Warum der Umbau der bestehenden Gas-Pipelines auf Wasserstoff nicht sinnvoll ist

Laut Bundesnetzagentur sollen in sieben Jahren 9.040 Kilometer Leitungen für Wasserstoff in Deutschland entstehen, davon rund 60 Prozent durch Umbau ehemaliger Erdgaspipelines. Das sogenannte Wasserstoffkernnetz soll nach derzeitigen Angaben mindestens 19 bis 20 Milliarden Euro kosten. Es gibt Untersuchungen, die das derzeit konzipierte Wasserstoffkernnetz für überdimensioniert und damit für zu teuer halten [1]. Nach Angaben des sächsischen Wirtschaftsministeriums ist im Freistaat in der ersten Stufe des Wasserstoffkernnetzes der Anschluss für den Raum Dresden, Leipzig und Zwickau sowie die Lausitz und den Industriebogen Meißen vorgesehen, obwohl derzeit noch keine gesicherten Abnahme- und Nutzungsvereinbarungen vorliegen.

Mit dem sogenannten H2-Startnetz soll das Unternehmen Ontras bis 2032 ein rund 600 Kilometer umfassendes Wasserstofftransportnetz für Mittel- und Ostdeutschland realisieren. Das Unternehmen teilte mit, dass rund 80 Prozent der Leitungen durch die Umstellung bestehender Gaspipelines entstehen soll. In Sachsen sollen nach deren Vorstellungen dabei rund 120 Kilometer Leitungen für den Wasserstoffbetrieb entstehen. [2]

Das Unternehmen Gascade hat nach eigenen Angaben bereits Hunderte Millionen Euro investiert, um die Pipeline auf Wasserstoff umzurüsten. Bisher hat, ebenfalls nach Aussagen des Unternehmens, aber kein einziger Interessent einen Abnahmevertrag abgeschlossen. Es wird gleichzeitig angemerkt, dass kein stark energieintensives Unternehmen in der Stahl-, Chemie- oder Glasindustrie es sich leisten könne, den dreifachen Preis für auf Wasserstoff basierende Energie zu zahlen. Es muss im Ergebnis festgestellt werden, dass die Nachfrage nach Wasserstoff aktuell null ist. Das bedeutet, dass Investitionen getätigt werden, ohne Verkäufer oder Käufer vorweisen zu können. [3] Die Absichtserklärung von BMW, Wasserstoff einsetzen zu wollen, ist schon unter Beachtung des verstärkten Wettbewerbs aus China und des damit verbundenen Kostendrucks eher als unrealistisches politisch motiviertes Statement anzusehen.

Der EU-Rechnungshof und auch der Bundesrechnungshof haben bereits mehrfach darauf hingewiesen, dass die Planungen zur Wasserstoffwirtschaft nicht mit Markterfordernissen konform gehen. [4] [5]

Es gibt derzeit eine Vielzahl mit Wasserstoffpipelines verbundenen technischen Herausforderungen, die bei den Planungen nicht oder nur unzureichend berücksichtigt wurden. In der öffentlichen Kommunikation wird derzeit eher eine „einfache“ technische Umsetzung mit dem Slogan „H2 ready“ suggeriert. Dieses vom TÜV Nord ausgestellte Zertifikat bedeutet in der Wirklichkeit jedoch nicht, dass ein funktionierendes technisches System zertifiziert wurde, sondern es wird lediglich ein Fahrplan beschrieben, wie im Laufe der Zeit (eventuell) funktionierende technische Lösungen entwickelt werden können. [6] Dabei werden für das „H2 ready“-Zertifikat drei Konzeptstufen beschrieben: Concept Certificate, Project Certificate und Transition Certificate. [7] Die darin theoretisch beschriebenen Konzepte sind neben der technischen Beschreibung beispielsweise auch Explosionsschutzkonzepte, Brand¬schutzkonzepte, die Gefahren- und Risikoanalysen sowie die Konformität und die Genehmigungen. Die Zertifizierung erfolgt demnach also vornehmlich auf theoretischen Konzepten. Die Entwicklung von neuen, dann technisch funktionierenden „H2-Ready“-Systemen, ist mit Blick auf das politisch-regulatorische Investitionsumfeld, den um sich greifenden Fachkräftemangel, dem Thema Brennstoffverfügbarkeit und Lieferkettenproblemen sowie in Bezug auf Schwierigkeiten bei Planungs- und Genehmigungsverfahren, in Verbindung mit den aktuell stattfindenden (europaweiten) Markteingriffen außerordentlich schwierig, unsicher und von besonderen Risiken geprägt. [8]

