Wasserstoff im Wärmebereich Teil 2: Wasserstoff im Wärmesektor – Vergleich verschiedener Studien

​veröffentlicht am 22. Februar 2023

In diesem Teil unserer Kompassserie fokussieren wir uns auf das Potenzial von Wasserstoff als mögliche Dekarbonisierungslösung im Wärmesektor. Hierzu werden die Ergebnisse der Bottom-Up Studie aus dem Jahr 2022⁸ mit anderen Wasserstoff-Studien verglichen.

In Teil 1 unserer dreiteiligen Serie zum Thema Wasserstoff im Wärmebereich haben wir die Kernaussagen der Bottom-Up Studie⁸ von Fraunhofer ISE und Fraunhofer IEE aus dem Dezember 2022 zusammengefasst. Im Rahmen dieser vom Nationalen Wasserstoffrat beauftragten Studie werden Pfadoptionen einer effizienten und sozialverträglichen Dekarbonisierung des Wärmesektors untersucht. Dabei steht im Mittelpunkt, welche Rolle Wasserstoff in der künftigen Wärmeversorgung spielen könnte. Diese Studie zielt darauf ab, die Unterschiede zwischen lokalen Gegebenheiten und den bisherigen Top-Down Lösungspfaden aufzulösen⁸. Dabei wird für vier repräsentative Standorte untersucht, wie der Wärmebereich dekarbonisiert werden kann. Bei diesem sogenannten Bottom-Up Ansatz werden ausgehend von der Betrachtung der lokalen Ebene Rückschlüsse zur Dekarbonisierung des Wärmesektors in Deutschland abgeleitet.

Der Wärmebereich ist mit einem Gesamtenergiebedarf von insgesamt ca. 1.348 TWh im Jahr 2020 im Vergleich zum Verkehr und zur Industrie der Sektor mit dem höchsten Energiebedarf. Davon entfallen ca. 780 TWh auf Raumheizung und Warmwasser⁴.

Quelle: Eigene Abbildungen, Daten AGEB (2021)¹ & BDEW (2022)⁴

Der wichtigste Energieträger für die Wärmeversorgung in Deutschland ist Erdgas (47 %). Danach folgen Öl (16 %), Strom (14 %), Erneuerbare (13 %) und Kohle (9 %). In Deutschland dominiert die dezentrale Wärmeversorgung mit 92 %. Die Fernwärme spielt mit 8 % nur eine geringere Rolle. Für die Zukunft rücken zahlreiche Studienergebnisse den Ausbau der Fernwärmeversorgung als wirkungsvolles Instrument der Wärmewende in den Mittelpunkt⁴. Die Dekarbonisierung des Wärmesektors ist gerade seit der Energiekrise in den Fokus gerückt. Die zentrale Frage ist, wie der Wärmesektor sozial verträglich den hohen Anteilen von fossilen Brennstoffen reduzieren kann.

Einordnung der Ergebnisse und Gegenüberstellung zu anderen Studien

Teil 1 unserer Kompassserie fasst die Kernaussagen der Bottom-Up Studie von Fraunhofer (2022) zusammen. Für die Studie wurden fünf zukünftige Markt- und Versorgungsszenarien entwickelt, je Szenario die Rolle von Wasserstoff untersucht und die Ergebnisse für die Versorgung von ganz Deutschland extrapoliert. Nur in einem der fünf Szenarien wird ein signifikanter Wasserstoffbedarf im Jahr 2030 angenommen, während die anderen Szenarien erst 2045 einen nennenswerten Bedarf an Wasserstoff erwarten. In drei der fünf Szenarien ist der Wasserstoffbedarf nur zu decken, wenn eine hohe Wasserstoffverfügbarkeit von 1.000 TWh jährlich angenommen wird. Langfristig werden also in einigen Szenarien sehr hohe Wasserstoffbedarfe im Wärmebereich erwartet. Laut der Studie ist Wasserstoff für die Wärmeversorgung dann interessant, wenn der Wasserstoff verhältnismäßig günstig zur Verfügung steht. Abgesehen von den offenen Fragen bezüglich der Herkunft des Wasserstoffs und der Finanzierung sieht die Studie in der erweiterten Wasserstoffnutzung eine Möglichkeit, die Strominfrastruktur langfristig zu entlasten.

Vergleicht man die Ergebnisse der Bottom-Up Studie von Fraunhofer⁸ mit anderen Studien und Konzeptpapieren, fällt auf, dass die Meinungen über den Einsatz von Wasserstoff im Wärmesektor auch in der langfristigen Perspektive und insbesondere für Raumwärme und Warmwasserbereitstellung weit auseinander gehen. Bisherige Studien verwendeten im Wesentlichen den Top-Down Ansatz. Dieser verfolgt im Gegensatz zur Bottom-Up Methode die Überleitung vom Allgemeinen zum Konkreten¹⁰.

