Die Entwicklung einer grünen Wasserstoffwirtschaft wird als eine wichtige Aufgabe bei der Umsetzung der Energiewende in Deutschland gesehen. Neben der Aufgabe von Industrie, Wissenschaft und Politik, eine Wasserstoff-Wertschöpfungskette aufzubauen und ein besseres Verständnis für die "Wasserstoff-Readiness" der einzelnen Sektoren zu schaffen, ist auch die Frage der Wasserressourcen von großer Bedeutung.
In diesem Zusammenhang beleuchtete der vom WTZ e.V. organisierte Round Table "Wasserverbrauch in der Elektrolyse - Technische Lösungsansätze für eine ressourcenschonende H2-Produktion" die technischen und politischen Herausforderungen hinsichtlich der Wassernutzung für eine grüne Wasserstoffproduktion als kritisches Element der deutschen Wasserstoffstrategie.
Deutschland hat sich für das nächste Jahrzehnt sehr ambitionierte Ziele für die Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff gesetzt, die bereits bis 2030 umgesetzt werden sollen. In der im Jahr 2020 veröffentlichten Nationalen Wasserstoffstrategie Deutschlands (NWS) wurde das Ziel festgelegt, bis 2030 eine inländische Elektrolyseurkapazität von 5 GW sowie bis 2030 eine Kapazität von 10 GW zu erreichen, was einer Wasserstofferzeugung von 14 bzw. 28 TWh entspricht. Gleichzeitig erwartet die deutsche Regierung, dass der inländische Bedarf an erneuerbarem Wasserstoff bis 2030 90 bis 110 TWh erreichen wird (BMWK, 2020).
Letzteres bedeutet, dass ein erheblicher Teil des grünen Wasserstoffs im Inland produziert und ein weiterer erheblicher Teil aus dem Ausland importiert werden muss. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, bei der Wasser (H2O) mit Hilfe eines Elektrolyseurs, der mit erneuerbaren Energiequellen (Wind, Sonne, Wasser usw.) betrieben wird, in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten wird. Während das Potenzial erneuerbarer Energiequellen ein entscheidendes Element für die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist, wird die Bedeutung von Wasser oft übersehen. Wasser ist ein unverzichtbares Element im Elektrolyseprozess. Daher müssen für die Produktion von grünem Wasserstoff große Mengen dieser Ressource zur Verfügung stehen; es wird geschätzt, dass für die Produktion von 1 KG Wasserstoff etwa 8,94 kg Wasser benötigt werden (Fraunhofer IFF, 2023).
Wenn Deutschland das in der Strategie festgelegte Niveau der heimischen Produktion erreichen möchte, wird die Verfügbarkeit von Wasser entscheidend sein. Untersuchungen zeigen jedoch, dass Deutschland bereits jetzt unter Wasserstress steht und dass das für die Erreichung der Wasserstoffproduktionsziele benötigte Wasser letztere in Frage stellt, da es in der Industrie viele Prozesse gibt, die bereits große Mengen an Wasser benötigen (Fraunhofer IFF, 2023).
Ein möglicher Weg, mehr Wasserressourcen zu erschließen, ist die Nutzung von Meerwasser. Auch diese Ressource kann im Elektrolyseverfahren genutzt werden, allerdings muss das Wasser zuvor entsalzt werden. Mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte (F&E) befassen sich in Deutschland und weltweit mit diesem Thema. Diese Option bietet auch die große Chance, grünen Wasserstoff direkt in den Ozeanen (Meerwasser) zu produzieren und dabei auch Wind-Offshore-Technologien zu nutzen. In diesem Zusammenhang untersucht das Projekt H2Mare die Herausforderungen und Chancen der Offshore-Produktion von grünem Wasserstoff. Das Projekt sieht darin ein großes Potenzial, da i) Wind als erneuerbare Ressource besser genutzt werden kann, ii) der Energietransport mancherorts im Gegensatz zur Nutzung des Offshore-Windes für die Elektrolyse unpraktisch ist und iii) die Potenzialfläche voll ausgeschöpft werden kann. Dennoch wird Deutschland angesichts der hohen Bedarfsmengen weiterhin grünen Wasserstoff aus dem europäischen und außereuropäischen Ausland importieren müssen. In diesem Zusammenhang verfolgt Deutschland eine stark international ausgerichtete Wasserstoffstrategie, die potenzielle Partnerländer auf allen Kontinenten in mehr als 40 Ländern außerhalb der EU ins Visier nimmt. Aber ist die Wasserversorgung in den potenziellen Exportländern besser?