Die mit der Umrüstung auf Wasserstoff verbundenen technischen Herausforderungen sind derzeit noch nicht gelöst. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese technischen Herausforderungen unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit gelöst werden können, muss als eher niedrig eingeschätzt werden. Derzeit wird bei der Umrüstung von Erdgaspipelines vor allem eine „Rohr-in-Rohr“-Technologie eingesetzt. Dieses „Pipe-in-Pipe“ (PiP) ist ein Verfahren, bei dem in die bereits bestehende Pipeline eine kleinere, auf Wasserstoff optimierte Pipeline eingesetzt wird. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die zuvor beschriebenen Probleme damit gemindert, aber nicht vollständig beseitigt werden können. Wenn diese Maßnahmen angewendet werden, muss wegen der durch Wasserstoff bedingten erhöhten Beanspruchung im besten Falle trotzdem geschätzt von einer mindestens 25-prozentigen Reduzierung der Nutzungszeit der Pipelines ausgegangen werden.

Ein hier beispielhaft genanntes Thema für die mit dem Transport von Wasserstoff verbundenen technischen Herausforderungen, sind die benötigten für Wasserstoffpipelines geeigneten Verdichter. Unabhängig davon, dass auf 1.000 km Pipeline gerechnet ca. die achtfache Anzahl benötigt wird, sind technisch zertifizierte und in der Praxis nachweislich funktionierende skalierbare Systeme noch nicht dokumentiert nachprüfbar. Nach Angaben von Everllence (ehemals MAN Energy Solutions), Siemens Energy oder Atlas Copco bieten diese Unternehmen diese Art Verdichter an. Außerhalb von 3D-Renderings konnten jedoch noch keine Nachweise erbracht werden, dass diese Verdichter bereits funktionstüchtig zur Verfügung stehen und in relevanter Stückzahl sicher eingesetzt werden können. Ein Hinweis, dass die Angebote der Anbieter wahrscheinlich eher dem Marketing zuzuordnen sind, können daraus abgeleitet werden, dass mitgeteilt wird, dass eine Lieferung solcher Verdichter eventuell im Jahr 2026 erfolgen könnte.

Ein derzeit nicht diskutiertes und nach den Anschlägen auf die Energieinfrastruktur in Berlin eigentlich sehr wichtiges Thema, ist die Frage nach der möglichen Terrorabwehr. Die hohe Explosivität und von Wasserstoff und die technischen Unzulänglichkeiten der mit Wasserstoff zusammenhängenden Infrastruktur, ermöglichen verhältnismäßig einfach durchführbare Terroranschläge mit einem enormen flächengroßen Schaden.

Selbst das Mitglied im eher Lobby getriebenen Nationalen Wasserstoffrat Michael Sterner, sieht in der geringen Nachfrage nach Wasserstoff ein großes Problem. Auch bemerkt er an, dass die Industrie in Schwierigkeiten steckt, dass Preise in vielen Bereichen steigen und Wasserstoff für Unternehmen nicht rentabel ist. Er rechnet mit durch Steuermittel finanzierten Subventionen von fünf bis zehn Milliarden Euro pro Jahr. [9]

Die mit dem Transport von Wasserstoff verbundene Systemintegrität, hängt im Vergleich zu einer Erdgaspipeline von teureren Materialien, aufwendigeren Abdichtung, neuen Messsystemen und einer umfangreichen Leckageerkennung ab. Die Wasserstoffversprödung und die hohe Flüchtigkeit von Wasserstoff verursachen dabei entsprechend der vorliegenden Studien, wie bereits beschrieben, eine bis zu 25% geringere Nutzungsdauer und erhöhe Wartungskosten. Eine höhere Wahrscheinlichkeit eines technischen Versagens von Komponenten und damit die Reduzierung der Versorgungssicherheit, ist ebenfalls ein nicht zu unterschätzendes Kriterium beim Transport von Wasserstoff.

In Modellrechnungen wird nachgewiesen, dass die Umrüstung bestehender Gasnetze und der Bau neuer, dedizierter Wasserstoffpipelines mit erheblichen Investitionen verbunden ist. Forscher errechneten Investitionskosten von 0,6–1,2 Millionen US-Dollar pro Kilometer für eine Umrüstung bzw. 2,4–7,1 Millionen US-Dollar pro Kilometer für den Neubau [10].