Das Umweltbundesamt (2022) sieht den Einsatz von Wasserstoff im Wärmesektor fraglich, da brennstofffreie Alternativen wie Solarthermie, (Tiefen-)Geothermie und Umweltwärme sowie Abwärme existieren. Wasserstoff sollte laut UBA nur in Situationen eingesetzt werden, in denen keine anderen Wärmequellen zur Verfügung stehen. Insgesamt wird Wasserstoff nach Einschätzung des UBA demnach in der Zukunft im Wärmesektor nur als Nischenlösung fungieren. Er könnte in Gebieten mit Netzengpässen oder Platzmangel ebenso zum Einsatz kommen wie in Häusern, die nach umfangreichen Umbaumaßnahmen dennoch auf Verbrennungslösungen angewiesen sind¹¹. Dies unterstützt das Grundlagenpapier des Nationalen Wasserstoffrates, die auf der beauftragten Bottom-Up Studie aufbaut. Die Autoren berufen sich auf diese Analyse und schlussfolgern, dass Wasserstoff in Gebieten, in denen Fernwärme weniger stark ausgeprägt ist, Bedeutung gewinnen könnte. Die Autoren rechnen mit einem Einsatz von Wasserstoff im Wärmemarkt ab 2030 und betonen die Entwicklung lokal geeigneter Dekarbonisierungspfade. Für die Fernwärmeerzeugung und Prozesswärme sieht die Analyse Wasserstoff als unabdingbar. Mit einem Anteil von bis zu 40% sei dies unabhängig von der betrachteten Kostenentwicklung kostenoptimal⁹.

Auch die neue Studie des Fraunhofer ISI (2023) zum Thema „Preiselastische Wasserstoffnachfrage in Deutschland – Methodik und Ergebnisse” kommt zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff insbesondere für No-Regret-Anwendungen eine Rolle spielen wird. Wasserstoff wird demnach in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen nach heutigem Forschungsstand keine ökonomisch attraktiveren Alternativen zur Verfügung stehen. Diese Studie kommt zum Ergebnis, dass Wasserstoff bei den unterstellten Preispfaden keine große Bedeutung für den Wärmebereich haben wird. Eine größer angelegte Förderung des Wasserstoffeinsatzes für die Gebäudewärme erscheint daher nicht sinnvoll. Wasserstoff wird laut der Studie jedoch zum Beispiel in der Industrie von höherer Bedeutung sein¹².

Auch drei weitere Studien, die den Energiemix und den für die Raumheizung und Warmwasserbereitstellung benötigten Wasserstoff im Jahr 2045 prognostiziert haben, gehen von einem sehr geringen Einsatz von Wasserstoff diesem Bereich aus. Diese bisherigen Analysen unterscheiden sich im Jahr 2045 deutlich von der Bottom-Up Studie von Fraunhofer (2022). Diese erwartet im Jahr 2045 einen Wasserstoffbedarf zwischen 150 und 620 TWh. In der unten dargestellten Grafik zeigt jedoch nur die DENA-Studie einen Wasserstoffbedarf im Jahr 2045 für Raumwärme und Warmwasser von ca. 80 TWh. Die Studien von Agora und BDI weisen keinen Bedarf an Wasserstoff für Raumwärme und Warmwasser im Jahr 2045 aus. Über alle drei Studien hinweg wird ein deutlicher Rückgang des Endenergieverbrauchs für Raumwärme und Warmwasser bis 2045 mit sehr geringen Anteilen an grünen Gasen bzw. Wasserstoff prognostiziert.

Quelle: Eigene Darstellung: Vergleich von Agora Energiewende (2021)², Deutsche Energie-Agentur (2021)⁶ & BDI (2021)⁵