Zur Beantwortung dieser Frage untersuchte der Runde Tisch sowohl die technischen als auch die politischen Herausforderungen in zwei potenziellen Partnerländern: Kasachstan und Namibia.
Grünes Wasserstoffpotenzial und Wassermanagement in Kasachstan
Kasachstan, ein mittelasiatisches Land, ist aufgrund seines großen Solar- und Windkraftpotenzials ein potenzieller Wasserstoffhandelspartner. Während Kasachstan derzeit mehr als 70 % seiner Elektrizität aus Kohle erzeugt, will das Land den Anteil der erneuerbaren Energien bis 2030 auf 15 % und bis 2060 auf 80 % erhöhen (IEA, 2022). Das Windpotenzial Kasachstans wird auf 920 Mrd. kWh/Jahr geschätzt, und etwa die Hälfte des Landes hat Windgeschwindigkeiten von 4 bis 5 Metern pro Sekunde in 30 m Höhe. Das Solarpotenzial Kasachstans ist zwar nicht so hoch wie das versprochene Windpotenzial, wird aber auf 2,5 Mrd. kWh/Jahr geschätzt (IEA, 2022). Mit diesen erneuerbaren Energieträgern könnte Kasachstan die Produktion von grünem Wasserstoff sowohl für den inländischen Gebrauch als auch für den Export vorantreiben. Letzteres wurde von der Regierung als wichtiges Element ihrer allgemeinen Energiepolitik und für die Verwendung in der Industrie erkannt und etabliert. In diesem Sinne sind die Metallurgie, die Lebensmittelproduktion und die Petrochemie wichtige Industriezweige für die Verwendung von Wasserstoff in Kasachstan. Kasachstans Interesse an der Produktion und dem Export von grünem Wasserstoff hat sich bereits konkretisiert: Am 27. Oktober letzten Jahres gab das Büro von Präsident Kassym-Jomart Tokajew bekannt, dass ein 50-Milliarden-Dollar-Vertrag mit Svevind, einem großen europäischen Konzern für erneuerbare Energien, unterzeichnet worden ist. Das Projekt "Hyrasia One" (Tochtergesellschaft von Svevind) wird Strom aus Sonnenkollektoren und Windturbinen nutzen und soll 2030 mit der Produktion beginnen, um bis 2032 zwei Millionen Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr zu erzeugen (Lillis, 2022).
Doch wie bereits erwähnt, sind erneuerbare Energien nicht die einzige wichtige Komponente bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff, vielmehr ist Wasser ein entscheidendes Element in diesem Prozess. Die Wasserverfügbarkeit in Kasachstan ist bereits knapp, was auf eine Kombination aus natürlichen Bedingungen (90 % des Wasserabflusses in den Flüssen erfolgt im Frühjahr), der Tatsache, dass etwa die Hälfte des Abflusses aus den Nachbarländern stammt, und der übermäßigen Nutzung von Bewässerungswasser zurückzuführen ist, was zu Wasserverlusten führt (UNDP, 2021). In Bezug auf Letzteres ist hervorzuheben, dass 75 % der verfügbaren Wasserressourcen für die Bewässerung verwendet werden. Der Wasserstress im Land ist so groß, dass nur 40 % der Bevölkerung Zugang zu Trinkwasser haben (dena, 2023). Prognosen gehen davon aus, dass das Land bis 2040 mit ernsthaften Engpässen konfrontiert sein wird, die mehr als die Hälfte seines Bedarfs ausmachen werden (UNDP, 2021). Bis 2050 werden die abnehmenden Niederschläge und die extremen Temperaturmuster im Norden und Westen des Landes zu einer abnehmenden Widerstandsfähigkeit gegen Dürren führen, und die Wüstenbildung wird in den kommenden Jahrzehnten in erheblichem Maße zunehmen.
