Zuletzt aktua­li­siert am 30. Dezem­ber 2021 durch Jür­gen Voskuhl

Laut einer Pres­se­mit­tei­lung des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Bil­dung und For­schung (BMBF) soll zwi­schen 2020 bis Ende 2022 eine Mach­bar­keits­stu­die zu einer deutsch-aus­tra­li­schen Lie­fer­ket­te für Was­ser­stoff auf Basis erneu­er­ba­rer Ener­gien erstellt wer­den. Im Klar­text: die Bun­des­re­gie­rung hält den Import von Was­ser­stoff aus Aus­tra­li­en immer­hin für so sinn­voll, dass sie bereit ist, für die­se Stu­die 1,5 Mil­lio­nen Euro auszugeben.
Ich habe mich inten­siv mit dem The­ma beschäf­tigt. Mei­ne Ergeb­nis­se und der aktu­el­le Stand der Tech­nik in die­sen Beitrag.

Am 10. Sep­tem­ber 2020 ver­öf­fent­lich­te das BMBF eine Pres­se­mit­tei­lung, der zufol­ge Bun­des­for­schungs­mi­nis­te­rin Anja Kar­li­c­zek sowie zwei Ver­tre­ter der aus­tra­li­schen Regie­rung eine gemein­sa­me Absichts­er­klä­rung zur Durch­füh­rung einer Mach­bar­keits­stu­die zu einer deutsch-aus­tra­li­schen Lie­fer­ket­te für Was­ser­stoff auf Basis erneu­er­ba­rer Ener­gien unter­zeich­net haben. Das wirft zumin­dest bei mir eini­ge Fra­gen auf, die ich ver­su­che, in die­sem Bei­trag zu beant­wor­ten. Im ein­zel­nen geht es um fol­gen­de Themen:

Die Rand­be­din­gun­gen

Um wel­che Men­gen Was­ser­stoff geht es?

Zufäl­lig bin ich auf eine kor­re­spon­die­ren­de Mel­dung im Syd­ney Morning Herald gesto­ßen, die erfreu­li­cher­wei­se ein paar kon­kre­te Zah­len ent­hält. In dem Arti­kel heißt es:

Kar­li­c­zek said Ger­ma­ny had iden­ti­fied a hydro­gen demand of about 1000 TWh per year by 2030, which is equi­va­lent to about 3 mil­li­on tonnes.

Und wei­ter:

"Of this amount, 15 per cent is expec­ted to be gene­ra­ted domesti­cal­ly, while the remai­ning amount will need to be impor­ted," she said.

Wow, Moment mal!
Laut Umwelt­bun­des­amt beträgt der GESAMTE End­ener­gie­ver­brauch in Deutsch­land der­zeit ca. 2.500 TWh pro Jahr. Der Anteil der Indus­trie dar­an: 736 TWh (in 2018).

Da schei­nen 100 TWh Was­ser­stoff in 2030 eher rea­lis­tisch zu sein als die genann­ten 1.000 TWh. Das bestä­tigt auch eine Ant­wort der Bun­des­re­gie­rung auf eine klei­ne Anfra­ge der FDP. Gehen wir also davon aus, das es sich um einen Zitat­feh­ler des Syd­ney Morning Herald han­delt, ver­nach­läs­si­gen den in Deutsch­land her­ge­stell­ten Anteil und rech­nen der Ein­fach­heit hal­ber mit 100 TWh wei­ter. Wir neh­men außer­dem an, dass die gesam­te Men­ge aus Aus­tra­li­en stammt. Das ist zwar unrea­lis­tisch, hilft aber bei der Ver­an­schau­li­chung der Probleme.

Wie kann der Was­ser­stoff von Aus­tra­li­en nach Deutsch­land trans­por­tiert werden?

Es liegt auf der Hand, dass der Trans­port auf­grund der Ent­fer­nung aus­schließ­lich über den See­weg erfol­gen kann.

Eine Vari­an­te wäre, den Was­ser­stoff in ver­flüs­sig­ter Form zu trans­por­tie­ren, d.h. bei cir­ca ‑253 ℃ als soge­nann­tes LH₂. Das schau­en wir uns in die­sem Bei­trag genau an.