Die Agora-Studie „12 Thesen zu Wasserstoff” aus dem Jahr 2022 postuliert, dass die wissenschaftlichen Erkenntnisse zeigen, dass Wasserstoff eine Rolle spielen wird, aber der Elektrifizierung untergeordnet ist. Laut Agora sollte sich der Einsatz von Wasserstoff vielmehr auf die „No-Regret-Anwendungen” konzentrieren. Dazu zählt aus Sicht der Autoren die dezentrale Wärmeversorgung von Haushalten nicht und Fernwärme nur dann, wenn keine anderen Technologien zur Dekarbonisierung der Erzeugungsstruktur zur Verfügung stehen. Nur 10% des gesamten Wasserstoffverbrauchs werden im Gebäudesektor erwartet. Der Wasserstoffeinsatz kann in der Fernwärmeversorgung mit KWK-Kraftwerken laut Agora eher sinnvoll als in der in der dezentralen Wärmeversorgung sein. Da Niedertemperaturwärmeanwendungen 40 % des Erdgasverbrauchs ausmachen, ist Wasserstoff auch für die industrielle Beheizung nicht zu favorisieren. Hier werden Wärmepumpen als geeignetere Technologie angesehen. Für Mittel- und Hochtemperaturwärme ist der Ansatz noch unklar. In Bereichen, in denen Wasserstoff bereits aus anderen Gründen genutzt wird, liegt es nahe, Wasserstoff in die energetische Nutzung einzubeziehen³.

Darüber hinaus schätzt die Agora-Studie „12 Thesen zum Wasserstoff”, dass Wasserstoff im Jahr 2050 zwischen 3 und 3,5 Euro pro Kilogramm kosten wird³. Dies entspricht 9 bis 10,5 Cent pro kWh. Der Deutsche Bundestag schätzt, dass die Kosten für die Herstellung und den Transport von importiertem Wasserstoff zwischen 9 und 15 Cent pro kWh liegen werden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn grüner Wasserstoff in Regionen erzeugt wird, die günstige Gestehungskosten für Solar- oder Windenergie haben. Die Lieferung in ländliche, nicht gut angebundene Gegenden könnte den Preis auf 15-21 ct/kWh erhöhen⁷. Der Nutzen von Wasserstoff wird für zahlreiche Anwendungen, darunter auch die Bereitstellung von Raumwärme, durch diesen hohen Preis in Frage gestellt. Nach der Agora-Studie sollten die Gestehungskosten für Wasserstoff nicht mehr als 7 Cent pro kWh (entspricht 2,5 Euro/kg) betragen, um mit dem Einsatz von Wärmepumpen konkurrenzfähig zu sein³. Zum Vergleich: Die Bottom-Up Studie unterscheidet die Szenarien niedrige Kosten (10,8 / 9 ct/kWh) und hohe Kosten (16,3/ 14,5 ct/kWh).

Fazit und Handlungsempfehlungen für Energieversorger

Die zukünftige Bedeutung von Wasserstoff im Wärmebereich – insbesondere im Bereich der Raumwärme und Warmwasserbereitstellung – ist umstritten. Die Bottom-Up Studie von Fraunhofer integriert über die Betrachtung der Prozesswärme in den ausgewählten Gebieten teilweise auch den Wasserstoffbedarf in der Industrie, der sich aus der Deckung der Prozesswärme hochgerechnet auf Deutschland ergibt. Im Jahr 2030 werden in der Wärmeversorgung keine nennenswerten Wasserstoffanteile erwartet. Langfristig bis 2045 nehmen die Bedarfsprognosen an Wasserstoff zu und liegen zwischen 150 und 620 TWh. Das Umweltbundesamt (2022) und Fraunhofer ISI (2023) kommen zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff im Gebäudebereich auch im Jahr 2045 nur als Nischenlösung fungieren wird. Auch die Studie von Agora (2021) und BDI (2021) sehen Wasserstoff nicht als wirtschaftlichen Energieträger für die Wärmeversorgung im Jahr 2045. Für die Deckung des Bedarfs an industrieller Prozesswärme wird Wasserstoff in einigen Studien hingegen angeführt.

 
Eine Empfehlung der Bottom-Up Studie deckt sich jedoch mit unseren Aussagen in der Wärmezielscheibe aus dem Jahr 2019 und vielen der dargelegten Untersuchungen: Es existiert keine One-Fits-All Lösung für den Wärmebereich. Daran wird auch der vielbeschworene Wasserstoff zunächst nichts ändern. Die Autoren der Bottom-Up Studie schlussfolgern, dass die eingesetzten Technologien zur klimaneutralen Energieversorgung je Versorgungsgebiet und in Abhängigkeit der lokalen Gegebenheiten stark variieren. Die hohe H2-Nutzung in der langfristigen Wärmeversorgung setzt einen Ausbau und eine Umstellung von Infrastrukturen im europäischen und internationalen Raum sowie niedrige Wasserstoffendkundenpreise voraus. Stadtwerke und Wärmeversorgungsunternehmen sollten daher kurz- und mittelfristig bis zum Jahr 2030 keine zu großen Hoffnungen auf Wasserstoff setzen. Der erste Schritt sollte vielmehr sein, die Nutzung der Technologien, die vor Ort vorhanden sind, in den Mittelpunkt zu stellen. Dabei sollten insbesondere die (Tiefen-) Geothermie und Umweltwärme, Abwärme und Solarthermie, Power-to-Heat und ggf. Biomasse in Betracht gezogen werden. Wasserstoff kommt dort zum Einsatz, wo die oben genannten Technologien nicht in ausreichendem Umfang zur Verfügung stehen.

