Research in Progress: Wo sollten in Deutschland Parks für grünen Wasserstoff entstehen?

Wo in Deutschland lässt sich grüner Wasserstoff tatsächlich nachhaltig produzieren? Auf dem Papier scheint die Antwort einfach zu sein: Man wählt Landkreise mit starken Wind- oder Sonnenressourcen aus, baut die Elektrolyseure in deren Nähe und schließt sie an das Stromnetz an. Die Frage nach geeigneten Standorten für die Produktion von grünem Wasserstoff wird im Rahmen des 4. Boysen-TU Dresden-Graduiertenkolleg bereits aus einer anderen Perspektive für die MENA-Region untersucht (Das GRK berichtete). Während dort insbesondere die räumliche Eignung und die günstigsten Bedingungen für die Produktion im Mittelpunkt standen, richtet sich der Blick im hier vorgestellten Projekt auf Deutschland und die Frage, wie ökologische, soziale, wirtschaftliche und Machbarkeitsaspekte gemeinsam berücksichtigt werden können. In der Praxis sorgt die Nachhaltigkeit jedoch für zusätzliche Komplexität, die Ressourcenkarten allein nicht erfassen können. Erneuerbare-Energien-Parks können die Artenvielfalt beeinträchtigen, mit der Landwirtschaft um Land und Wasser konkurrieren und auf lokalen Widerstand stoßen. Und sobald die Kosten ins Spiel kommen, ist der Standort, der auf dem Papier am besten geeignet erscheint, nicht unbedingt der günstigste für den Bau.

Die Kollegiat:innen Varun-Bharadwaj Gurugubelli, Marie Walstab, Sampath Weerappulli und Inês Almeida versuchen gemeinsam mit dem ehemaligen Kollegiaten Christian Gutsche, eine komplexere Version der Standortfrage zu beantworten. Das gemeinsame Projekt ist im Cluster F angesiedelt und ergänzt die individuellen Promotionsvorhaben der beteiligten Kollegiat:innen. Im Mittelpunkt steht dabei nicht nur die Frage, wo die Ressourcen vorhanden sind, sondern wo ein grüner Wasserstoff-Energiepark gebaut werden kann, ohne dabei die Nachhaltigkeit zu gefährden, die er eigentlich gewährleisten soll.

Mehr als nur eine Ressourcenkarte
Die Nationale Wasserstoffstrategie Deutschlands geht davon aus, dass grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte eine zentrale Rolle bei der Dekarbonisierung schwer zu dekarbonisierender Sektoren wie Industrie und Verkehr spielen werden, wobei der Inlandsbedarf bis 2030 auf 95 bis 130 TWh geschätzt wird. Um einen Teil dieses Bedarfs vor Ort zu decken, müssen die Kapazitäten für erneuerbare Energien und die Elektrolyseuranlagen ausgebaut werden, die häufig gemeinsam als Energieparks errichtet werden, in denen Solar- oder Windenergieerzeugung mit Elektrolyseuren vor Ort kombiniert wird. Eine Literaturrecherche ergab zahlreiche Studien zur Standortwahl für Elektrolyseure und ebenso viele zur Standortwahl für Erneuerbare-Energien-Parks – doch laut der von den Kollegiat:innen ausgewerteten Literatur gab es keine Studie, die beide Aspekte für Deutschland aus einer Nachhaltigkeitsperspektive statt aus rein technischer oder wirtschaftlicher Sicht kombiniert. Diese Lücke ist von Bedeutung, da die beiden Perspektiven nicht immer übereinstimmen. Die inländische Produktion von grünem Wasserstoff ist derzeit kostenseitig kaum wettbewerbsfähig, was die Standortwahl in Richtung der günstigsten verfügbaren Flächen lenkt. Die Nachhaltigkeit zieht in eine andere Richtung, nämlich hin zu Landkreisen, in denen Projekte im Bereich erneuerbarer Energien nicht auf Kosten der Artenvielfalt, des Wassers oder der in der Nähe lebenden Menschen gehen. Die Forscher:innen stehen daher vor einem Problem, bei dem es nicht einfach darum geht, den „besten“ Standort zu finden: Sie müssen zunächst entscheiden, wie Nachhaltigkeit definiert, gemessen und geschützt werden soll, wenn unterschiedliche Interessen miteinander in Konflikt stehen. Die zentrale These des Projekts lautet, dass diese Spannung keine Fußnote ist, die sich beiseiteschieben lässt, sondern das eigentliche Problem, das es zu lösen gilt.