Die Republik Kasachstan verfügt über einen Wasserkodex, ein Gesetz aus den frühen 2000er Jahren, dessen Hauptziel es ist, die Lebensbedingungen der Bevölkerung und der Umwelt zu erhalten und zu verbessern (ECOLEX, 2003). Das Gesetz wurde mehr als 60 Mal geändert, und die Regierung arbeitet immer noch an der Veröffentlichung eines neuen Wassergesetzes, um den aktuellen Bedürfnissen gerecht zu werden und eine effizientere Wasserwirtschaft im Land zu gewährleisten. Allerdings enthalten sowohl das heute noch gültige Gesetzbuch als auch das in Vorbereitung befindliche neue Gesetzbuch keine detaillierten Vorschriften für Wasserstoff oder erneuerbare Energien. Letzteres ist angesichts der bereits bestehenden Wasserknappheit und der Bestrebungen, in dem Land eine grüne Wasserstoffwirtschaft sowohl für den inländischen Gebrauch als auch für den Export zu entwickeln, von großer Bedeutung.
Deutschland ist sich der Bestrebungen und des Potenzials von grünem Wasserstoff in Kasachstan bewusst und hat das Land daher in sein Programm H2 Diplo (Global Hydrogen Diplomacy) aufgenommen. Das H2 Diplo ist eine Initiative des Auswärtigen Amtes (AA) zur Unterstützung von Ländern bei der langfristigen Transformation ihrer Energie- und Kraftstoffwirtschaft durch die Nutzung von grünem Wasserstoff und seinen Folgeprodukten (AA, 2023). Im Rahmen dieses Programms hat das AA bereits ein Wasserstoffbüro in Kasachstan eröffnet, um den Politikdialog sowie den fachlichen Austausch mit den Partnerministerien und relevanten Akteuren in Kasachstan zu unterstützen. Darüber hinaus unterstützt der Deutsche Energiedialog Kasachstan auf dem Weg zu einem nachhaltigen Wassermanagement mit Technologietransfer und Diversifizierung sowie Dekarbonisierungsmaßnahmen (dena, 2023). Die Kombination dieser beiden Initiativen könnte nicht nur für die bilateralen Beziehungen, sondern auch für eine nachhaltigere Entwicklung der grünen Wasserstoffwirtschaft in Kasachstan von großem Nutzen sein. Allerdings muss diese Kombination von Maßnahmen systematisch und koordiniert umgesetzt werden, um tatsächlich eine Wirkung auf die Nutzung von Wasser bei der Entwicklung eines grünen Wasserstoffsektors zu erzielen. Wenn Initiativen wie diese kontinuierlich als isolierte Elemente umgesetzt werden, können die Probleme der Wasserknappheit in Kasachstan und Hunderten von anderen Regionen der Welt parallel zur Entwicklung der grünen Wasserstoffwirtschaft zunehmen oder sie sogar verhindern, dass sie Realität wird.
Grünes Wasserstoffpotenzial und Wassermanagement in Namibia
Letzteres gilt auch für das Land, das als Vorreiter für den Export von grünem Wasserstoff nach Deutschland gilt: Namibia. Im Südwesten des afrikanischen Kontinents gelegen und mit einem ausgedehnten Zugang zu den Küsten, ist Namibia ein wesentlicher Bestandteil der deutschen internationalen Wasserstoffstrategie. Aufgrund des hohen Potenzials an erneuerbaren Energien wird geschätzt, dass grüner Wasserstoff in Namibia zu einem Preis von 1,50 bis 2 Euro pro Kilogramm Wasserstoff hergestellt werden könnte. Letzteres wird durch hohe Solarpotenziale mit Schätzungen von 2200 bis 2400 kWh pro Quadratmeter unterstützt. Während die Windpotenziale nicht so ausgeprägt sind wie die Solarpotenziale, könnten in der Südküstenregion um Lüderitz jährlich mehr als 2000 MWh pro MW installierter Windleistung erreicht werden (GIZ, 2022).