Um die Wärmeversorgung zu dekarbonisieren, sollten die lokalen und regionalen Möglichkeiten – zum Beispiel im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung – untersucht werden. Dabei sollten potenziell alle klimaneutralen Energieträger sowie die notwendige Infrastruktur im Hinblick auf Strom, Erdgas und Wasserstoff berücksichtigt werden. Daraus sollte ein konkreter Handlungsleitfaden und Maßnahmen unter den gegebenen Randbedingungen wie zum Beispiel Finanzierungskraft, Verfügbarkeit von Fachkräften und Fördermittel entwickelt werden, der die wirtschaftliche und nachhaltige Wärmeversorgung der Kommunen und Städte sichert.

Die Erarbeitung eines sinnvollen Dekarbonisierungspfads kann dabei teilweise über Förderprogramme abgedeckt werden. Im BEW dürfen beispielsweise zur Einhaltung der Dekarbonisierungsziele nur 50 % über Wasserstoff abgedeckt werden. Daraus lässt sich schlussfolgern: Die gesamte Wärmestrategie auf den Ersatz von fossilen Brennstoffen durch Wasserstoff zu fußen, wäre zum heutigen Zeitpunkt zu riskant und einseitig. Wasserstoff wird langfristig vermutlich eher die Lücke schließen, wenn andere erneuerbare Energiequellen nicht in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen. Letztlich wird der Einsatz von Wasserstoff im Wärmemarkt insbesondere von der Verfügbarkeit und den Marktpreisen von Wasserstoff sowie der Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Wärmequellen abhängen. Die Einbindung von CO₂-freien Wärmequellen, Wasserstoff und Wärmepumpen erfordert massive Investitionen in die Erzeugungskapazitäten, Netzinfrastruktur und die Sektorenkopplung.

Literaturverzeichnis:
¹ AGEB (2021): „Auswertungstabellen zur Energiebilanz Deutschland”.
² Agora Energiewende (2021): „Klimaneutrales Deutschland 2045”.
³ Agora Energiewende (2022): „12 Thesen zu Wasserstoff”. Link: A-EW_258_12_Thesen_zu_Wasserstoff_WEB.pdf (agora-energiewende.de)
⁴ BDEW (2022): „Entwicklung des Wärmeverbrauchs in Deutschland”. Link: Foliensatz zur BDEW-Publikation Entwicklung des Wärmeverbrauchs in Deutschland
⁵ Bundesverband der deutschen Industrie e.V. (BDI) (2021): „Klimapfade 2.0 – Ein Wirtschaftsprogramm für Klima und Zukunft”.
⁶ Deutsche Energie-Agentur (dena), EWI (2021): „Klimaneutralität 2045 – Transformation der Verbrauchssektoren und des Energiesystems”.

⁷ Deutscher Bundestag (2020): „Kosten der Produktion von grünem Wasserstoff”. Link: WD-5-029-20-pdf-data.pdf (bundestag.de)
⁸ Fraunhofer Institut (2022): „Bottom-Up Studie zu Pfadoptionen einer effizienten und sozialverträglichen Dekarbonisierung des Wärmesektors”. 
⁹ Nationaler Wasserstoffrat (2023): „Treibhausgaseinsparungen und der damit verbundene Wasserstoffbedarf in Deutschland”. Link: 2023-02-01_Grundlagenpapier_H2-Bedarfe.pdf (wasserstoffrat.de)
¹⁰ Thüga (2023): „Klimaziele erreichen: Welche Studie hat recht?”. Link: Klimaziele erreichen: Welche Studie hat recht? | Thüga (thuega.de)
¹¹ Umweltbundesamt (2022): „Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem”. Link: Wasserstoff – Schlüssel im künftigen Energiesystem | Umweltbundesamt
¹² Wietschel, M.; Weißenburger, B.; Rehfeldt, M.; Lux, B.; Zheng, L.; Meier, J. (2023): „Preiselastische Wasserstoffnachfrage in Deutschland – Methodik und Ergebnisse”. HYPAT Working Paper 01/2023. Fraunhofer ISI (Hrsg.). Link: Preiselastische Wasserstoffnachfrage in Deutschland – Methodik und Ergebnisse (hypat.de)