02.03.2023

Studie: Grüner Wasserstoff zum Heizen ist dreimal so teuer wie Wärmepumpen

Eine kürzlich erschienene Studie von Forschern der ETH Zürich zeigt: Für die Energiewende im Wärmesektor sind vor allem Wärmepumpen geeignet. Grüner Wasserstoff sei zu teuer, und blauer sei nicht mit den Klimazielen vereinbar.
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Frau sitzt mit Decke auf Couch
(c) Adobestock/Prostock-studio

Es war im Jahre 1766, als der englische Wissenschaftler Henry Cavendish mit Metallen und Säuren experimentierte und dabei beobachtete, dass ein Gas entsteht. Dieses bezeichnete er damals als “brennbare Luft”, da Wasserstoff in Kombination mit Sauerstoff oder Luft leicht entflammbar ist. Schon Jahre davor experimentierten Wissenschaftler mit Wasserstoff. Doch Cavendish soll der erste gewesen sein, der Wasserstoff als eigenständiges Element anerkannte. Es gibt kein Element, das häufiger auf der Erde und im Universum vorkommt.

Vor allem in Bezug auf die Energiewende werden besonders viele Hoffnungen auf Wasserstoff gesetzt. Im Vereinigten Königreich ist beispielsweise ein Dorf geplant, das nur mit Hilfe von Wasserstoff beheizt werden soll. Wissenschaftler der ETH Zürich haben nun in einer kürzlich erschienenen Studie untersucht, welche Rolle Wasserstoff im Wärmesektor spielen kann und ob es Sinn macht, mit dem unsichtbaren Gas in Europa und Großbritannien zu heizen.

Heizen in Europa

Bisher werden europäische Gebäude vor allem mit fossilen Energieträgern wie Erdgas beheizt. Dadurch entstehen circa 13 Prozent der Gesamtemissionen der EU und des Vereinigten Königreiches. Um bereits gesetzte Klimaziele auf europäischer und nationaler Ebene zu erreichen, braucht es aber eine Abkehr von fossilen Energieträgern. Mit dem Erneuerbaren-Wärme-Gesetz hat die österreichische Regierung beispielsweise beschlossen, dass alle Gasheizungen bis 2040 durch ein “modernes, erneuerbares Heizsystem ersetzt oder mit erneuerbarem Gas” betrieben werden müssen.

Wenn von erneuerbarem Gas gesprochen wird, ist meist die Rede von Biogas, Biomethan oder synthetischen Gasen, wie Wasserstoff oder synthetischem Methan. Wie umweltfreundlich Wasserstoff ist, hängt aber vor allem von der Produktionsmethode ab. So gibt es beispielsweise grünen, blauen, grauen, pinken oder türkisen Wasserstoff. In der erwähnten Studie wurden vor allem die Systemkosten von grünem und blauem Wasserstoff untersucht.

Der Unterschied zwischen grünem und blauem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff wird hergestellt, indem Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird. Dafür braucht es Energie. Bei grünem Wasserstoff stammt diese aus erneuerbaren Quellen, wie Sonnen- oder Windenergie und ist somit emissionsarm. Laut IEA werden derzeit rund 0,04 Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs aus Erneuerbaren produziert.

Blauer Wasserstoff wird meist mithilfe von fossilem Erdgas hergestellt. Das dabei entstehende CO2 wird teilweise im Erdboden gespeichert. Die Methode birgt aber das Risiko weiterer Emissionen, die beispielsweise aufgrund von Methan Lecks entstehen und da es technisch nicht möglich ist 100 Prozent des CO2 im Erdboden zu speichern.

Wärmepumpen und Wasserstoff im Vergleich

Wie können Gebäude in Europa im Jahr 2040 möglichst kostengünstig und umweltfreundlich beheizt werden? Dieser Frage gingen die Forscher der ETH Zürich nach und haben dafür 13 verschiedene Szenarien für die Verringerung der Emissionen der Wärmeversorgung modelliert und miteinander verglichen. Die Szenarien umfassen beispielsweise eines, bei dem die gesamte Gebäudewärme zu 100 Prozent aus grünem Wasserstoff stammt und ein anderes mit 100 Prozent blauem Wasserstoff.

