3.1 Die Struktur der Gasversorgung und des Wärmemarkts heute – es droht eine Wärmelücke
Derzeit importiert Deutschland mehr als 70 Prozent seiner Primärenergie.[3]
Es steht fest, dass wir fossile Energieträger durch emissions- neutrale Energiequellen ersetzen müssen, um das Ziel der Klima- neutralität im Jahr 2050 zu erreichen.
Momentan decken erneuerbare Energien nur etwa ein Sechstel des deutschen Primärenergieverbrauchs ab.[5] Um die verbleibenden fünf Sechstel zu decken, müsste die gegenwärtig in Deutschland installierte Windkraft- und Photovoltaik-Leistung mehr als verzehn- facht1 werden.[6] Angesichts des moderaten Ausbautempos der erneuerbaren Energien in den vergangenen Jahren, umfangreicher Flächennutzungsrestriktionen und von Akzeptanzproblemen wird deutlich, dass Deutschland künftig signifikante Anteile seiner Primärenergie importieren und gleichzeitig die Erneuerbaren am- bitioniert ausbauen muss. Dies gilt auch bei einem perspektivisch sinkenden Primärenergiebedarf.
Im aktuellen politischen und öffentlichen Diskurs stellt sich zu- nehmend Wasserstoff als favorisiertes Transportmedium für den Import erneuerbarer Energien heraus. Denn mit der Nutzung dieses Energieträgers lassen sich zügig und in enormem Umfang CO2- Emissionen mindern – überall dort, wo Energie benötigt wird. Die vorhandene Gasinfrastruktur spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Sie bietet ideale Voraussetzungen, um klimaneutralen Wasserstoff aufzunehmen, zu speichern, zu transportieren und zu verteilen. Der Wärmemarkt in Deutschland verbrauchte im Jahr 2019 1.330 TWh Energie. Dies entspricht 53 Prozent des Endenergie verbrauchs.[3] Der allergrößte Teil davon wurde in Form von Molekülen2 bereitgestellt, und dies wird sich auch länger fristig kaum ändern. Daher ist es essenziell, gerade diese Moleküle zu dekarbonisieren.
Gerade in den Ballungszentren stehen im Wärmesektor mit dem Gasnetz, dem Fernwärmenetz und dem Stromnetz verschiedene Infrastrukturen zur Erreichung der Klimaneutralität zur Verfügung. Im ländlichen Raum sind die Möglichkeiten meist weniger viel- fältig. Es wird auch zukünftig ein Nebeneinander dieser Infra- strukturen geben müssen. Jede hat dabei spezifische Vorteile.
Gasanwendungen sind besonders in Altbauten und Bestandsge- bäuden vorteilhaft. Auch bei niedrigen Sanierungsquoten können hier über das Gasnetz die Klimaziele erreicht werden.
Darüber hinaus findet im Bereich der Fernwärme und der Stromerzeugung derzeit ein „Fuel-Switch“-Prozess von Kohle zu gasbasierter Wärmeerzeugung statt. Im Bereich der häuslichen Heizungen ist der Wechsel von Erdöl- zu Erdgasanwendungen zu beobachten. Der nächste konsequente Schritt ist in beiden Fällen der zunehmende Einsatz klimaneutraler Gase. Um diesen Schritt zu ermöglichen, bedarf es der Ertüchtigung der Gasverteilnetze.
Einige Akteure setzen sich für eine vollständige Elektrifizierung des Wärmemarktes ein. Dabei werden die Klimaschutzpotenziale von Gasen häufig unterschätzt, indem nur technologische Wirkungs- grade als Bewertungsparameter betrachtet werden. Dadurch werden systemische Gesamtzusammenhänge vernachlässigt und so volkswirtschaftlich nicht optimale Lösungen propagiert.3 Zudem würde eine umfassende Elektrifizierung einen erheblichen zusätzlichen Stromnetzausbau notwendig machen.[7] Damit die Wärmewende bezahlbar4 bleibt, sollte sie dezentral und techno- logie- sowie anwendungsoffen ausgestaltet werden. Denn eine vollständige Elektrifizierung birgt hohe Risiken:
Selbst bei einer angenommenen Verdopplung der derzeitigen Sanierungsraten auf künftig jährlich 2 Prozent wären bis 2050 nur 60 Prozent der Gebäude energetisch saniert.