Nachhaltigkeit in Zahlen 
Um diese Idee in etwas Brauchbares umzusetzen, musste zunächst eine wenig spektakuläre, aber wesentliche Frage beantwortet werden: Was genau gilt für einen Wasserstoff-Energiepark als „nachhaltig“, und wie lässt sich dies für alle rund 400 deutschen Landkreise auf einer einheitlichen Grundlage vergleichen? Die Antwort der Forschergruppe war ein zweistufiges Entscheidungsmodell, das auf einer Reihe von Indikatoren aus der Fachliteratur zu Standortauswahl für Wind-, Solar- und Wasserstoffanlagen basiert und in vier Kategorien unterteilt ist: ökologische, soziale, wirtschaftliche und Machbarkeitsaspekte (siehe Abb. 1).
Die Herausforderung besteht daher darin, ein weit gefasstes Konzept wie Nachhaltigkeit in eine Reihe von Kriterien umzuwandeln, die sich tatsächlich über Hunderte verschiedener Standorte hinweg vergleichen lassen.

© Ines Almeida/ Boysen-TUD-GRK

Der erste Schritt ist ein strenger Filter. Die Landkreise werden anhand der Machbarkeitsindikatoren – Schutzgebiete, Mindestabstände zu Siedlungen – geprüft, und ein Landkreis, der selbst bei nur einem dieser Indikatoren deutlich durchfällt, wird sofort ausgeschlossen, ganz gleich, wie gut er in allen anderen Bereichen abschneidet (siehe Abb. 2). Landkreise, die diese Hürde nehmen, werden anschließend anhand der verbleibenden Indikatoren bewertet und in eine Rangfolge gebracht. An dieser Stelle versucht die Methodik, einen anderen Ansatz zu verfolgen als die meisten vergleichbaren Studien: Anstatt Indikatoren nach Expert:innenmeinungen oder dem Druck von Interessengruppen zu gewichten, richten sich die Gewichtungen danach, wie nah Deutschland bereits daran ist, die entsprechende planetarische Grenze oder soziale Schwelle zu überschreiten. Ein Kriterium, das mit einer bereits überschrittenen Grenze verbunden ist, zählt mehr als eines, bei dem Deutschland noch Spielraum hat – selbst wenn die Unterschiede auf Kreisebene bei diesem zweiten Kriterium auf einer Karte größer erscheinen. Mit anderen Worten: Das Forscherteam versucht zu verhindern, dass eine starke wirtschaftliche oder technische Bewertung ein schwerwiegendes ökologisches Problem einfach kompensiert. Nachhaltigkeit ist damit in die Berechnung des Rankings selbst integriert und wird nicht erst im Nachhinein als Ermessensentscheidung angewendet.

© Ines Almeida/ Boysen-TUD-GRK

Plan trifft auf Datenlage
Die Festlegung des Rahmens war nur ein Teil der Herausforderung. Als das Konzept auf 400 Landkreise angewendet werden sollte, tauchte ein zweites Problem auf: die Daten selbst. Ein Großteil dessen, was bei diesem Projekt tatsächlich Zeit gekostet hat, war nicht das Nachhaltigkeitskonzept an sich, sondern die praktische Aufgabe, die Geodaten von 400 Landkreisen so zusammenzuführen, dass sie miteinander verknüpft werden können. Um geeignete Gebiete zu identifizieren, müssen Kreisgrenzen mit Siedlungsgebieten und mehreren sich überschneidenden Umwelt- und Naturschutz-Ebenen kombiniert werden, die alle sorgfältig verarbeitet werden müssen, damit nicht dasselbe Stück Land zweimal ausgeschlossen wird. Die vier Forscher:innen begannen mit QGIS, doch als die Datensätze wuchsen, nahmen Routinevorgänge – das Kombinieren von Ausschluss-Ebenen, das Korrigieren fehlerhafter Geometrien, das Berechnen der verbleibenden geeigneten Fläche für jeden Kreis – mehr Zeit in Anspruch als die Analyse selbst. Die Verlagerung eines Großteils des Arbeitsablaufs in Python erwies sich als die eigentliche Lösung: So konnten die Daten schneller verarbeitet, die sich wiederholenden Schritte automatisiert und die gesamte Pipeline konsistent neu ausgeführt werden, sobald sich eine Annahme oder eine Datenquelle änderte.