Es gibt verschiedene Arten, Wasserstoff für den Transport aufzubereiten. Dabei werden fünf wesentliche Technologien unterschieden. Der Transport kann als flüssiger Wasserstoff (LH2), Ammoniak (NH3), Liquid Organic Hydrogene Carrier (LOHC), Methanol (MeOH) und als flüssiges Methan (CH4, Green LNG) erfolgen [11]. Zunehmend weisen Forscher und Ingenieure darauf hin, dass beim Transport von sogenanntem aufbereitetem Wasserstoff die bestehenden Pipelines wie bisher weiterverwendet werden können und dabei die Kosten des Transports im Vergleich zu reinem Wasserstoff um mindestens 60% geringer sind. [10]

Über den gesamten Lebenslauf betrachtet, ist auch Wasserstoff, welches derzeit weltweit zu mehr als 95% aus Erdgas gewonnen wird, nicht zu 100% klimaneutral. Wird die Thermische Nutzung, beispielsweise bei der Wärmeversorgung und der Mobilität betrachtet, sind bei der 100%igen H2-Verbrennung aufgrund lokal erhöhter Verbrennungstemperaturen mit erhöhten NOx-Emissionen sowie mit einer vermehrten Wasserdampfbeladung des Rauchgases zu rechnen [12].

Wird die enorme Herausforderung der Dichtheit von Wasserstoffpipelines nicht gelöst, kann sich der beabsichtigte und derzeit stark in der Öffentlichkeit kommunizierte ökologische Effekt ins Gegenteil umkehren. Ein Effekt der Abgabe von Wasserstoff in die Atmosphäre, der zusätzlich indirekt zur Erderwärmung beiträgt, besteht darin, dass in der Folge weniger Hydroxyl für die Reaktion mit CH4 zur Verfügung steht, womit sich dessen Verweilzeit in der Atmosphäre verlängert. Aktuelle Einschätzungen des Treibhausgaspotenzials von Wasserstoff lassen daher darauf schließen, dass H2 bei Emissionen gleicher Masse über einen Zeitraum von 100 Jahren im Vergleich zu Kohlendioxid eine etwa zwölfmal stärkere Erwärmung zur Folge haben kann. Über einen Zeitraum von 20 Jahren wird von einer etwa 37-mal stärkeren Erwärmung ausgegangen [13]. Die Erwärmungskraft von CH4 (aufgrund direkter und indirekter Erwärmungseffekte) beträgt über 100 bzw. 20 Jahre aber etwa das 30- bzw. 80-Fache der von CO2 [14] [15].

Bedingt durch die für Wasserstoff allgemein benötigten neuartigen Materialien, neuen komplexeren technischen Einrichtungen, die hohen Energieverluste durch Prozessschritte, geringere Lebensdauern und höheren Wartungsaufwendungen anzurechnenden CO2e, können die mit Wasserstoff verbundenen kommunizierten De-Karbonisierungseffekte durchaus angezweifelt werden.

Der Pipeline-Transport von Wasserstoff ist technisch aufwendig, nicht ausreichend sicher, mit hohen Energieverlusten verbunden und in der Summe wirtschaftlich nicht abbildbar.
Zusammenfassend muss folgendes festgestellt werden:

• In bestehenden CH4-Pipelines ist bei gleichem Druck die Energiedurchsatzkapazitat für Wasserstoff ca. 17 % geringer. Ein Ausgleich ist nur durch einen höheren Druck, größeren Rohrdurchmesser oder mehr Verdichterstationen möglich. Dabei ist zu beachten, dass die Durchlaufgeschwindigkeit durch die sogenannte Erosionsgeschwindigkeit begrenzt ist. Die am Ende der umgerüsteten Pipeline zur Verfügung stehende Energiemenge ist damit signifikant geringer. [16] [17] [18] [19]
• Verdichterstationen für Wasserstoff wären, unabhängig der noch nicht nachgewiesenen skalierbaren technischen Funktionsfähigkeit, deutlich größer und teurer, mit deutlich erhöhten Leckageanforderungen. [19]
• Dazu kommt, dass energetisch CH4 (HELMETH) klar im Vorteil ist. Der Produktions- und Transportaufwand ist vergleichbar, es kann aber die bestehende Infrastruktur genutzt werden und auch ist eine einfachere Speicherung möglich. [19]
• H2 erfordert komplett neue Infrastruktur, hohe Investitionen und längere Realisierungszeiten (10–15 Jahre+), wodurch die finanziellen Möglichkeiten und die politischen Klimaziele gefährdet werden. [19]

Kurz- bis mittelfristig bietet CH4 eine schnellere und kosteneffizientere Möglichkeit zur Dekarbonisierung – insbesondere durch Nutzung und Ausbau der bestehenden Gasinfrastruktur und damit der Möglichkeit eines schrittweisen Übergangs zu grünem Methan. [19]

Gleichzeitig sollte davon ausgegangen werden, dass nach der mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine der kommenden Bundesregierungen umgesetzte Korrektur der Energiepolitik in absehbarer Zeit Nordstream 2 repariert, die Gas-Importe aus Russland wieder aufgenommen werden und dafür die derzeitige Gas-Infrastruktur wieder benötigt wird.