Dabei ist zudem zu beachten, dass eine energetische Sanierung beim Einbau einer Wärmepumpe im Gebäudebestand signifikant umfangreicher und kostenintensiver ist als ein Tausch einer alten Heizung mit einer klimafreundlichen Heizung.5 In Ortschaften ohne Zugang zum Gasnetz werden umfangreiche Sanierungen und auch die Nutzung von Technologien wie Wärmepumpen zum Erreichen der Klimaneutralität notwendig sein. Dort, wo aber eine Gasnetzinfrastruktur existiert, kann der Dekarboni- sierungsprozess von der Sanierung entkoppelt werden – durch die Nutzung klimaneutraler Gase. Hinzu kommen bereits heute stark begrenzte Kapazitäten im Handwerk, die steigende ener- getische Sanierungsraten in den kommenden Jahren deutlich erschweren. Die Klimaneutralität im Gebäudesektor ist auf diese Weise entsprechend nicht erreichbar.
Infolge des Kernenergie- und Kohleausstiegs geht die gesicherte Erzeugungsleistung in Deutschland zurück, die verbleibende Stromerzeugung ist zu überwiegenden Teilen volatil. Zeiten der sogenannten „dunklen Flaute“ 6 treten insbesondere in den Wintermonaten auf. In diesen liegen auch die Tage mit den Ver- brauchsspitzen für die Wärmeversorgung. Es kommt also der Höchstverbrauch mit einer Mangellage zusammen: Die Strom- lücke wird dadurch gleichzeitig zur Wärmelücke und verschärft sich deutlich.7 Hierdurch wird die Versorgungssicherheit sowohl strom- als auch wärmeseitig massiv gefährdet. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass sich diese Zusammenhänge zudem erheblich auf die Preise am Energiemarkt auswirken.
Die deutsche Gasversorgungsinfrastruktur bietet über die Möglich- keit der Substitution des Brennstoffs Erdgas durch klimaneutrale Gase eine parallele Handlungsoption, die die Stromnetze entlastet und einen deutlich geringeren Ressourcenaufwand insbesondere bei den Wärmenutzern und Endanwendern der Gasversorgung mit sich bringt. Es ist zudem davon auszugehen, dass klimaneutraler Wasserstoff in den kommenden Jahren eine erhebliche Kosten- und Preisdegression erfahren wird. Demzufolge ist zu erwarten, dass sich die Umstellung von fossilen Energieträgern auf die Nut- zung von Wasserstoff längerfristig kaum auf die Betriebskosten der Heizsysteme auswirken wird.
Die Klimaschutzziele und die gesetzlichen Vorgaben zur CO2Reduktion im Industriesektor können über die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastrukturen erreicht werden.
In Deutschland werden ca. 600 Großindustriekunden direkt über die Gastransportnetze beliefert. Der weitaus überwiegende Teil der Gasnutzer mit ca. 1,6 Mio. industriellen und gewerblichen Letztverbrauchern ist jedoch an die Verteilnetze angeschlossen.8 Mehr als 50 Prozent des Gasverbrauchs großer Industriekunden, die mehr als 100 Mio. kWh verbrauchen, und von Kraftwerken mit mehr als 10 MW Leistung wird aus Verteilnetzen geliefert. Hieraus wird ersichtlich, dass eine Wasserstoffversorgung allein über Strukturen auf Fernleitungsnetzebene die Industrie bei weitem nicht vollständig erreichen und dekarbonisieren kann. Durch eine Umstellung der Verteilnetze für die Durchleitung von Wasserstoff kann dieser den Letztverbrauchern direkt zur Verfügung gestellt werden. Darüber hinaus existieren zahlreiche Industrie- und Ge- werbebetriebe, die leicht an das Verteilnetz anschließbar sind und so beispielsweise von Kohle bzw. Koks oder Mineralölprodukten auf eine Wasserstoffversorgung wechseln können. Sollte diese Option ungenutzt bleiben, wird der ohnehin anspruchsvolle Weg der Industrie und des verarbeitenden und produzierenden Gewerbes in die Klimaneutralität deutlich schwieriger und kostenintensiver. Dies würde der Wettbewerbsfähigkeit des Industriestandorts Deutschland erheblichen Schaden zufügen.
Auch in der Mobilität kann Wasserstoff über umgestellte Gas- verteilnetze als Kraftstoff an einer schnell wachsenden Zahl von Tankstellen zur Verfügung gestellt werden.
