Studie

Strom oder Wasserstoff für die Energiewende?

Das Potsdam Institut für Klimafolgenforschung hat untersucht, zu welchen Anteilen Strom aus Erneuerbaren bzw. mit erneuerbarem Strom erzeugter Wasserstoff bei der Energiewende sinnvoll sind. Für letzteren gibt es einige wenige notwendige Anwendungen.

Direkt genutzter Strom aus Sonne und Wind ist in den meisten Fällen völlig ausreichend, um die Energiewende zu vollziehen. Nur für wenige Anwendungen muss der erneuerbare Strom per Elektrolyse in Wasserstoff gespeichert werden. Bild: Mike Mareen/stock.adobe.com
Direkt genutzter Strom aus Sonne und Wind ist in den meisten Fällen völlig ausreichend, um die Energiewende zu vollziehen. Nur für wenige Anwendungen muss der erneuerbare Strom per Elektrolyse in Wasserstoff gespeichert werden. Bild: Mike Mareen/stock.adobe.com

Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Klimaneutralität in der Europäischen Union ist der rasche Umstieg von fossilen Brennstoffen auf elektrische Technologien, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden. Zugleich wird mit erneuerbarem Strom erzeugter grüner Wasserstoff in schwer zu elektrifizierenden Bereichen wie der Luft und Schifffahrt, der Stahl- und der Chemieindustrie unverzichtbar sein.

Bis 2050 sind Elektrifizierung und Wasserstoff die Schlüsselstrategien für den Weg zur Klimaneutralität. Forschende des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) haben ihre Rolle in modellierten Szenarien für die künftige EU-Transformation untersucht. Ihre Studie zeigt: Bis 2050 ist ein Anteil von 42 bis 60 % des Gesamtenergieverbrauchs aus Strom und 9 bis 26 % aus wasserstoffbasierter Energie erforderlich.

Mehr Anwendungen für Stromdirektnutzung als für Wasserstoff

"Frühere Forschungsarbeiten haben bereits gezeigt, dass unser Energiesystem kostengünstig und umweltschonend auf erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne umgestellt werden kann. Die Frage ist, wie dieser erneuerbare Strom genutzt werden kann, um die Nutzung fossiler Brennstoffe in Gebäuden, im Industrie- und im Verkehrssektor zu ersetzen. Unsere Analyse zeigt, dass die direkte Nutzung von Strom, zum Beispiel durch Elektroautos und Wärmepumpen, für viele Sektoren ganz entscheidend ist, während die Umwandlung von Strom in Wasserstoff nur für wenige Anwendungen wichtig ist", sagt Leitautor Felix Schreyer.

Erstmals buchstabiert die in der Zeitschrift „One Earth“ veröffentlichte Studie das Zusammenspiel von Elektrifizierung und Wasserstoff in EU-Klimaneutralitätsszenarien in den einzelnen Sektoren detailliert aus. Mit Hilfe des Energie-Ökonomie-Modells REMIND untersuchten die PIK-Forschenden plausible Kombinationen beider Strategien in den Transformationspfaden des EU-Energiesystems in verschiedenen Szenarien. Die Analyse zeigt höhere Potenziale für die Elektrifizierung und beschreibt einen begrenzteren Einsatzbereich für wasserstoffbasierte Energie als frühere Studien.

Gebäudeheizung: Strom direkt nutzen ist die wirtschaftlichere Alternative

Über alle Szenarien hinweg ist die direkte Nutzung von Strom die dominierende Strategie etwa für Autos oder beim Heizen von Gebäuden und in der Industrie. Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe aus Strom werden vor allem für die Luftfahrt, die Schifffahrt, die chemische Industrie und als Stromspeicher benötigt. Elektrifizierung und Wasserstoff ergänzen sich im Gesamtenergiemix somit weitgehend, während sie um einen geringen Anteil von etwa 15 Prozent der Endenergie konkurrieren. Das betrifft vor allem Sektoren wie den LKW-Verkehr und die industrielle Hochtemperatur-Prozesswärme.

Drei Eckpfeiler für eine erfolgreiche Transformation:
Ausbau vorantreiben, Hindernisse abbauen und Anreize setzen

"Der Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und die Umstellung auf elektrische Technologien, wo immer dies möglich ist, ist bei weitem der schnellste und billigste Weg, um die Kohlenstoffemissionen in den meisten Sektoren zu senken. Wir gehen daher davon aus, dass der Anteil von Strom am Endenergieverbrauch von 20 Prozent auf 42 bis 60 Prozent bis 2050 steigen muss, um Klimaneutralität in der EU zu erreichen", sagt Studienautor Gunnar Luderer, Leiter der Gruppe Energiesysteme am PIK.

Ursache hierfür ist, dass elektrische Technologien zunehmend verfügbar sind und Strom sehr effizient nutzen, während die Umwandlung in Wasserstoff und synthetische Brennstoffe und deren Verbrennung mit erheblichen Energieverlusten verbunden sind. Insgesamt steigt die Stromnachfrage in der EU in den Szenarien bis 2050 um 80 bis 160 %, je nach Umfang der Wasserstoffimporte und der Rolle der Elektrifizierung und des Wasserstoffs in unsicheren Sektoren. Bis dahin müsste somit etwa doppelt so viel Strom erzeugt werden wie heute.

Die Forschenden diskutieren auch den aktuellen Stand der EU-Politik in Bezug auf Elektrifizierung und Wasserstoff und skizzieren drei kritische Eckpfeiler für eine erfolgreiche Transformation: Die Politik sollte 1) der Elektrifizierung bzw. dem Wasserstoff in den Sektoren Vorrang einräumen, in denen sie in allen Szenarien bevorzugt werden, 2) Hindernisse für den Ausbau der erneuerbaren Energien beseitigen und 3) Anreize für den Ausbau von Wasserstoffversorgungsketten schaffen.

„Unsere Studie unterstreicht, dass politische Entscheidungsträger die unterschiedlichen sektoralen Rollen beider Strategien berücksichtigen sollten, indem sie die Elektrifizierung durch elektrische Anwendungen für den Straßenverkehr und das Heizen fördern. Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe sollten hingegen für Anwendungen priorisiert werden, in denen sie unverzichtbar sind“, sagt Studienautor Falko Ueckerdt.

Artikel: Felix Schreyer, Falko Ueckerdt, Robert Pietzcker, Renato Rodrigues, Marianna Rottoli, Silvia Madeddu, Michaja Pehl, Robin Hasse and Gunnar Luderer (2024):
Distinct Roles of Direct and Indirect Electrification in Pathways to a Renewables-dominated European Energy System. One Earth 2024.

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