Einige der daraus resultierenden Entscheidungen hatten weniger mit Feinheiten als vielmehr mit Notwendigkeit zu tun. Geografische Informationen können als Vektordaten – Punkte, Linien und Formen, die bestimmte Merkmale wie eine Siedlung oder eine Straße abbilden – oder als Rasterdaten, also als ein Gitter aus Zellen, das eher einem digitalen Foto ähnelt, gespeichert werden. Rasterdaten erfassen zwar mehr Nuancen, sind aber auf nationaler Ebene weitaus aufwendiger zu verarbeiten. Daher verwendete das Forscherteam, wo immer möglich, stattdessen Vektordaten und opferte dabei ein wenig Präzision zugunsten einer Verarbeitung, die 400 Mal wiederholt werden konnte, ohne dass das System ins Stocken geriet. Dieselbe Logik führte dazu, dass die gesamte Analyse auf die Kreisebene heruntergebrochen wurde: detailliert genug, um aussagekräftig zu sein, grob genug, um praktikabel zu bleiben – und für einige Indikatoren die einzige Auflösung, in der die Daten überhaupt vorliegen. Der Wasserstress – also das Verhältnis zwischen verfügbarem Wasser und seiner Nutzung – in Deutschland erwies sich als einer davon – kein öffentlicher Datensatz liefert Angaben dazu auf Kreisebene. Die Umweltorganisation BUND hatte ihn bereits anhand offener Daten zu Grundwasser und Wasserverbrauch berechnet, die Ergebnisse jedoch nur als Karte veröffentlicht, ohne die zugrunde liegenden numerischen Daten. Daher wurde die Methode des BUND von Grund auf neu entwickelt, um selbst verwertbare Zahlen zu erhalten.

Nicht jede Überraschung war technischer Natur. Bei der Untersuchung, inwiefern gesetzliche Standortbeschränkungen in die Analyse einfließen könnten, rechneten die Kollegiat:innen mit einem Gewirr verbindlicher Abstandsvorschriften zwischen Energieinfrastruktur und Siedlungen. Was sie jedoch feststellten, war eher das Gegenteil: Abgesehen von einer 200-Meter-Pufferzone, die auf ein tatsächliches Gerichtsurteil zurückgeht, entpuppten sich die meisten der häufig zitierten Mindestabstandsregeln als unverbindliche Planungsrichtlinien und nicht als Gesetz – Richtlinien, die sich mit der nächsten politischen Entscheidung ändern können und keine festen Rahmenbedingungen darstellen, an die man sich bei der Planung halten muss. Aus diesem Grund wurden gesetzliche Auflagen, abgesehen von der 200-Meter-Pufferzone, bewusst aus der aktuellen Bewertung ausgeklammert.

Aktueller Stand des Projekts
Nachdem die Indikatoren und die Gewichtslogik festgelegt wurden, arbeiten die Forscher:innen nun Indikator für Indikator die Daten durch. Einige sind bereits abgeschlossen; andere befinden sich noch in Bearbeitung, ebenso wie der Aggregationsschritt, bei dem sie zu einer Rangliste der Landkreise zusammengefasst werden. Die ersten Analysen zeigen bereits, warum die endgültige Rangliste nicht eindeutig ausfällt: Ökologische, soziale und wirtschaftliche Indikatoren weisen auf unterschiedliche Regionen Deutschlands hin. Da diese Zwischenergebnisse noch nicht validiert wurden, veröffentlicht die Gruppe zum jetzigen Zeitpunkt keine Ergebnisse auf Kreisebene – diese werden folgen, sobald die vollständige Rangliste für sich allein stehen kann.

Kann "nachhaltig" "günstig" schlagen?
Damit kehrt die Studie zu der Frage zurück, die sie ursprünglich motiviert hat: Wird, sobald das Ranking vorliegt, tatsächlich ein nachhaltigerer Landkreis einem günstigeren vorgezogen? Die inländische Wasserstoffproduktion ist derzeit kaum kostengünstig, und die Forschenden arbeiten noch daran, wie eine Empfehlung, bei der Nachhaltigkeit an erster Stelle steht, in der Praxis überzeugend umgesetzt werden kann – und nicht nur auf dem Papier vertretbar ist. Eine damit zusammenhängende Frage, die weder durch das Ranking noch durch die Fachliteratur geklärt wurde, ist, ob die Erzeugung erneuerbarer Energien und die Wasserstoffproduktion überhaupt am selben Standort stattfinden müssen oder ob eine räumliche Trennung beider Komponenten bessere Optionen eröffnen könnte.
Um diese Fragen dreht sich die nächste Phase: Die Fertigstellung der verbleibenden Indikatoren, gefolgt von der Festlegung der Indifferenz- und Veto-Schwellenwerte, die die Leistungen in Bezug auf die planetarischen Grenzen und sozialen Schwellenwerte in konkrete Gewichtungen umwandeln, bevor eine einheitliche Rangliste der Landkreise erstellt wird.

Über das konkrete Thema Wasserstoff hinaus liegt der Reiz dieses Ansatzes darin, dass wirtschaftliche Vorteile nicht einfach ökologische Nachteile ausgleichen können. Sollte sich die endgültige Rangfolge bestätigen, könnte sie eine Grundlage für künftige Standortentscheidungen im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie bilden – nicht indem sie die Kostenfrage ersetzt, sondern indem sie sicherstellt, dass Nachhaltigkeit zunächst anhand eigener Kriterien berücksichtigt wird.