3.2 Die Potenziale von klimaneutralen Gasen und der Gasverteilnetze für den Klimaschutz
Für die Dekarbonisierung der Gasversorgung stehen mit Bio- methan, synthetischem Methan aus grünem Wasserstoff sowie klimaneutralem Wasserstoff drei Optionen mit großen Mengen- und CO2-Minderungspotenzialen zur Verfügung. Biomethan und synthetisches Methan können bereits heute problemlos von der bestehenden Gasnetzinfrastruktur aufgenommen werden. Wasserstoff erfordert eine schrittweise Anpassung bzw. Weiter- entwicklung der Gasnetzinfrastruktur, ist aber aufgrund seiner großen Skalierbarkeit in der internationalen Produktion und seiner Wirkungsgradvorteile gegenüber synthetischem Methan der gas- förmige Energieträger der Zukunft.
Die Gasfernleitungsnetzbetreiber haben mit der Vorstellung des „visionären Wasserstoffnetzes“ im Januar 2020 einen wichtigen ersten Schritt zur Entwicklung einer flächendeckenden Wasser- stoffversorgung für Deutschland über die Gasinfrastruktur beschrieben.[4]
Der hier aufgezeigte „H2-Backbone“ kann die Verteilnetze pers- pektivisch hocheffizient mit H2 versorgen. Diese können den H2 dann im Zusammenwirken mit den steigenden Mengen dezentral erzeugten Wasserstoffs flächendeckend den Hunderttausenden industriellen und gewerblichen Anwendern sowie vielen Millionen Haushalten zur Verfügung stellen.
Auch die Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) macht deutlich: Der Ausbau der H2-Infrastruktur wird voraussichtlich in ähnlicher Weise wie der Ausbau der Erdgas-Infrastruktur verlaufen.[2] Das bedeutet konkret, dass die H2-Umstellung vor Ort sich stark an der industriellen Nachfrage orientieren wird. Genauso wie bei Erdgas ist es jedoch sinnvoll, die Vorteile wie beispielsweise die Klimaneutralität, die H2 der Industrie bietet, zeitgleich auch den anderen Endverbrauchern durch die ohnehin stattfindende Umstellung des jeweiligen Netzabschnitts zur Verfügung zu stellen. So wird neben der Dekarbonisierung der Industrie auch die sukzessive Dekarbonisierung anderer Gewerbe und der Wärme- versorgung der Haushalte ermöglicht. Neben der Umstellung von Verteilnetzen auf 100 Prozent Wasserstoff kann H2 dort auch bis zu 20 Prozent (siehe 3.3) der etablierten Methanversorgung beigemischt werden.
Das Interesse der Verbraucher und damit auch der Heizgeräte- und Anlagenhersteller an der Nutzung von H2 steigt rapide an. Dementsprechend sind gegenwärtig deutliche Trends in der End- geräteentwicklung erkennbar, die aufzeigen, dass die deutsche Geräte- und Komponentenindustrie in der Lage sein wird, die zur Erreichung der Klimaneutralität mit Gasen erforderlichen Techno- logien rechtzeitig in ausreichender Menge und zu wettbewerbs- fähigen Preisen zur Verfügung zu stellen.
Die Errichtung und Weiterentwicklung des deutschen H2-Back- bones sollte aus Sicht der Projektteilnehmer von H2vorOrt daher konsequent verfolgt und umgesetzt werden. Gleichzeitig müssen die deutschen Gasverteilnetzbetreiber sicherstellen, dass sie so zeitnah wie möglich, spätestens aber bis 2050 in der Lage sind, Verbraucher aus Industrie, Gewerbe und Haushalten auch mit 100 Prozent H2 zu versorgen. Dies ist aus den folgenden Gründen sinnvoll:
GERINGERE KOSTEN: Es ist absehbar, dass ein weitgehender Ersatz des heutigen Energieimports durch heimische Erzeugung nicht gelingen wird. Somit werden weiterhin große Men-gen an Energie importiert werden und innerhalb von Deutschland transportiert werden müssen. Die Kosten der Ertüchtigung der deutschen Gasverteilnetze betragen nur einen Bruchteil der Kosten, die für den Neubau einer ähnlichen H2-Infrastruktur oder den ambitionierten, alternativ notwendigen Ausbau der Stromübertragungs-, -verteil- und -erzeugungsinfrastruktur anfallen würden.11
Stärkung der VERSORGUNGSSICHERHEIT/RESILIENZ: H2-ready12 Gasnetze stärken die Resilienz des Energiesystems auf zwei Ebenen:
- Für die Erreichung der Klimaneutralität ist es zielführend, nicht nur auf einen Energieträger allein zu setzen.