Zwar ist der Zugang zu Trinkwasser in Namibia mit 87 bis 99 % der Bevölkerung sehr gut, doch die rasche Ausweitung des Wasserverbrauchs in Namibia setzt die allgemeinen Wasserressourcen des Landes unter Druck; mit einem erwarteten Anstieg der Nachfrage von 334 Millionen Kubikmetern pro Jahr bis 2025 und der Trockenheit des namibischen Klimas nimmt der Wasserstress im Land zu. Weiter muss hervorgehoben werden, dass alle Flüsse im Landesinneren Namibias ephemer sind (Republik Namibia, 2022), was bedeutet, dass nicht nur die Verfügbarkeit von Trinkwasser, sondern auch die Entwicklung einer grünen Wasserstoffwirtschaft in dem Land in hohem Maße von der Entsalzung des an der Küste verfügbaren Meerwassers abhängt (Dechema, 2023).
Die Entsalzung und Projekte entlang der namibischen Küste stellen jedoch generell große Herausforderungen dar. Erstens verhindert der hohe Gehalt an Schwefelwasserstoff (H2S) im namibischen Meerwasser eine gute Leistung der Entsalzungsanlagen, und zweitens könnte die Fischereiindustrie, der drittgrößte Wirtschaftszweig des Landes, durch Entsalzungsprozesse potenziell geschädigt werden (Dechema, 2023). Darüber hinaus zeigen Forschungen zu Elektrolyse-Technologien für die direkte Aufspaltung von Salzwasser in Wasserstoff und Sauerstoff, dass das Vorhandensein von Mikroplastik im Meer den Entsalzungsprozess erschweren kann und solche Probleme schwer zu lösen sind, da die Wasserbedingungen stark von den örtlichen Gegebenheiten abhängen (TU Berlin, 2023).
Darüber hinaus sind die aktuellen Richtlinien für das Wassermanagement in Namibia veraltet. Eine der neuesten Richtlinien in diesem Bereich ist das Wassergesetz aus dem Jahr 2013, während das alte Wassergesetz aus dem Jahr 1956 immer noch in Kraft ist (Republic of Namibia, 2022). Diese Dokumente befassen sich nicht mit der Frage der Wassernutzung für die Produktion von grünem Wasserstoff und insbesondere nicht mit den großen Mengen, die vom Land erwartet werden. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die erste Ausbaustufe des weithin bekannten " Hyphen"-Projekts voraussichtlich im Jahr 2026 Wasserstoff produzieren wird und bis zum Ende des Jahrzehnts die gesamte Anlage mit einer erwarteten Produktion von 300 Tausend Tonnen grünem Wasserstoff und/oder Ammoniak fertiggestellt sein soll (GIZ, 2022). Die Tatsache, dass ein solches Projekt bereits in drei Jahren Ergebnisse liefern soll, zeigt, wie dringend notwendig es ist, politische Maßnahmen voranzutreiben, die sich mit den aktuellen und zukünftigen Problemen der Wasserwirtschaft und Nachhaltigkeit befassen.
Die Zusammenarbeit und der Wissenstransfer in diesem Bereich wären für Namibia sehr wertvoll. In dieser Hinsicht könnte die deutsch-namibische Wasserstoffpartnerschaft große Ergebnisse bringen. Als Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts wurde die Wasserstoffpartnerschaft zwischen Deutschland und Namibia im August 2021 ins Leben gerufen und mit bis zu 40 Millionen Euro versehen. Ziel ist es, das Potenzial der grünen Wasserstoffindustrie in Namibia zu erforschen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf innovativen Meerwasserentsalzungstechnologien liegt. Darüber hinaus zielt die Partnerschaft auch auf die Ausbildung von Fachkräften in Namibia und den Austausch von Expertenwissen durch die Förderung von Austauschprogrammen für Studierende und Experten sowie die Bereitstellung von Stipendien für namibische Studierende (BMBF, 2021).
