Benthin, Jörn

Bäuerle, Miriam

Graf, Frank

Heneka, Maximilian

Mörs, Friedemann

KITopen

Zur Bewertung der THG-Emissionen von türkisem Wasserstoff: Entscheidend ist, was vorne reingeht!Um das Treibhausgas-Minderungs-potenzial von türkisem Wasserstoff (H2) zu bewerten, müssen die Treib-hausgas-Emissionen (THG) der zu-grundeliegenden Wertschöpfungs-kette untersucht werden, also auch die sogenannten Vorkettenemissio-nen. Als Vorkettenemissionen be-zeichnet man solche, die bei der Produktion, der Aufbereitung, dem Transport, der Speicherung, der Ver-teilung von Erdgas und der Bereit-stellung von elektrischer Energie entstehen. Vor diesem Hintergrund wurden im DVGW-Forschungsprojekt „Road-map Gas 2050“ die Bereitstellung von türkisem H2 mit einer Kapazität von 100.000 m³/h in Deutschland analysiert, eine detaillierte Be-schreibung der Projektdaten finden Sie unter [1]. Doch nicht nur die Vor-kettenemissionen des eingesetzten Erdgases haben entscheidende Aus-wirkungen auf die THG-Emissionen von türkisem H2, sondern auch die Vorkettenemissionen der für den Py-rolyseprozess nötigen elektrischen Energie. Darüber hinaus müssen auch die direkten Emissionen durch die Nutzung des Erdgases in der Pro-duktionsanlage berücksichtigt wer-den. Demgegenüber können die THG-Emissionen, die aus dem Bau der Produktionsanlagen resultieren, vernachlässigt werden, da solche An-lagen über lange Zeiträume bei gleichzeitig hohen Erdgasumsätzen betrieben werden [2]. Für den deutschen Strommix wur-den die in Tabelle 1 gezeigten Vor-kettenemissionen angenommen. Für die Jahre 2030 und 2045 wurden Emissionsfaktoren der Software GE-MIS (Version 5.0) [3] verwendet, die auf dem Zielszenario des Nationalen Energie- und Klimaplans (NECP) der Bundesregierung basieren. Der NECP wird von den EU-Mitglieds-statten in regelmäßigen Abständen an die EU-Kommission übermittelt und erteilt Auskunft über die natio-nale Energie- und Klimapolitik für einen Zeitraum von zehn Jahren. Der aktuelle deutsche NECP wurde am 10. Juni 2020 an die EU-Kom-mission übermittelt [4]. Die nach dem Urteil des Bundesverfassungs-gerichts im August 2021 revidierten deutschen Klimaziele (Treibhaus-gas-Neutralität bis 2045) werden in den Strommixszenarien demzufolge nicht berücksichtigt. Dementspre-chend ist der hier verwendete THG-Fußabdruck des deutschen Strommix für die Jahre 2030 und 2045 als konservativ zu betrachten.Für den Erdgasbezug wurden die mittleren Vorkettenemissionen für den deutschen Erdgasmix eingesetzt (24 g CO2eq/kWh (LHV)). Dieser Wert beinhaltet sowohl CO2- als auch Methanemissionen im Bereich der Förderung, der Verarbeitung und des Transports nach Deutsch-land sowie der Verteilung in der Bundesrepublik. Die Vorkettenemis-sionen für Biogas basieren auf Well-to-Tank-Analysen des Joint Research Centre (JRC) [5]. Eine Reduktion der Vorkettenemissionen von Biogas aus Energiepflanzen um bis zu 40 Pro-zent bis 2040 wurde in dieser Studie nicht berücksichtigt [6]. von: Friedemann Mörs, Maximilian Heneka, Dr. Frank Graf (alle: DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut), Miriam Bäuerle & Jörn Benthin (beide: Gas- und Wärme-Institut Essen e. V.)Deutschland2020Deutschland2030Deutschland2045 (2050)Strommix g CO2eq//kWh (el) [9–11] 352 261 30Vorkettenemissionen g CO2eq/kWh (LHV)Erdgas Mittelwert Deutschland 24 [12]Biomethan aus Mais 86 [5, 13]Biomethan aus Reststoffen 25 [5, 13]Quelle: die AutorenAbbildung 2 zeigt die Ergebnisse zur Analyse der THG-Emissionen von türkisem H2 für eine Produktions-anlage in Deutschland. Für