- Mit der Umstellung auf H2-Readiness stehen die Verteilnetze für den Transport sämtlicher dekarbonisierter Gase bereit. Sie können sowohl H2 als auch klimaneutrales Methan trans- portieren und somit flexibel auf die zukünftige Angebots- und Nachfragesituation reagieren.
FRÜHERE CO2-REDUKTION IST WERTVOLLER KLIMASCHUTZ: Auf dem Weg in die Klimaneutralität ist gerade die frühzeitige Reduzierung von THG-Emissionen notwendig, um die Klimaer- wärmung auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Der zeitliche Auf- wand für die Ertüchtigung der Verteilnetze auf H2-Readiness ist signifikant geringer als der für eine weitgehende Elektrifizierung. Mit dem Einsatz klimaneutraler Gase (wie etwa Biomethan und lokal erzeugter H2) durch Beimischung ins bestehende Gasnetz können zeitnah großflächige und umfangreiche CO2-Reduktionen realisiert werden. Mittelfristig kann im Rahmen von netzab- schnittsweiser Umstellung auf H2 oder andere klimafreundliche Gase schnell und mit vergleichsweise geringen Kosten für die Verbraucher der Gebäudebestand vollständig dekarbonisiert werden. Damit wird auch lokal und regional ansässigen Industrie- und Gewerbebetrieben eine technologisch für alle Beteiligten implementierbare Lösung zur Dekarbonisierung geboten, die zugleich die lokale Wertschöpfung beflügelt.
Bereits im Jahr 2018 prognostizierte der Weltenergierat[6] ein weltweites Marktpotenzial von bis zu 20.000 TWh jährlich für grüne synthetische Brennstoffe (dies entspricht ca. 50 Prozent der weltweiten Nachfrage nach Rohöl). Wir gehen davon aus, dass der Paradigmenwechsel, der sich im Zusammenhang mit der Nutzung von Wasserstoff und seinen Folgeprodukten gegenwärtig vollzieht, noch größere Marktpotenziale nach sich zieht. Diese Entwicklung wird zusätzlich durch die heimischen Erzeugungspotenziale klima- neutraler Gase (siehe 4.2) sowie den Import klimaneutraler, aber nicht grüner Gase ergänzt.
3.3 Eine 100-prozentige Versorgung mit Wasserstoff über die Verteilnetze ist technisch möglich
Der DVGW sieht in einem ersten Schritt eine Beimischung von 20 Prozent H2 in das bestehende Netz als technisch möglich an.
Der DVGW hat in den letzten Jahren Forschungsprojekte zu H2-Einspeisemöglichkeiten und H2-Verträglichkeit für Materialien und Gasgeräte des Bestandsnetzes durchgeführt. In ersten Studien, konnte eine Wasserstoffverträglichkeit bis zu 10 Prozent und in weiteren DVGW-Forschungsvorhaben bis zu einer Einspei- sekonzentration von 20 Prozent bestätigt werden.13, [10, 11, 12] Diese positiven Ergebnisse wurden durch einen Praxistest verifiziert.[13] Auch der Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) bestätigt, dass der Gerätebestand im Wärmemarkt ohne große technische Anpassungen mit einem Wasserstoffanteil von 10 Prozent sicher und effizient betrieben werden kann, und geht davon aus, dass 20 Prozent in wenigen Jahren im Bestand realisierbar sind.
Doch auch eine Umstellung auf den Betrieb mit 100 Prozent H2 ist mit einer Ertüchtigung möglich.
Im laufenden DVGW-Forschungsprojekt „Roadmap Gas 2050“ werden Gasgeräte, Komponenten und Materialien auf ihre Verträg- lichkeitsgrenzen mit Wasserstoffbeimischungen und 100 Prozent Wasserstoff untersucht. Europaweit laufen derzeit vergleichbare Projekte.[14] Die Prüf- und Zertifizierungsstellen arbeiten an neuen Prüfgasen und -bedingungen, um Geräte für die Verwendung von Wasserstoffgemischen oder reinem H2 für den Markt sicher zulas- sen zu können. Normen mit Anforderungen und Prüfungen werden von der Industrie erarbeitet und Hersteller entwickeln neue Tech- nologien, um diese erneuerbaren Gase nutzen zu können.
