlindustrie) oder in der Energiewirtschaft für neue Gasturbinen effizient bereitstellen. Auch sieht das Expertenteam hier eine höhere Wettbewerbsfähigkeit gegenüber PtX-Importpreisen gegeben und empfehlen aus Effizienzgründen (Transport von Wasserstoff innerhalb Europas per Pipeline möglich) die Priorisierung einer gasförmigen Wasserstofferzeugung sowie, PtL eher außerhalb Europas zu beziehen. Langfristig biete dabei die Nutzung von gasförmigem Wasserstoff in Anwendungen, die nicht elektrifizierbar sind, Effizienzvorteile gegenüber der Erzeugung von PtG und PtL (Stahl- und Düngemittelherstellung, Gaskraftwerke und KWK sowie Heizwerke in der Industrie und Fernwärme).