Im Fokus standen die 27 EU-Mitgliedsstaaten und das Vereinigte Königreich, sowie kohlenstoffarme Heiztechnologien, insbesondere Wärmepumpen und Wasserstoff. Die Autoren der Studie, die im “Energy Conversion and Management” Journal veröffentlicht wurde, entnahmen die erwartbaren Kosten aus Projektionen für das Jahr 2040. Die in dieser Studie vorgestellten Szenarien sollen politische Entscheidungsträger:innen bei der Entscheidung unterstützen, welche Wege im Rahmen der Energiewende am sinnvollsten sind und weiter erforscht werden sollten.

Wärmepumpen schnitten ökonomisch und ökologisch am besten ab

Im Bereich des Heizens sind elektrische Wärmepumpen in Europa bis zu dreimal günstiger, wenn man sie mit einem Szenario vergleicht, bei dem 100 Prozent grüner Wasserstoff zum Heizen genutzt wird. Dieses Szenario würde auch die planetaren Grenzen überschreiten. Das sei auf die Umweltauswirkungen zurückzuführen, die mit dem Bau der notwendigen Infrastruktur für zusätzliche erneuerbare Energieträger einhergehen. Für die Herstellung von grünem Wasserstoff brauche man laut International Energy Agency (IEA) fünf bis sechsmal mehr Wind- und Solarkapazität als für die Bereitstellung der gleichen Wärme durch Wärmepumpen.

Laut den Forschern seien alle Szenarien, einschließlich jenem, das sich zu 100 Prozent auf das Heizen mit elektrischen Wärmepumpen fokussiert, ökonomisch teurer als das jetzige auf fossilen Brennstoffen basierende System. Allerdings wurde mit Gaspreisen vor der Energiekrise gerechnet. Da ein wesentliches Ziel ist, Emissionen zu verringern, schlussfolgern die Autoren, dass sich die Energiepolitik auf die Subventionierung von Wärmepumpen fokussieren sollte. Auch die IEA schlussfolgerte im Vorjahr, dass Wärmepumpen die zentrale Technologie sind, um möglichst kohlenstoffarm zu heizen.

Blauer Wasserstoff wäre nur für einen kleinen Teil der Gebäude eine relativ kostengünstige Option zum Heizen, aber nur, wenn die Gaspreise auf Vorkrisenniveau wären. Die globale Energiekrise macht blauen Wasserstoff also weniger wettbewerbsfähig und es sei damit zu rechnen, dass die Gaspreise in naher Zukunft hoch und volatil bleiben werden. Entscheidend sei laut den Autoren auch, dass die Treibhausgasemissionen, die bei der Produktion von blauem Wasserstoff entstehen, “weit davon entfernt” sind, nachhaltig zu sein.

Wasserstoff ist wichtig, aber kein Allheilmittel

Die Ergebnisse dieser Studie stünden laut den Autoren auch mit bisherigen Studien in Einklang. So kam eine Analyse, bei der 32 unabhängige Studien verglichen wurden, zu folgendem Ergebnis: Wasserstoff zum Heizen von Haushalten sei weniger wirtschaftlich, weniger effizient, Ressourcen intensiver und mit größeren Umweltauswirkungen verbunden als Alternativen, wie zum Beispiel Wärmepumpen oder Fernwärmesysteme.

Laut den Forschern könne Wasserstoff in manchen Fällen dennoch zum Heizen genutzt werden, da der Kampf gegen die Klimakrise eine Reihe von Technologien erfordert. Die Erkenntnisse dieser Arbeit würden aber darauf hindeuten, dass Wärmepumpen und Strom aus erneuerbaren Energien in den meisten Fällen Vorrang vor wasserstoffbasierten Heizsystemen haben sollten. Expert:innen kommen in anderen Studien zu dem Ergebnis, dass die aus Wasserstoff gewonnenen Wärme nur einer Nischen-Rolle zuzuweisen sei.