Es gibt aber auch noch ande­re Mög­lich­kei­ten, Was­ser­stoff zu trans­por­tie­ren. Dazu gehört der Trans­port in Form von Ammo­ni­ak (NH₃), Metha­nol (CH₃OH) oder gebun­den an LOHC (Liquid Orga­nic Hydro­gen Car­ri­ers), eine orga­ni­schen Sub­stanz, die Was­ser­stoff che­misch bin­det. Damit wer­de ich mich in nach­fol­gen­den Bei­trä­gen beschäftigen.

Trans­port als Flüs­sig-Was­ser­stoff (LH₂)

Die volu­metri­sche Ener­gie­dich­te von LH₂

Eine Vari­an­te wäre, den Was­ser­stoff in ver­flüs­sig­ter Form zu trans­por­tie­ren, d.h. bei cir­ca ‑253 ℃ als soge­nann­tes LH₂.
Die volu­metri­sche Ener­gie­dich­te von LH₂ beträgt 2,36 kWh/​l (Link). Zum Ver­gleich: Das ist etwa 40 Pro­zent gegen­über ver­flüs­sig­tem Erd­gas (LNG, 5,8 kWh/​l), gegen­über Roh­öl (10,9 kWh/​l) sogar weni­ger als ein Viertel .

Die oben genann­ten 100 TWh ent­spre­chen also etwas mehr als 42 Mio. m³ LH₂.

Ange­nom­men wir wür­den den benö­tig­ten Was­ser­stoff kom­plett aus Aus­tra­li­en impor­tie­ren, lau­tet die nächs­te span­nen­de Frage:

Wie­vie­le LH₂-Tan­ker benö­ti­gen wir dafür?
Um die­se Fra­ge beant­wor­ten zu kön­nen, müs­sen wir uns zunächst mit in Fra­ge kom­men­den Schiffs­mo­del­len und der Rei­se­dau­er beschäftigen.

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Wel­che LH₂-Tan­ker gibt es heu­te und in Zukunft?

LH₂-Tan­ker sind sehr neu. Genau­ge­nom­men gibt es gera­de mal ein sol­ches Schiff, die „Sui­so Fron­tier“: Die Fir­ma Kawa­sa­ki Hea­vy Indus­tries (KHI) baut die Schif­fe, die für den Trans­port von LH₂ zwi­schen Aus­tra­li­en & Japan ein­ge­setzt wer­den sol­len. Hier eine Pres­se­mel­dung vom Bau­be­ginn und hier eine ent­spre­chen­de Prä­sen­ta­ti­on von KHI. Dar­in fin­den wir auch die „Tank car­go capa­ci­ty”, also die für die Fracht ver­füg­ba­re Kapa­zi­tät des Demo-Tan­kers: es sind 1.250 m³. Der Plan ist, die Kapa­zi­tät auf 4.000 m³ zu erhö­hen.

Update 30.12.2021: Am 24. Dezem­ber 2021 hat das Schiff erst­ma­lig Kobe (Japan) ver­las­sen, bela­den mit 75 t Was­ser­stoff in einem der bei­den Tanks. In Has­tings (Aus­tra­li­en) soll das Schiff dann 2 t Was­ser­stoff auf­neh­men, um das wäh­rend der Über­fahrt ver­lo­ren gegan­ge­ne Boil-Off-Gas zu erset­zen, um dann im spä­ten Febru­ar 2022 wie­der in Kobe einzutreffen.

Ein ande­res LH₂-Tan­ker­kon­zept stammt aus einer Zusam­men­ar­beit zwi­schen Moss Mari­ti­me, Equi­nor, Wil­helm­sen und DNV-GL. Die Kapa­zi­tät hier: 9.000 m³. Das Schiff ist für eine maxi­ma­le Rei­se­dau­er von 25 Tagen ausgelegt.

Ein wei­te­res Design, mit einer Fracht­ka­pa­zi­tät von 8.000 m³ stammt von ICE Mari­ne Design.

Legen wir die 8.000 m³ zugrun­de, müss­ten für die 100 TWh/​a knapp 5.300(!) von die­sen Tan­kern im Jahr In D ankom­men, also knapp 15 am Tag. Es ist offen­sicht­lich, dass das wenig sinn­voll ist. Suchen wir also weiter!

