Klimaneutraler Wasserstoff Warum die Umrüstung von Gaskraftwerken schwierig wird

Gaskraftwerke sollen künftig mit grünem Wasserstoff laufen. Dafür brauchen sie andere Turbinen. Doch die Technik ist längst noch nicht so weit. Das könnte die Energiewende bremsen.
Arbeiter an einer Gasturbine von Siemens: »Die Vorgaben zur Umstellung von Gaskraftwerken auf Wasserstoff machen Investitionen in neue Anlagen komplizierter«

Arbeiter an einer Gasturbine von Siemens: »Die Vorgaben zur Umstellung von Gaskraftwerken auf Wasserstoff machen Investitionen in neue Anlagen komplizierter«

Foto: IPON / IMAGO

Runter vom Gas und zwar so schnell wie möglich: Ob aus Klimaschutzgründen oder wegen des Kriegs in der Ukraine – Gründe, von dem fossilen Brennstoff wegkommen zu wollen, gibt es mehrere. Gleichzeitig müssen in den nächsten Jahren zahlreiche neue Gaskraftwerke gebaut werden – als Sicherheitsnetz für die erneuerbaren Energien. Sie sollen einspringen, wenn Windräder und Solaranlagen schwächeln.

Wie passt das zusammen? Die Lösung lautet Wasserstoff. Denn die Anlagen sollen zumindest mittel- bis langfristig nicht Erdgas, sondern grünen Wasserstoff nutzen. Der Brennstoff ist klimaneutral, weil er per Elektrolyse mit Ökostrom aus Wasser produziert wird.

Allerdings weist Wasserstoff ganz andere Brenneigenschaften als Erdgas auf. Die heute am Markt verfügbaren Kraftwerksturbinen sind damit überfordert. Zudem ist längst nicht klar, wo der grüne Brennstoff einmal herkommen soll. Das könnte den Zubau von Gaskraftwerken ausbremsen, fürchten Versorger – und so die Energiewende verlangsamen.

Pflicht zur Umstellung

Derzeit sind in Deutschland Gaskraftwerke mit einer Leistung von gut 30 Gigawatt am Netz. Bis 2030 müssen insgesamt 13 Gigawatt dazukommen, wie der Thinktank Agora Energiewende ausgerechnet hat. Andere Institute sehen gar einen noch weit höheren Bedarf.

Um einen Anreiz für Investitionen in neue Anlagen zu setzen, hat die EU Gaskraftwerke kürzlich in ihrer Taxonomie als klimafreundlich eingestuft. Das soll es Versorgern einfacher machen, den Bau zu finanzieren. Damit jedoch keine fossilen Ruinen entstehen, schreibt die Taxonomie vor, dass in den Anlagen ab 2036 nur noch CO2-neutrale Gase wie grüner Wasserstoff eingesetzt werden dürfen.

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Auch die Bundesregierung will den Versorgern Vorgaben machen. So hat das Kabinett einen Gesetzentwurf verabschiedet, nach dem neue Gaskraftwerke, die neben Strom auch Wärme erzeugen, künftig nur noch dann eine Förderung erhalten, wenn sie ab 2028 auf Wasserstoff umrüstbar sind.

Höhere Investitionskosten

Doch es gibt auf dem Markt längst noch keine Gasturbinen, die sich mit Wasserstoff betreiben lassen. »Wir haben im Rahmen von Gesprächen mit Kraftwerksherstellern die Rückmeldung bekommen, dass wasserstofffähige Gaskraftwerke etwa bis 2030 marktreif sein sollen«, erklärt Johannes Wagner vom Energiewirtschaftlichen Institut an der Universität Köln (EWI).

Um zu gewährleisten, dass in diesem Jahrzehnt trotzdem ausreichend neue Kraftwerke gebaut werden, erlaubt die EU-Taxonomie, dort zunächst Erdgasturbinen einzubauen. Diese müssen dann aber bis spätestens 2036 durch solche ersetzt werden, die hundert Prozent Wasserstoff vertragen.