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Cyberhsell-CEO Mario Curvelo Carvalho | (c) Cybershell Technologies

Es ist das Zukunftsszenario schlechthin: Menschenleere Produktionshallen, gefüllt mit humanoiden Robotern, die unermüdlich arbeiten. Cybershell arbeitet daran, dass diese Vision einmal Realität wird. Das Deeptech-Startup entwickelt eine Außenschicht für humanoide Industrieroboter, die sie im Arbeitsalltag vor externen Einflüssen wie extremer Hitze, Stößen oder Chemikalien schützen soll. „Aktuell schauen die Roboter nicht so aus, als könnten sie z. B. neben einem Hochofen arbeiten“, sagt Gründer Mario Curvelo Carvalho. Cybershell soll das nun ändern. Die Idee wurde zuletzt beim Riz-up-Preis des Landes Niederösterreich in der Kategorie „Innovativ genial“ mit dem ersten Platz ausgezeichnet (brutkasten berichtete).

Cybershell ist ein „First of a kind“

Laut Curvelo Carvalho gibt es ein Produkt wie Cybershell noch nicht auf dem Markt. „Cybershell ist ein First of a Kind. Es gibt Hersteller, die Abdeckungen und so für Roboter machen. Aber es gibt unseres Wissens nach noch keinen Hersteller, der das im humanoiden Bereich macht“, sagt der Niederösterreicher. Dementsprechend schwierig seien manche Schritte für Cybershell, da es noch keine Referenzbeispiele gebe. „Ich komme mir manchmal vor wie wenn ich vor einem Dschungel mit einer Planierraupe stehe und mir dort erst meinen Weg ebnen muss“, sagt Curvelo Carvalho.

Erstmalige Versicherung einer Flotte

Laut dem Gründer ergibt sich durch seine Technik ein entscheidender Vorteil: Durch Schadensreduktion, Austauschbarkeit und standardisierte Betriebs- und Wartungsdaten gebe es eine bessere Grundlage für die Versicherbarkeit von humanoiden Robotern. „Die Versicherung hat das erste Mal die Möglichkeit, auf Daten zurückzugreifen und damit zu arbeiten. Damit können Versicherer Risiken, Schadenwahrscheinlichkeiten und mögliche Prämiengrundlagen besser bewerten“, erklärt der Founder und ergänzt: „Die Versicherungen sagen aktuell ‚Wir haben keine Werte, wir können hier nicht berechnen, wie hoch die Ausfallsrate ist und wie viel Schaden da wirklich auf uns zukommt.“ Doch bevor eine Flotte versichert werden kann, braucht Cybershell die notwendigen Zertifikate. An diesen werde gerade gearbeitet.

Modularer Aufbau

Das Startup setzt auf einen modularen Aufbau. Die Protektoren für z. B. Schultern, Arme und Beine sind getrennt abnehmbar und greifen nicht in Antrieb, Steuerungssoftware oder Sicherheitslogistik ein. „Es geht darum, die Downtime zu reduzieren. Wenn ein Roboter beschädigt wurde, dann wollen wir nicht, dass der ganze Roboter getauscht wird. Es soll einfach das beschädigte Modul werkzeuglos abgenommen werden und das neue Modul eingesetzt werden und nach 20 Minuten soll die Downtime vorbei sein“, erklärt Curvelo Carvalho. Die Außenschicht besteht aus fünf Layern, wobei jeder eine eigene Funktion hat und unterschiedlich anpassbar ist, je nachdem, wo der Roboter zum Einsatz kommt.

Das Patent als nächster Milestone

Das Unternehmen befindet sich aktuell noch vor der Gründungsphase und ist gebootstrappt. Gründen und die Suche nach Investoren machen laut Curvelo Carvalho erst dann Sinn, wenn die Firma das entsprechende Patent habe. Dafür müsse zuvor noch die Firma gegründet werden. Es läuft somit alles auf das Patent hinaus, noch im Herbst soll der Antrag gestellt werden. Förderungen hat Cybershell noch keine erhalten, jedoch hat das Startup bereits einen FFG-Patenscheck, also einen ersten Schritt in Richtung FFG-Förderung.

Eine Auswanderung in die USA stellt für Curvelo Carvalho aktuell keine Option dar. In Europa dauert zwar der Aufbau eines Unternehmens länger als in den USA, doch Cybershell habe hierzulande alles, was es für den Aufbau benötige. „Wir können hier vom Ökosystem, von den Inkubatoren und von den Förderungen profitieren. Cybershell muss ein niederösterreichisches Unternehmen werden. Das steht ganz groß auf unserer Flagge drauf“, sagt Curvelo Carvalho.

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