Die ambi­tiö­ses­te Idee, die ich fin­den konn­te, stammt eben­falls von KHI (in die­ser Prä­sen­ta­ti­on, Folie 10): ein LH₂-Tan­ker mit einer Kapa­zi­tät von 160.000 m³. Aller­dings exis­tiert von die­sem Schiff bis­her ledig­lich ein Ren­de­ring. Fer­tig­stel­lung: frü­hes­tens 2025 (aus heu­ti­ger Sicht eher 2028). Selbst wenn wir die­sen Typ zugrun­de legen, benö­ti­gen wir 263 Schiffs­an­künf­te pro Jahr, um die zu impor­tie­ren­de Men­ge Was­ser­stoff zu transportieren.

Update 30.12.2021: Das Tank­sys­tem (CCS = Car­go Con­tain­ment Sys­tem), d.h. ein 40.000 m³-Tank für sich, hat inzwi­schen ein „Appro­val in Princi­pal“ (AiP) der Schiffs­klas­si­fi­ka­ti­ons­ge­sell­schaft ClassNK erhal­ten. Dar­über hin­aus hat ClassNK bestä­tigt, dass das CCS den ein­schlä­gi­gen Sicher­heits­be­stim­mun­gen für den Schiffs­trans­port von LH₂ entspricht.

Wie lan­ge dau­ert die Über­fahrt von Aus­tra­li­en nach Deutschland?

Die mitt­le­re Geschwin­dig­keit eines Tan­kers beträgt etwa 15 Kno­ten. Auf der Web­site sea​ra​tes​.com kann man aus­rech­nen, wie lan­ge eine Über­fahrt von A nach B bei einer bestimm­ten Geschwin­dig­keit dau­ert. Von Aus­tra­li­en (Glad­stone Deep­wa­ter Port) nach Ham­burg  sind das etwa 33 ½ Tage – ohne Lie­ge­zeit, ver­steht sich. Inklu­si­ve Lie­ge­zeit und Rück­fahrt kann man also etwa von 70 Tagen für einen kom­plet­ten Umlauf ausgehen.

aus­ge­hen. Das bedeu­tet, wir kön­nen ein Schiff erst am 66. Tag für die nächs­te Über­fahrt neu beladen.
Somit benö­ti­gen wir ca. 50(!) die­ser Schif­fe – von denen, wohl­ge­merkt, noch nicht ein­mal ein kon­kre­tes Design existiert!

Man benö­tigt min­des­tens 50 LH₂-Tan­ker, von denen bis  heu­te nicht mehr als die Idee und ein Ren­de­ring existiert.

Letz­te­res ist auch nicht wei­ter über­ra­schend: Die Tech­no­lo­gie ist völ­lig neu, KHI will (muss) zunächst mal Erfah­run­gen mit dem oben beschrie­be­nen Pro­to­ty­pen sam­meln, um die Pro­jek­tie­rung sol­cher Oze­an­rie­sen in Angriff zu neh­men. Im Hin­blick auf 2030 könn­te das eng wer­den: Pla­nung und Bau dau­ern bei einem Tan­ker die­ser Grö­ßen­ord­nung ger­ne mal 3–4 Jahre.

Ener­gie­be­darf für die Umwand­lung von Was­ser­stoff in LH₂

Neben der beschrie­be­nen logis­ti­schen Her­aus­for­de­rung gibt es durch­aus noch wei­te­re Fak­to­ren, die zu berück­sich­ti­gen sind.
So wird bei­spiels­wei­se allein für die Ver­flüs­si­gung des Was­ser­stoffs knapp ¹⁄₃ der dar­in gespei­cher­ten Ener­gie benö­tigt (ergo: 30% Ver­lus­te, vgl. _​A_​review_​of_​hydrogen_​liquefaction_​current_​situation_​and_​its_​future). Die Hoff­nung ist, dies im bes­ten Fall zu halbieren.

