Power-to-X: Neue Untersuchung zeigt globale Potenziale

Auch ein zunehmend klimaneutrales Deutschland wird weiter auf Energie-Importe angewiesen sein. Grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte bieten die Möglichkeit, erneuerbare Energie aus Ländern einzuführen, in denen diese deutlich leichter als hierzulande gewonnen werden kann. Wie groß die jeweiligen Potenziale im Detail sind, zeigt nun der erste Power-to-X (PtX)-Atlas.

PtX-Atlas 2021 Weltkarte

Bildquelle: mix3r

Deutschland importiert derzeit rund 70 Prozent seiner Energie. Der notwendige Ausbau von Wind- und Solarkraftanlagen wird diese Zahl in den kommenden Jahren zwar möglicherweise sinken lassen. Energieautark wird Deutschland jedoch nicht werden. Dafür ist das Verhältnis zwischen dem Energieverbrauch der dicht besiedelten Industrienation und den Möglichkeiten zur Gewinnung erneuerbaren Stroms zu ungünstig. Konkret: Der Wind weht unzuverlässig, die Sonne scheint nur ab und zu und die zur Verfügung stehenden Flächen für Windkraft- und Solaranlagen sind, zumindest an Land, eher rar gesät. Und selbst, wenn der geplante Ausbau der entsprechenden Versorgungskapazitäten gelingen sollte, sind Versorgungslücken abzusehen.

Power-to-X: Future Fuels können Elektrifizierung ergänzen

Darum liegt der Gedanke nah, die Stromproduktion gewissermaßen „auszulagern“. Eine Idee, die vor mehr als zehn Jahren mit der Desertec-Initiative bereits für Furore sorgte, und mittlerweile in anderer Gestalt fortlebt. Sollte bei Desertec zunächst noch Strom aus der MENA-Region direkt per Leitung nach Europa übertragen werden, geht es jetzt darum, in wind- und sonnenreichen Gegenden mittels erneuerbarem Strom grünen Wasserstoff beziehungsweise Folgeprodukte zu erzeugen, und dann als Energieträger zu exportieren. Solche PtX-Produkte lassen sich einfacher speichern und transportieren, als es mit dem Strom direkt möglich wäre. Hierzulande, aber auch anderswo auf der Welt, könnten solche Future Fuels überall dort Verwendung finden, wo eine direkte Elektrifizierung in der Anwendung nicht oder nur schwer umsetzbar ist sowie Strom nicht ausreichend oder verlässlich zur Verfügung steht.

Karte MENA-Region

Fraunhofer IEE legt PtX-Atlas vor

Nicht nur die MENA-Region bietet sich für solche PtX-Pläne an. Weltweit gibt es zahlreiche Gebiete, die sich für die Gewinnung erneuerbarer Energie besser eignen als Deutschland. Das verdeutlichte bereits die vom Weltenergierat in Auftrag gegebene Studie „Internationale Aspekte einer Power-to-X Roadmap“. Wie groß die jeweiligen Potenziale im Detail sind, zeigt nun der erste globale PtX-Atlas, den das Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE vorgelegt hat. Zur Bewertung der technischen und ökonomischen Potenziale wurden dabei verschiedene Analysen – etwa der Flächenverfügbarkeit und der Wetterbedingungen – vorgenommen. Auch Faktoren wie die lokale Wasserverfügbarkeit, der Naturschutz, die Investitionssicherheit oder die Transportkosten fanden Berücksichtigung.