Bei der Ertüchtigung der Verteilnetze zur Versorgung mit 100 Prozent H2 muss zwischen Punktobjekten (Anlagen etc.) und Leitungsobjekten (Rohre) unterschieden werden. Hierbei sind Punktobjekte grundsätzlich schneller und mit weniger Planungs- aufwand zu ersetzen. Anlagen, die für Methan ausgelegt sind, müssen für den Betrieb mit 100 Prozent H2 ertüchtigt oder getauscht werden. Gasleitungen bestehen heutzutage fast aus- schließlich aus Kunststoff und Stahl. Kunststoffleitungen und die im Verteilnetz üblichen Stahlrohre sind H2-verträglich, wodurch bereits heute der Großteil der Rohrkomponenten der Verteilnetze H2-verträglich ist.14 Auch wenn bereits große Teile der Komponen- ten H2-fähig sind, ist noch ein teilweise nicht irrelevanter Ertüch- tigungsaufwand zu leisten, um die verbleibenden Komponenten zu tauschen und einen technisch sicheren Betrieb mit 100 Prozent H2 zu gewährleisten.
Für eine erhöhte Wasserstoffeinspeisung deutlich über 20 Prozent Volumenbeimischung oder eine reine Wasserstoffversorgung über das dann ertüchtigte Gasverteilnetz müssen entweder bestehende Gasgeräte umgestellt oder neue Gasanwendungsgeräte bei den Letztverbrauchern installiert werden. Mit der laufenden Marktraum- umstellung von niedrigkalorigem (Erdgas L) auf hochkaloriges Gas (Erdgas H) stellt die deutsche Gasindustrie derzeit sehr eindrucks- voll unter Beweis, dass sie organisatorische, logistische und technische Großprojekte sicher, effizient und planmäßig abwickelt. Innerhalb dieser Umstellung werden ca. 5,5 Mio. Gasgeräte im Norden und Westen Deutschlands angepasst. Dieser Prozess ist bis zum Jahr 2030 beendet.
Der DVGW ist davon überzeugt, dass die teils noch bestehenden technischen Herausforderungen für die Umstellung von Gasver- teilnetzen auf 100 Prozent H2 mittelfristig unter Einhaltung von strengen Sicherheitsanforderungen gelöst werden. Er hat die diesbezügliche Regelsetzungsarbeit bereits mit Hochdruck auf- genommen.
3.4 Das Gasverteilnetz im europäischen Kontext
Europa befindet sich im Aufbruch in eine Wasserstoffzukunft. Besonders erwähnenswert sind Großbritannien, die Niederlande und Portugal, die auf der politischen Ebene die großflächige Nutzung von Wasserstoff konsequent vorantreiben. So legt etwa Groß- britannien enormen Wert auf die Dekarbonisierung des Wärme- sektors mittels Wasserstoff und plant die europaweit größten Projekte. Je nach geographischer Lage werden Projekte mit H2- Beimischungen oder reine Wasserstoff-Verteilnetze vorangetrieben.
Auch die Bundesregierung hat in der Nationalen Wasserstoff- strategie die Absicht formuliert, Wasserstoff und Wasserstoff- technologien stärker zu nutzen. Die Bundesregierung hat sogar die Ambition formuliert, dass Deutschland weltweit führend bei Wasserstofftechnologien werden soll, und sieht in diesem Zusammenhang enorme ökonomische Chancen. Damit fügt sich die Bundesregierung in den europäischen Gesamtkontext ein und beansprucht zugleich eine Führungsrolle, die jetzt mit konkreten Umsetzungsmaßnahmen untermauert werden muss. Mit dem bereits heute exzellent ausgebauten Gasverteilnetz verfügt Deutschland über beste Voraussetzungen und vielfältige Möglich- keiten, den Wasserstoff in die Regionen zu transportieren.
Gleichzeitig verfügt Deutschland mit dem DVGW-Regelwerk über technische Standards, die eine hohe Wertschätzung von den euro- päischen Partnern erfahren. Das DVGW-Regelwerk ermöglicht be- reits heute bis zu 10 Prozent H2 im Netz. Im europäischen Vergleich ist dieses Regelwerk sehr progressiv.
Ähnlich wie in Deutschland sind in vielen europäischen Ländern Industriekunden und KWK-Anlagen vor allem an die Gasverteil- netze angeschlossen. Dies verdeutlicht einmal mehr, dass die Verteilnetze europaweit ein wichtiges Asset im Kontext der Erreichung der Klimaneutralität sind und zu den Ermöglichern der Dekarbonisierung vor Ort werden können. Wichtig dafür ist, dass die politischen Weichen jetzt zügig und auf die richtige Weise gestellt werden. Dafür setzen sich auf der europäischen Ebene die Verbände Eurogas, CEDEC, GEODE, GD4S und MARCOGAZ ein.