In Zukunft werden Wasserstoff und andere grüne und klimaneutrale Gase zu einem Wegbereiter der Transformation zur klimaneutralen Energiewelt. Fossiles Erdgas wird nach und nach durch Biomethan, grünen wie zunächst auch blauen oder türkisen Wasserstoff und synthetisches Methan ersetzt werden. Klimaneutrale Gase tragen heute schon zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei und werden dies künftig noch viel stärker tun. Zusammen mit der dazugehörigen Infrastruktur werden sie zum idealen Partner erneuerbaren Stroms, indem sie die Schwächen der Elektrifizierung kompensieren.
Zu Biomethan veredeltes Biogas, das in speziellen Anlagen auf „Erdgas-Qualität“ aufbereitet wird, kommt eine besondere Bedeutung zu: Natürlich durch Vergärung von Bioabfall, Gülle oder Pflanzenresten gewonnen, kann es durch seine Eigenschaften z.B. im Mobilitätssektor einen Beitrag zur Senkung der Treibhausgasemissionen leisten.
Biomethan ist ein erneuerbares Gas und wird aus Biogas gewonnen, indem dieses auf „Erdgas-Qualität“ aufbereitet wird. Während der Methangehalt bei reinem Biogas zwischen 40 und 75 Prozent liegt, besitzt es nach der Veredelung zum sogenannten Biomethan mindestens 96 Prozent. Dadurch kann es dem konventionellen Erdgas in beliebiger Menge beigemischt werden. Die Vorsilbe „Bio“ steht für die natürlich-biologische Erzeugungsmethode. Biogas entsteht in Biogasanlagen durch die natürliche Vergärung von Biomasse. Hierzu werden heute überwiegend Abfall- und Reststoffe wie Klärschlamm, Bioabfall, Gülle, Mist und sogenannte Energiepflanzen genutzt. Der Emissionsfaktor für Biogas bzw. Biomethan ist von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abhängig, je nach Substrat der Erzeugung (Energiepflanzen, Gülle, Abfall- und Reststoffen) liegt er für Biomethan zwischen 36 bis 158 g CO2/kWh. Im Jahr 2021 zählte Deutschland etwa 9.770 Biogas-Anlagen mit einer elektrischen Leistung von 5.860 MW. Dazu zählen auch 238 Biogasaufbereitungsanlagen für Biomethan. Diese speisen derzeit etwa 10 TWh in das deutsche Gasnetz ein, was etwa 1 Prozent des Gasabsatzes in Deutschland entspricht.
Seit 2007 bieten Deutschlands Gaslieferanten für Endkunden bundesweite Lieferungen von reinem Biogas bzw. Erdgas, dem Biogas beigemischt wurde, an. Von besonderem Interesse ist Biomethan auch für den Mobilitätssektor. So kann Biomethan, rein oder vermischt mit Erdgas und komprimiert zu CNG (Compressed Natural Gas) als Kraftstoff für PKWs, LKWs und Busse verwendet werden und damit einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Treibhausgasemissionen leisten.
Grüner Wasserstoff ist ein erneuerbares Gas und wird mittels Elektrolyse in so genannten Power-to-Gas-Anlagen hergestellt. Dazu wird Wasser mit elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Stammt die elektrische Energie weit überwiegend aus erneuerbaren Energien, wird der Wasserstoff als grün bezeichnet. Da bei dem Umwandlungsverfahren kein CO2 entsteht, beträgt der Emissionsfaktor von grünem Wasserstoff 0 g CO2/kWh. Aktuell existieren drei verschiedene Varianten des Elektrolyseverfahrens, die einen unterschiedlichen technischen Reifegrad aufweisen. Dabei handelt es sich um die alkalische Elektrolyse, die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse. Bislang sind vor allem die alkalische Elektrolyse und die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse als Niedrigtemperaturelektrolysen gut etabliert und werden kommerziell eingesetzt. Die alkalische Elektrolyse ist dabei die ausgereiftere Technologie, welche schon seit Jahren in verschiedenen Anwendungen eingesetzt wird. Die Hochtemperaturelektrolyse befindet sich noch in der Entwicklungsphase.