In der Untersuchung, die im Rahmen des vom Bundesumweltministerium geförderten Projekts DeVKopSys entstand, haben sich die Experten auf Standorte außerhalb des europäischen Wirtschaftsraumes konzentriert. „Unser Atlas zeigt, dass in vielen Regionen der Welt langfristig große Mengen an PtX-Energieträgern regenerativ produziert und exportiert werden können – wobei es von Standort zu Standort durchaus erhebliche Unterschiede gibt“, berichtet Norman Gerhardt, Leiter Energiewirtschaft und Systemanalyse beim Fraunhofer IEE. Er schränkt zugleich ein: „Trotz des großen Potenzials können grüner Wasserstoff und grüne synthetische Brenn- und Kraftstoffe immer nur Ergänzung sein. Die Steigerung der Energieeffizienz und der direkte Einsatz erneuerbaren Stroms muss stets Priorität haben.“

PtX-Atlas: Enorme Potenziale für Wasserstoff und Power-to-Liquid

Die Forscher kommen in ihrer Untersuchung zu dem Ergebnis, dass sich außerhalb Europas mit Windkraft- und Photovoltaik (PV)-Anlagen langfristig insgesamt etwa 109.000 Terawattstunden flüssiger grüner Wasserstoff beziehungsweise 87.000 Terawattstunden synthetische Kraft- und Brennstoffe (Power to Liquid, kurz PtL) herstellen ließen. Dieses Gesamtpotenzial könne realistischerweise jedoch nur zum Teil erschlossen werden – unter anderem, weil es mancherorts an notweniger Investitionssicherheit oder Infrastruktur mangelt. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen kommen die Forscher immer noch auf ein Potenzial von 69.100 Terawattstunden grünstrombasiertem Wasserstoff beziehungsweise 57.000 Terawattstunden regenerativer PtL-Produkte. Zur besseren Einordnung: Für die globale Luftfahrt würden 2050 insgesamt mindestens 6.700 Terawattstunden, für den weltweiten Schiffsverkehr 4.500 Terawattstunden PtL benötigt.

770 Terawattstunden für Deutschland

Rechnet man die zur Verfügung stehenden Mengen nach dem heutigen Anteil an der Weltbevölkerung auf Deutschland herunter, so ständen demnach 770 Terawattstunden Wasserstoff beziehungsweise 640 Terawattstunden PtL für die Energieversorgung hierzulande zur Verfügung. „Das genügt, um den verbleibenden Brenn- und Kraftstoffbedarf zu decken – vorausgesetzt, Energieeffizienz und direkte Stromnutzung haben jederzeit absoluten Vorrang“, sagt Gerhardt. Der künftige PtX-Bedarf hierzulande wird, neben der allgemeinen Entwicklung der Energienachfrage, auch davon abhängen, in welchem Maße Biomasse genutzt wird.

Für alle betrachteten PtX-Erzeugungsländer gilt: Die maximal mögliche Ausbaudynamik der erneuerbaren Energien ist der wesentliche limitierende Faktor. Dabei sei auch zu beachten, dass die Nutzung des Wind- oder Solarstroms für PtX oftmals in Konkurrenz zur Dekarbonisierung der Stromerzeugung vor Ort stehe. Denn mit dem vorzeitigen Abschalten von Kohlekraftwerken in den betreffenden Ländern lassen sich die CO2-Emissionen deutlich stärker reduzieren als mit der Produktion von PtX-Energieträgern und der anschließenden Subsitution fossiler Energien.

 

Prozentuale Verteilung der PtX-Vorzugsregionen

Torten-Grafik und Weltkarte PtX-Atlas Verteilung PtX-Vorzugsregionen

Verschiedene Kostenarten berücksichtigt

Bei der Berechnung der ökonomischen Potenziale der einzelnen Standorte wurden laut Fraunhofer IEE – neben den Stromgestehungskosten der erneuerbaren Energien und den Wirkungsgraden der PtX-Prozesse – unter anderem auch Peripherie-, Speicher-, und Transportkosten berücksichtigt. Dabei kommen die Wissenschaftler zu dem Ergebnis, dass Standorte mit guten Bedingungen für die Windenergie und, wenn möglich, auch in Verbindung mit Photovoltaik (PV) die niedrigsten Erzeugungskosten aufweisen. An Standorten mit geringeren Windenergie-Ressourcen sind die PV-basierten PtX-Erzeugungskosten dagegen höher. Gerade bei Wasserstoff sind aber je nach Standort die Kosten für den Transport nach Deutschland ein entscheidender Faktor und überkompensieren dabei teilweise die Standortunterschiede.