das Be-zugsjahr 2020 entfallen demnach ca. zwei Drittel der THG-Emissio-nen auf den Bezug von Netzstrom und ca. ein Drittel auf die Vorkette-nemissionen des Erdgases. Die di-rekten Emissionen haben in den untersuchten Konstellationen nur einen untergeordneten Effekt. Durch den erwarteten Ausbau der erneuerbaren Energien sinken die Vorkettenemissionen des deutschen Strommixes bis 2045 (2050) auf 30 g CO2eq//KWh(el) (Tab. 1). Das be-deutet: Aufgrund des großen Ein-flusses der Strom-Vorkettenemissio-nen sinken die THG-Emissionen von türkisem H2 von 146 g CO2eq/0,3 kWh 1 kWh H2 3 g CO2-eq/kWh H2Förderung, Transport 41 g CO2-eq/kWh H21,7 kWh ErdgasStrom 102 g CO2-eq/kWh H2 90 g C/kWh H2ErdgaspyrolyseKohlenstoff (C)Elektr. Energie„türkisfarbener“ H2CO2-ÄquivalenteErdgas-400-300-200-1000100200CO² aus Luft aufgenommenDirekte EmissionenVorkette StromVorketten ErdgasBilanz BiomethanTHG-Emission blauer Wasserstoff in g CO 2 eq/kWh H 2  (LHV)14611953 4015954DeutschlandMittelwert2020DeutschlandMittelwert2030DeutschlandMittelwert2045 (2050)DeutschlandBest-Case2045 (2050)D BiomethanMais2045 (2050)D BiomethanBioabfall2045 (2050)-287-182-341 -341kWh (LHV) in 2020 auf dann 53 g CO2eq/kWh (LHV) in 2045 (2050). Dies entspricht einer Reduktion der THG-Emissionen gegen über dem Einsatz von grauem Wasserstoff aus der Dampfreformierung (ca. 310 g CO2eq/kWh) oder der Verbrennung von in Deutschland verwendetem Erdgas (ca. 222 g CO2eq/kWh (LHV).Entscheidend für die Betrachtung ist, dass sich die THG-Emissionen von türkisem H2 stark sensitiv zum eingesetzten Erdgas bzw. dessen Vorkettenemissionen [7] verhalten. Mehr noch: Der Einfluss dieser Erd-gas-Vorkettenemissionen wird umso entscheidender, je geringer die Vor-kettenemissionen des eingesetzten Stroms sind. Daher ist es notwendig, für die Bewertung der THG-Emissi-onen von türkisem H2 den konkre-ten Standort bzw. die Vorkettene-missionen des eingesetzten Erdgases zu berücksichtigen; dies zeigt auch die Best-Case-Betrachtung. Bis 2030 soll nach den Plänen der EU-Kommission die Methan-Emis-sionen in allen Sektoren um 30 Pro-zent gesenkt werden [8]. Unter der Annahme, dass die Vorkettenemis-sionen ebenfalls um bis zu 30 Pro-zent sinken, ist dementsprechend eine weitere Reduktion der THG-Emissionen von türkisem H2 möglich. Beim Einsatz von Biogas aus Mais (Energiepflanzen) oder Bioabfall sind trotz der vergleichs-weise hohen Vorkettenemissionen sogar negative THG-Emissionen für türkisen H2 möglich, wobei eine be-grenzte Biomasseverfügbarkeit be-rücksichtig werden muss. Warum ist das so? Beim Biomasseanbau wird Kohlenstoff in Form von CO2aus der Atmosphäre entnommen. Nach dem Pyrolyseprozess kann der Kohlenstoff in fester Form gelagert werden.Die Analysen zeigen, dass über den Weg der Erdgaspyrolyse die THG-Emissionen von Wasserstoff gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden können. Entschei-det sind die standortabhängigen Vorkettenemissionen des eingesetz-ten Erdgases und der elektrischen Energie sowie die Lagerung des er-zeugten festen Kohlenstoffs, um THG-Emissionen aus dessen Nut-zung zu vermeiden.THG-Emission von türkisen Wasserstoff für unterschiedliche Bezugsjahre, für eine Reduktion der Methanvorket-ten-Emissionen um 30 Prozent (Best-Case) und für Biogas aus Mais und Bioabfall in 2045 (2050)Massen- und Energieströme (bezogen auf den Heizwert, LHV) und THG-Emissionen der Wasserstoffherstel-lung durch Erdgaspyrolyse für das Bezugsjahr 2020Quelle: die AutorenQuelle: die Autoren

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