Der mittels Power-to-Gas-Anlagen (Elektrolyseure) erzeugte Wasserstoff kann in einem zusätzlichen Schritt unter Zuführung von Kohlendioxid in synthetisches Methan umgewandelt werden (Sabatier-Prozess). Als CO2-Quelle kann Biogas dienen, andere Quellen können industrielle Prozesse und Kläranlagen sein. Das benötigte CO2 könnte in Zukunft für kleinere Mengen auch aus der Luft gewonnen werden (Direct Air Capture). Der Herstellungsprozess des synthetischen Methans ist CO2-neutral. Neben dem Sabatier-Prozess gibt es auch die Möglichkeit zur biologischen Methanisierung, die aber derzeit noch nicht im großen Maßstab verfügbar ist.
Da synthetisches Methan identische Brenneigenschaften wie fossiles Erdgas hat, kann es ohne Mengenbegrenzung in das Erdgasnetz eingespeist werden. Darüber hinaus gibt es keine Restriktionen in der Endanwendung.
Bislang wird Wasserstoff industriell primär mittels Dampfreformierung aus fossilem Erdgas (Methan) gewonnen. Das so entstehende Produkt wird als grauer Wasserstoff bezeichnet. Wird das bei der Dampfreformierung entstehende CO2 mittels Carbon Capture and Storage (CCS) aus dem Abgasstrom abgeschieden und in geologischen Strukturen gespeichert und gelangt nachweisbar nicht in die Atmosphäre, entsteht so genannter blauer (treibhausgasneutraler) Wasserstoff. Blauer Wasserstoff ist damit ein dekarboniertes Gas.
Eine noch in der Entwicklung befindliche Alternative zur Dampfreformierung in Kombination mit CCS stellt die CO2-freie Wasserstoffherstellung aus Methan mittels Pyrolyse dar. Bei dem Pyrolyseverfahren wird der Kohlenstoff als Feststoff abgeschieden und kann so vergleichsweise einfach gespeichert oder als Rohstoff weiterverwendet werden, wodurch der Emissionsfaktor auch nahe Null ist. Der mittels Pyrolyse hergestellte Wasserstoff wird als türkiser Wasserstoff bezeichnet. Bislang ist das Verfahren auf dem Markt allerdings noch nicht etabliert und findet nur im Forschungsmaßstab Anwendung.
Grüngasquote ist das volkswirtschaftlich sinnvollste Instrument für den Markthochlauf
Bislang existieren sowohl auf EU- als auch auf Bundesebene zur Förderung für erneuerbare Gase keine konsistenten Programme für einen Markthochlauf der neuen Technologien. Es herrscht jedoch Einigkeit, dass Anlagenkosten insbesondere für Elektrolyseure durch eine Skalierung der Produktion gesenkt werden müssen, um eine Wirtschaftlichkeit der Produktion für erneuerbare Gase zu erreichen. In der Diskussion stehen dabei insbesondere eine Quote für grüne bzw. dekarbonisierte Gase oder ein zeitlich begrenztes Marktanreizprogramm.
Der FNB Gas hat die nymoen|strategieberatung gmbh beauftragt, im Rahmen einer Kurzstudie das Instrument einer Grüngas-Quote zu analysieren und mit weiteren ausgewählten Fördermechanismen zu vergleichen. Im Ergebnis ist die Quote das einzige Instrument, das definierte Mengenziele und damit implizit CO2-Reduktionsziele sicher erreichen kann. Kein anderes Instrument ermöglicht neben der Festlegung des Zielwertes die zielgenaue Möglichkeit der Festlegung der Ausbaugeschwindigkeit.
Bei entsprechender Ausgestaltung ist die Quote auch volkswirtschaftlich das sinnvollste Instrument für einen Markthochlauf grüner Gase. Die Quote hat (neben dem CO2-Handel) als einziges Förderinstrument über die Herkunftsnachweise, sofern implementiert, eine handelbare Komponente, die für die kostengünstigste Umsetzung sorgt. Wenn vorgesehen ist, dass für die Erfüllung der nationalen Quote auch Importe verwendet werden können, besteht ebenfalls eine Möglichkeit der internationalen Ausweitung.
