WHy: Wasser für die grüne Wasserstoffwirtschaft

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff verlangt große Wassermengen, die an den Produktionsstandorten in unterschiedlicher Quantität und Qualität zur Verfügung stehen. Das Fraunhofer UMSICHT will in Studien sowie im Dialog mit den Beteiligten Akteuren die Wassersituation in einzelnen Regionen analysieren, Nutzungskonflikte ausmachen und diese lösen. Des Weiteren sollen mithilfe neuer technologischer Verfahren alternative Wasserquellen erschlossen werden.

Die grüne Wasserstoffwirtschaft ist ein zentraler Baustein der Energiewende. In der nationalen Wasserstoffstrategie sind ehrgeizige Ausbauziele festgelegt^[1]. Um diese zu erreichen, müssen auf regionaler Ebene erhebliche Wassermengen zusätzlich entnommen werden – zum Beispiel für den ENERGY HUB Port of Wilhelmshaven.

Die Deutsche Energieagentur DENA berichtet, dass der ENERGY HUB Port of Wilhelmshaven – ein Verbund aus über 30 Unternehmen – im Jahr 2031 194 Tonnen Wasserstoff pro Stunde mittels Elektrolyse erzeugen will. Das entspricht einer Leistung von 6,51 Gigawatt. Insgesamt addiert sich die benötigte Wassermenge in Zeiten des maximalen Verbrauchs aller geplanten Anlagen gemäß des DENA-Berichts auf mindestens 4 861 Tonnen pro Stunde im Jahr 2031^[2]. Zum Vergleich: Der größte Wasserverband bei Wilhelmshaven – der Oldenburg-Ostfriesische Wasserverband OOWV – hat gemäß Geschäftsbericht 2021 im Durchschnitt 9 475 Tonnen Wasser pro Stunde an seine 928 668 Kunden abgegeben^[3]. In Spitzenverbrauchszeiten des ENERGY Hubs wäre es so, als ob der OOWV eine Großstadt mit einer halben Millionen Einwohnern zusätzlich versorgen müsste; in einer Region, wo jetzt schon zeitweise die Wassernutzung eingeschränkt wird.

Trotzdem stehen die Wasserstrategie des BMUV^[4] und die Energiestrategie des BMWK^[5] unverbunden nebeneinander. Da Zuständigkeiten und rechtliche Rahmenbedingungen nicht geklärt sind, resultiert auf Ebene der handelnden Akteure eine Planungsunsicherheit.

Nadelöhr für die Wasserstoffwirtschaft

Einige Regionen setzen vorrangig auf grüne Wasserstofftechnik und an ausgewählten Standorten sind die Planungsprozesse für Wasserstoff-Hubs bereits weit fortgeschritten. Die Planungsunsicherheit kann gerade beim Markthochlauf der Wasserstoffwirtschaft fatale Folgen für die Beteiligten haben. Zwar beschreibt der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) in einer aktuellen Studie^[6], dass Deutschlands Wasserressourcen für die Erzeugung von grünem Wasserstoff ausreichen. Doch ist diese Annahme auch für Wasserstoffregionen und regionale Akteure nachvollziehbar, die jetzt schon unter extremer Trockenheit und Wasserknappheit leiden? Manche Regionen sind zurecht beunruhigt, wie eine Studie zur Bewertung von Wasserstoffstandorten in Niedersachsen zeigt^[7]. Für den Landkreis Leer etwa wird darin von der Wasserentnahme aus dem Grundwasser abgeraten.

Transparenz und Wissen entschärfen Konflikte und schaffen Planungssicherheit

Zusammen mit Partnern aus den Geistes- und Naturwissenschaften entwickelt das Fraunhofer UMSICHT einen Dialogprozess. Der Prozess soll in Wasserstoffmodellregionen mit Wasser- und Energieversorgern, Kommunen und Gesellschaft umgesetzt werden. Parallel dazu erstellen die Fraunhofer-Forschenden Studien zu Verfügbarkeit, Markt, Kosten und Reifegrad von Technologien zur Aufbereitung von verschiedenen Wasserqualitäten für die Elektrolyse. Auch vollständige Standortanalysen werden durchgeführt.