Solche Partnerschaften haben das Potenzial, eine hochqualifizierte Wasserstoffindustrie in Namibia zu fördern und gleichzeitig Fachwissen über innovative Technologien für eine effizientere und nachhaltigere Wasserwirtschaft und Meerwasserentsalzung zu vermitteln. Internationale Partnerschaften für die Entwicklung einer grünen Wasserstoffwirtschaft müssen jedoch mehr Gewicht auf das Wassermanagement legen, insbesondere in Regionen, in denen Wasserstress bereits ein Thema ist. Daher könnte das Wassermanagement ein großer Chancenbereich für die deutsch-namibische Wasserstoffpartnerschaft sowie für zukünftige Projekte und Diskussionen sein.
Export von grünem Wasserstoff und Wassernutzung: der Weg in die Zukunft
Wie in den vorhergehenden Ausführungen dargelegt, ist Wasserstress ein dringendes Problem in der globalen Energiewende. Dies wird noch deutlicher, wenn man einen Blick auf die Zukunft der grünen Wasserstoffwirtschaft wirft, für deren Verwirklichung Wasser ein unabdingbares Element ist. Der Wasserstress variiert zwar von Region zu Region und hängt stark von den geografischen Gegebenheiten ab, ist aber auch stark von der Politik und der Verwaltung abhängig. Kasachstan und Namibia sind zwei Beispiele für Länder, die ein hohes Potenzial haben, Exporteure von grünem Wasserstoff zu werden, denen es aber an politischen und rechtlichen Rahmenbedingungen für die Wassernutzung bei der Produktion von grünem Wasserstoff fehlt. Darüber hinaus sind beide Regionen bereits mit Wasserknappheit konfrontiert, noch bevor die Produktion von grünem Wasserstoff in großem Maßstab begonnen hat, und verfolgen bereits große Wasserstoffproduktions- und Exportprojekte nach Europa und Deutschland.
Letzteres signalisiert die Dringlichkeit, politische Maßnahmen voranzutreiben, die Fragen des Wassermanagements bei der Wasserstofferzeugung rasch und systematisch angehen, um nicht nur den Erfolg der bereits im Bau befindlichen Projekte zu gewährleisten, sondern auch die Bevölkerung in den betroffenen Ländern zu schützen und eine nachhaltigere Energiewende zu garantieren. Bei einer solchen Politik geht es nicht darum, "das Rad neu zu erfinden", sondern darum, ein größeres Bewusstsein für die Ressourcen unseres Planeten und die Probleme zu schaffen, mit denen wir bereits konfrontiert sind. Diese Probleme müssen so angegangen werden, dass die Gesellschaften von der Entwicklung der neuen Technologien (wie grüner Wasserstoff und das gesamte Spektrum der damit verbundenen Technologien) profitieren können und auch die kleinsten Gemeinden besser gestellt werden.
In diesem Sinne ist es von großer Bedeutung, dass die Wassernutzung im Dialog zwischen Deutschland und potenziellen Handelspartnern von Wasserstoff thematisiert wird. Wie die Ergebnisse dieses Rundtischgesprächs zeigen, wird der Wasserverbrauch in den Wasserstoffdialogen zwischen Deutschland und potenziellen Partnerländern, ebenso wie weltweit, sowohl auf nationaler als auch auf internationaler Ebene immer noch übersehen.
Darüber hinaus ist Wasserknappheit nicht nur ein Problem, das in der Produktion von grünem Wasserstoff, sondern in der Energiewende insgesamt zu berücksichtigen ist. Die Wasserknappheit allein kann ein entscheidendes Element der Energiewende sein, da sie die konventionellen Energiesysteme einschränken kann, sobald die Auswirkungen des Klimawandels stärker in Erscheinung treten und höhere Mengen an Strom (RUB, 2023) und Gütern produziert werden müssen. In diesem Sinne ist sogar die Konkurrenz zwischen Wasser und Energie eine lokale und eine globale Herausforderung (RUB, 2023), die so schnell wie möglich angegangen werden muss, um die Energiewende weltweit zu ermöglichen.