Ver­lus­te durch Ver­damp­fen wäh­rend des Transports

Das auf – 253 ℃ her­un­ter­ge­kühl­te LH₂ in einem Tank zu trans­por­tie­ren, muss man sich unge­fähr so vor­stel­len, als wol­le man eine Kugel Eis in einem auf 200 ℃ auf­ge­heiz­ten Back­ofen auf­be­wah­ren. Wir müs­sen des­halb über das soge­nann­te „Boil-Off” sprechen.
Egal, wie gut die Tanks iso­liert sind: Das LH₂ erwärmt sich. Ein Teil ver­dampft, wobei die­ser sich aus­dehnt. Damit der ent­ste­hen­de Über­druck nicht den Tank zum bers­ten bringt, muss man Was­ser­stoff ablas­sen. Theo­re­tisch ist das nicht tra­gisch:  man könn­te damit den Tan­ker antrei­ben. Aber: von den 100%, die man in Aus­tra­li­en ein­ge­füllt hat, kommt hier eini­ges gar nicht an. Das Ziel für den Ver­lust beträgt etwa 0.2%/Tag. Bei 30 Tagen Rei­se­dau­er also knapp 6%.

Mehr­kos­ten im Ver­gleich zu Flüssiggas-Transporten

Seit vie­len Jah­ren sind LNG-Tan­ker eta­bliert. LNG steht für „Liquid Natu­ral Gas", also ver­flüs­sig­tes Erd­gas (CH₄).  LNG wird bei ‑160 ℃ trans­por­tiert. Da liegt – nach allem was wir bis hier­her wis­sen – die Ver­mu­tung nahe, dass das „bei LH₂ schon so ähn­lich sein wird”. Dem ist lei­der nicht so.
Bei­spiels­wei­se sind Kom­po­nen­ten wie Ven­ti­le, Schläu­che und Rohr­lei­tun­gen, nicht unbe­dingt für den LH2-Trans­port geeig­net: H₂-Mole­kü­le sind klei­ner als CH₄-Mole­kü­le. Daher kann LH₂ durch durch Ver­bin­dun­gen oder Dich­tun­gen ent­wei­chen, die LNG zurück­hal­ten wür­den. Die meis­ten Kom­po­nen­ten wird man daher nicht ver­wen­den kön­nen, was einen LH₂-Tan­ker gegen­über einem LNG-Tan­ker teu­rer macht.

Neben den Arma­tu­ren ist auch die Tank­kon­struk­ti­on auf­wän­di­ger. So wer­den LNG-Tanks typi­scher­wei­se mit 40 cm Iso­lie­rung ver­se­hen. Die Boil-Off-Rate beträgt dann etwa 0,2% pro Tag. Wür­de man LH₂ in den Tank ein­fül­len, wür­de man täg­lich 5% ver­lie­ren! Es braucht hier offen­sicht­lich eine völ­lig ande­re Tankkonstruktion.
Ein mehr­schich­ti­ger Ansatz mit einem Vaku­um zwi­schen der Innen- und Außen­hül­le wird bereits ver­wen­det, um LH₂ und flüs­si­ges Heli­um im indus­tri­el­len Sek­tor kalt zu hal­ten. Aber das fin­det an Land statt. Der Ein­satz auf einem Schiff ist noch­mal einen neue Her­aus­for­de­rung. Man wird abwar­ten müs­sen, ob und gege­be­nen­falls wel­che Pro­ble­me sich bei dem oben beschrie­be­nen Demons­tra­ti­onstan­ker ein­stel­len, wenn die­ser in Betrieb ist.

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Kraft­stoff­ver­brauch des Brennstoffzellenantriebs

Wir erin­nern uns: LH₂ hat einen sehr nied­ri­gen volu­metri­schen Ener­gie­ge­halt. Dar­aus resul­tiert, dass man im Ver­gleich zu Schwer­öl oder Flüs­sig­gas, mit dem sol­che Tan­ker aktu­ell ange­trie­ben wer­den, ein Viel­fa­ches des Treib­stoff-Volu­mens benö­tigt. Auf Kurz­stre­cken, wenn also alle paar Tage nach­ge­tankt wer­den kann, mag das eine unter­ge­ord­ne­te Rol­le spielen.
Auf einer Lang­stre­cke sieht das jedoch anders aus: Für die bei­den Über­fahr­ten (2 x 12.481 n.m.) wer­den etwa 3.000 m³ LH₂ benö­tigt (0,025 kWh/n.m./dwt bei 11.200 t und einer Ener­gie­dich­te von 2,359 kWh/​l LH₂) – also knapp zwei Pro­zent der Ladung. Zumin­dest auf der Hin­fahrt (also von Aus­tra­li­en nach Deutsch­land) ist das gegen­über dem Boil-Off ver­nach­läs­sig­bar, sofern die­ser für den Antrieb ver­wen­det wer­den kann. Ver­blei­ben also noch ein Pro­zent der Ladung, die als Treib­stoff für die Rück­fahrt benö­tigt wird.