Versorgungslücken: Technologien erschließen alternative Wasserquellen

Das Fraunhofer UMSICHT identifiziert alternative Wasserquellen, die nicht in direkter Konkurrenz zu Trinkwassergewinnung und Bewässerung stehen. Das können z. B. Abwässer aus der industriellen Produktion und aus kommunalen Kläranlagen oder Brackwasser und andere standortspezifische Wasserquellen sein. Dazu werden Aufbereitungsverfahren vom Labor- bis zum Pilotmaßstab mit dem Ziel entwickelt, sie für die alkalische Elektrolyse oder PEM (Polymer-Elektrolyt-Membran) einzusetzen.

Die weltweit produzierte Menge an Methanol lag 2018 bei 110 Mio. Tonnen^[8]. Die Verbindung ist als Lösungsmittel und für die Kraftstoffherstellung essenziell. Auch als Edukt bei Synthesen von diversen Stoffen wie beispielsweise Formaldehyd oder Klebstoffen ist sie relevant. Bisher wird Methanol überwiegend aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas oder Kohle gewonnen. Im Verbundprojekt Carbon2Chem^® wird stattdessen Methanol aus Hüttengasen synthetisiert. Hierdurch wird sowohl der Carbon Footprint der Stahlproduktion gesenkt als auch eine alternative Methanolquelle erschlossen.

Untersuchungen im Rahmen des Projekts haben gezeigt, dass die wässrige Fraktion (Abwasser) aus der Methanolsynthese ein großes Potenzial zur Wasserstoffgewinnung bietet – als Zulauf für die Elektrolyse. Das Abwasser dient zum einen als alternative Wasserquelle. Gleichzeitig kann der erzeugte Wasserstoff wieder für die Methanolsynthese eingesetzt werden und so den Carbon Footprint reduzieren.

Weiterbildung: Lerneinheit zur Abschätzung von Technikfolgen – Akzeptanzforschung am Beispiel Wasserstoff

Das Fraunhofer UMSICHT hat für das interdisziplinäre Weiterbildungsstudium DYNERGY eine Lerneinheit zum Thema Wassernutzung in der Wasserstoffwirtschaft entwickelt. Ihr Fokus liegt auf grünem Wasserstoff, indem sie die Wassersituation in Deutschland in einen Kontext mit der Wasserstofferzeugung setzt. Außerdem werden Nutzungskonflikte im Spannungsfeld Wasser-Energiewende charakterisiert und Lösungsstrategien aufgezeigt. Die Lerneinheit schließt mit einem Ausblick auf internationale Zielkonflikte.

Im Zuge des Klimawandels nehmen Wasserknappheit und -verschmutzung immer weiter zu. Auch in Deutschland steigen die Durchschnittstemperaturen bei sich ausweitenden Hitzeperioden.^[9] Aufgrund der erhöhten Temperaturen und des reduzierten Niederschlages in einigen Regionen Deutschlands ist ein Anstieg der Verdunstung zu verzeichnen. Auf der anderen Seite führen klimawandelbedingte Starkregenereignisse zu einem erhöhten Abfluss in den Flüssen. Das Grundwasser kann sich dadurch nicht regenerieren.^[10]

Das Fraunhofer UMSICHT hat Karten erstellt, die die geplanten Wasserstoffproduktionsorte in Verbindung mit den Niederschlagssummen und dem Trockenheitsindex aus dem Jahr 2022 aufzeigen. Es sind Standorte mit einer Elektrolyseleistung ab 17 MW aufgeführt, da hier ein entsprechend hoher Wasserverbrauch anfällt. Was wiederum großen Einfluss auf den künftigen regionalen Wasserbedarf hat. Insbesondere der Rückgang der Niederschlagssummen in Ost- und Mitteldeutschland ist zu beachten – auch dort sind große Elektrolysestandorte geplant.

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