Zweifellos werden die Herausforderungen, vor denen wir stehen, um eine nachhaltigere Energiewende zu erreichen, von Tag zu Tag dringlicher. Während die technologischen Entwicklungen eine Vielzahl von Lösungen hervorbringen, die wir uns zunutze machen können und die für mehr Resilienz sorgen können, mangelt es noch immer an politischen und regulatorischen Maßnahmen für die Wasserwirtschaft. Wasser ist eine kritische Ressource, die Voraussetzung für das Leben selbst und das Element, ohne das die Energiewende schlichtweg nicht realisiert werden kann.
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Autorin Almudena Nunez ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Forschungsinstitut für Nachhaltigkeit (RIFS Potsdam) am Helmholtz-Zentrum Potsdam in der Forschungsgruppe "Geopolitics of Transitions in Energy and Industry", wo sie im Rahmen des Projekts Global Hydrogen Potential Atlas (HyPat) die politischen und regulatorischen Aspekte der globalen Potenziale für die Produktion und den Export von grünem Wasserstoff untersucht. Sie hat einen Bachelor-Abschluss in Internationalen Beziehungen mit Spezialisierung auf Wirtschaft und Internationale Finanzen von der Universität Anahuac in Mexiko, ihrem Heimatland, und einen Master-Abschluss in Public Policy mit Spezialisierung auf Internationale Politische Ökonomie und Europäische Public Policy von der Willy-Brandt-Schule für Public Policy in Deutschland. |
Quellen
AA. (2023). H2 Diplo: Global Hydrogen Diplomacy. https://www.h2diplo.de/en/
BMBF. (2021). Karliczek: Germany and Namibia form partnership for green hydrogen. https://www.bmbf.de/bmbf/shareddocs/pressemitteilungen/de/2021/08/172_namibia_eng.pdf?__blob=publicationFile&v=1
BMWK. (2020). The National Hydrogen Strategy. https://www.bmwk.de/Redaktion/EN/Publikationen/Energie/the-national-hydrogen-strategy.pdf?__blob=publicationFile&v=6
Dechema. (2023). Präsentation: Technische Aspekte der Wasserstoffproduktion und des Wassermanagements in Namibia.
Dena. (2023). Präsentation: Wassermanagement für eine grüne Wasserstoffwirtschaft in Kasachstan.
ECOLEX. (2003). Water Code (No.481 of 2003). https://www.ecolex.org/details/legislation/water-code-no481-of-2003-lex-faoc043146/?
Fraunhoffer IFF. (2023). Präsentation: Wasser als kritische Ressource für die Wasserstofferzeugung.
GIZ. (2022). Sector Brief Namibia: Renewable Energies. https://www.giz.de/de/downloads/giz2022-en-sector-brief-namibia-renewable-energy.pdf
IEA. (2022). Kazakhstan 2022 Energy Sector Review. https://iea.blob.core.windows.net/assets/fc84229e-6014-4400-a963-bccea29e0387/Kazakhstan2022.pdf
Lillis, J. (2022). Kazakhstan: Oil-rich west to become green hydrogen hub. https://eurasianet.org/kazakhstan-oil-rich-west-to-become-green-hydrogen-hub
Republic of Namibia. (2022). Namibia Water and the UN 2023 Water Conference Preparatory Meeting, New York. https://sdgs.un.org/sites/default/files/2022-11/NAMIBIA%20inputs.pdf
Ruhr-Universität Bochum (RUB). (2023). Präsentation: Wasserressourcen als bedeutsamer Faktor der Energiewende auf lokaler und globaler Ebene.
TU Berlin. (2023). Präsentation: Elektrolyse-Technologie zur direkten Spaltung von Salzwasser in Wasserstoff und Sauerstoff
UNICEF. (2020) UNICEF Data Warehouse. https://data.unicef.org/resources/data_explorer/unicef_f/?ag=UNICEF&df=GLOBAL_DATAFLOW&ver=1.0&dq=DEU.WS_PPL_W-SM.&startPeriod=1970&endPeriod=2023