Ein späterer Wechsel des Brennstoffs verursacht nach Einschätzung von Ingbert Liebing, Hauptgeschäftsführer des Stadtwerke-Verbandes VKU, jedoch erhebliche Mehrkosten – nicht nur für den Turbinentausch. Auch müsse die Peripherie von vornherein auf den Betrieb mit Wasserstoff vorbereitet werden. »Die Zuleitungen zum Beispiel müssen viel größer sein, weil Wasserstoff eine weit geringere volumenspezifische Energiedichte hat als Erdgas«, erläutert Liebing. Das bedeute unter anderem auch, dass die Turbinenhalle größer gebaut werden muss.

Versorgung mit grünen Wasserstoff nicht gesichert

»Die Vorgaben zur Umstellung von Gaskraftwerken auf Wasserstoff machen Investitionen in neue Anlagen komplizierter«, bestätigt Energiemarkt-Experte Wagner.

Und er weist noch auf eine weitere Hürde hin: »Wer jetzt ein neues Gaskraftwerk baut, muss sicher sein können, dass an dem Standort genügend grüner Wasserstoff zur Verfügung stehen wird«, sagt Wagner. »Diese Gewissheit gibt es heute aber noch nicht.«

Denn schließlich ist der Energieträger ein begehrtes Gut, auch die Industrie und der Verkehr benötigen künftig große Mengen an grünem Wasserstoff. Zudem muss erst noch ein Leitungsnetz geschaffen werden, über das der Brennstoff zu den Kraftwerken gelangen kann.

Stadtwerke halten sich zurück

Aber auch der rechtliche Rahmen des Energiemarktes stehe dem Bau neuer Anlagen entgegen, so die Versorger. Er biete nicht genug Sicherheit, dass sich der Bau von Gaskraftwerken langfristig rentieren wird.

»Wir sehen gerade eine ganz schwierige Gemengelage bei der Finanzierung von Investitionen in Gaskraftwerke und Gas-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen«, sagt VKU-Chef Liebing. »Sie führt dazu, dass sich die Stadtwerke beim Bau neuer Anlagen derzeit stark zurückhalten, obwohl ein massiver Zubau gesicherter Leistung dringend erforderlich ist.«

Damit besteht die Gefahr, dass bis 2030 nicht so viele Gaskraftwerke zur Verfügung stehen werden wie für eine sichere Versorgung nötig sind. In diesem Fall müssten wohl einzelne Kohlekraftwerke länger am Netz bleiben – ein Rückschlag für Energiewende und Klimaschutz, da sie weit mehr CO2 emittieren als Gaskraftwerke.

Höhere Verbrennungstemperaturen

Aber warum können die auf Erdgas ausgelegten Turbinen nicht mit Wasserstoff betrieben werden? Das liegt daran, dass das Brennverhalten der beiden Gase stark voneinander abweicht, erläutert Christian Fleing vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). »Die Dichte, Verbrennungstemperatur und die Flammengeschwindigkeit von Erdgas und Wasserstoff unterscheiden sich enorm«, erklärt der Experte.

So könnte es beim Einsatz von Wasserstoff in einer Erdgasturbine passieren, dass Flammen aus der Brennkammer in den Brenner selbst zurückschlagen. »Das führt dann schnell zu Materialversagen«, sagt Fleing. Daher arbeiten Forscher aus Wissenschaft und Industrie, auch vom DLR, daran, auf Wasserstoff ausgelegte Brennertechnologien und -geometrien zu entwickeln.

Technisch nicht ganz so herausfordernd ist dagegen, Gaskraftwerke so umzurüsten, dass sie mit einer geringen Beimischung von Wasserstoff zum eingesetzten Erdgas zurechtkommen. Wie sich dieses Konzept in der Praxis bewährt, soll etwa ein gemeinsamer Pilotversuch von drei Versorgern und Siemens Energy in einem Wiener Kraftwerk zeigen.

Solche Vorhaben sind gut für den Klimaschutz: Schon bei 15 Prozent grünem Wasserstoff im Brenngas könnten den Projektpartnern zufolge im Wiener Kraftwerk jährlich etwa 33.000 Tonnen CO2 eingespart werden. Das Problem des Zubaus neuer Anlagen ist damit allerdings nicht gelöst.