Was sagen Exper­ten zum Trans­port von flüs­si­gem Wasserstoff?

Mar­tin Hab­lut­zel, Lei­ter für die Kon­zern­stra­te­gie bei Sie­mens Aus­tra­li­en, ist über­zeugt, das Aus­tra­li­en als Was­ser­stoff­pro­du­zent für Deutsch­land wohl nicht infra­ge kommt, da Aus­tra­li­en bevor­zugt Asi­en (Chi­na, Japan, Süd­ko­rea und Sin­ga­pur) damit belie­fern wird.

Mein  Fazit

Der Trans­port von flüs­si­gem Was­ser­stoff über Ozea­ne wur­de noch nie zuvor durch­ge­führt. Die Ent­wick­lung ist mit einem hohen Risi­ko behaf­tet. Der Trans­port­weg ein­schließ­lich der anfal­len­den Umwand­lungs­ver­lus­te ist in jedem Fall sehr ineffizient.

Der Trans­port von flüs­si­gem Was­ser­stoff über einen der­art lan­gen See­weg birgt im Ver­gleich zur kon­ti­nen­ta­len Pro­duk­ti­on poten­zi­ell erheb­li­che Nach­tei­le und Risiken.

Im Ergeb­nis kann ich hier kei­nen kei­nen Vor­teil im Ver­gleich zur Her­stel­lung von Was­ser­stoff bei­spiels­wei­se in der Nord­see oder lokal bei indus­tri­el­len Ver­brau­chern erken­nen. Das Gegen­teil ist der Fall: Der Trans­port von flüs­si­gem Was­ser­stoff über einen der­art lan­gen See­weg birgt eher Nach­tei­le und erheb­li­che Risiken.

Updates

30.12.2021: Die Sui­so Fron­tier ist erst­ma­lig aus­ge­lau­fen; dass 40.000 m³ Tank­sys­tem von KHI hat eine eine prin­zi­pi­el­le Zulas­sung von ClassNK erhal­ten; über­trie­be­ne Schät­zung beim Kraft­stoff­ver­brauch kor­ri­giert, bzw. durch trans­pa­ren­te, über­prüf­ba­re Berech­nung ersetzt; inter­es­san­te Quel­len hin­zu­ge­fügt (s. u.)

Quel­len /​ Wei­ter­füh­ren­de Literatur

BMBF (10.09.2020): Kar­li­c­zek: Gemein­sam mit Aus­tra­li­en für eine glo­ba­le grü­ne Wasserstoffwirtschaft

BMBF (01.12.2020): Kar­li­c­zek: Wich­ti­ger Impuls für eine deutsch-aus­tra­li­sche „Was­ser­stoff­brü­cke“

Kawa­sa­ki Hea­vy to build first oce­an-going liquid hydro­gen tan­ker with demo in 2017; H2 for trans­port, indus­try, power in Japan (2013)

From LNG to Hydro­gen? Pit­falls and Pos­si­bi­li­ties (August 2018)

Liquid Hydro­gen: A Review on Lique­fac­tion, Sto­rage, Trans­por­ta­ti­on, and Safety

Abdul­lah NFNR Alkha­le­di, Suresh Sam­path & Peri­cles Pili­dis (2021) A hydro­gen fuel­led LH2 tan­ker ship design, Ships and Off­shore Struc­tures, DOI: 10.1080/17445302.2021.1935626

Lin­de Gas AT: Rech­nen Sie mit Was­ser­stoff. Die Datentabelle.

Bänn­strand, Maria & Jöns­son, Anna & Von Knor­ring, Han­nes & Karls­son, Roger. (2016). Stu­dy on the opti­miz­a­ti­on of ener­gy con­sump­ti­on as part of imple­men­ta­ti­on of a ship ener­gy effi­ci­en­cy manage­ment plan (SEEMP).

Len­nie Kle­banoff, San­dia Natio­nal Labo­ra­to­ries (2019): On the Fea­si­bi­li­ty and Cha­rac­te­ris­tics of Hydro­gen Fuel-Cell Vessels