Wasserstoff oder Power-to-Liquid: Entfernung entscheidet

Eine weitere Erkenntnis, die sich aus der Untersuchung ergibt: Laut Fraunhofer IEE ist es oft wirtschaftlicher, Brenn- und Kraftstoffe wie PtL für den europäischen Markt gleich direkt dort zu produzieren, wo auch der grüne Wasserstoff erzeugt wird. Diese Syntheseprodukte seien deutlich kostengünstiger zu transportieren. Denn um Wasserstoff über lange Distanzen zu verfrachten, muss dieser verflüssigt werden, was viel Energie verschlingt und damit Kosten verursacht. Hinzu kommen Verdampfungsverluste der Flüssiggase während des Transportes. Das zur PtL-Herstellung notwendige CO2 könne an den entsprechenden Standorten mittels Luftabscheidung gewonnen werden. Anders sehe es jedoch bei näher gelegenen Standorten etwa in Nordafrika aus. Von dort aus könnte Wasserstoff relativ kostengünstig per Pipeline nach Europa gebracht werden.

PtX-Atlas: Informationen mit wenigen Klicks

„Mit dem Atlas können Interessenten unter anderem die für PtX in Frage kommenden Flächen, die dort erreichbaren Volllaststunden und möglichen Erzeugungsmengen, die jeweiligen Gestehungskosten für die verschiedenen PtX-Energieträger sowie die Kosten für deren Transport nach Europa abrufen“, berichtet Maximilian Pfennig vom Fraunhofer IEE, der den PtX-Atlas entwickelt hat. Dessen Handhabung ist denkbar einfach. Über eine Weltkarte lassen sich einzelne markierte Standorte anklicken. Über eine Sidebar lassen sich dann länderspezifische Auswertungen abrufen. Diese umfassen:

  • Sozioökonomische Vorabanalysen auf Länderebene
  • GIS-basierte Flächenidentifizierung für PtX-Anwendungen
  • Ableitung von PtX-Erzeugungsmengen
  • Volatile Charakteristik der PtX-Erzeugung
  • Kostenbandbreiten von PtX-Kraftstoffen
  • Importkosten von PtX-Kraftstoffen in die EU

Zusätzlich sind standortspezifische Auswertungen zu Systemauslegung und Erzeugungscharakteristik sowie Kostenbestandteilen von PtX-Kraftstoffen einzusehen.

Welche Länder und Regionen als künftige Exportpartner für Deutschland und Europa in Frage kommen, sollte laut Fraunhofer IEE im Einzelfall betrachtet werden. So könnten Länder mit hohem Erzeugungspotenzial und günstigen sozioökonomischen Rahmenbedingungen wie die USA und Australien zwar große Mengen an PtX-Energieträgern herstellen, zugleich dürfte insbesondere im Falle der USA allerdings auch die inländische Nachfrage erheblich sein, was das Ausfuhrpotenzial mindert. Auch näher an Europa gelegene Staaten aus der MENA-Region, wie etwa Ägypten oder Libyen, wären prinzipiell in der Lage, große PtX-Volumina zu liefern – und auch grünen gasförmigen Wasserstoff, da die Transportstrecken vergleichsweise kurz sind. Die sozioökonomischen Bedingungen in diesen Ländern würden jedoch zu höheren Investitionsrisiken führen.

Globale Win-win-Situation durch PtX

Dass die Entwicklung eines globalen PtX-Marktes unterm Strich jedoch eine globale Win-win-Situation schaffen könnte, hat bereits eine Studie gezeigt, die von Frontier Economics und dem Institut der deutschen Wirtschaft (IW) Köln erarbeitet wurde. Der Aufbau neuer Industrien und Exportmöglichkeiten bietet künftigen PtX-Erzeugerländern demnach große Chancen. Dies gelte gerade für entwicklungsbedürftige Regionen, aber auch für Schwellenländer sowie Staaten, die gegenwärtig noch fossile Energieträger ausführen.

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