Grüner Wasserstoff

Grüner Wasserstoff – also solcher, der mit erneuerbaren Energien hergestellt wird – gilt als Hoffnungsträger der Energiewende. Grundsätzlich kann Wasserstoff als Basis für Kraft- und Brennstoffe dienen, um etwa in Industrie und Verkehr Kohle, Öl und Erdgas abzulösen. Seine Herstellung ist aber sehr energieintensiv und derzeit noch deutlich teurer im Vergleich zu fossilen Energieträgern.

Im Zuge der Energiewende werden Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff in naher Zukunft eine bedeutende Rolle einnehmen, da grüner Wasserstoff bis 2050 nicht nur die Kohle sondern auch das Öl ersetzen wird.

(siehe auch Europäische Wasserstoffbank)

  Nach Angaben des Bundeswirtschaftsministeriums wird Deutschland im Jahr 2030 Wasserstoff und Wasserstoffderivate in Höhe von 45 bis 90 Terawattstunden importieren müssen. Das entspricht rund 50 bis 70 Prozent des Bedarfs. Bis 2045 könnte der Gesamtbedarf demnach auf bis zu 700 Terrawattstunden (21 Mio t Wasserstoff) ansteigen, ist die allgemeine Aussage der Experten. 

Wasserstoffbedarf

Einfacher ist es, den deutschen Primärenergieverbrauch als Massstab zu nehmen und umzurechnen. Wird der deutsche Primärenergieverbrauch im Jahr 2021 von 12440 PJ = 3455 TWh betrachtet und umgerechnet, ergibt sich daraus ein Bedarf von rund 105 Mio t Wasserstoff in Form von reinem Wasserstoff, Ammoniak und Methanol.

Die Strategie des Bundes sieht derzeit vor, dass perspektivisch ein Drittel (30-40 Mio. t) des benötigten Wasserstoffs in Deutschland selbst produziert werden können. Der größere Teil des Bedarfs (80-100 Mio. t) ist über Importe sicherzustellen. Mit Strom aus Solar- und Windkraftanlagen sei die Erzeugung grünen Wasserstoffs geplant. Als „faszinierende Idee“ bezeichnete Hamburgs Bürgermeister Tschentscher den Plan, Energie aus Saudi-Arabien zu importieren. Man habe die Schiffe und den Hafen dafür, „wir wollen der Wasserstoff-Hub Europas werden“, gab er die Richtung vor. Der Rückenwind der Bundesregierung, den man „endlich“ spüre, werde dabei helfen, so Tschentscher.

Der Transport von Wasserstoff ist jedoch extrem aufwendig, daher kristallisiert sich Ammoniak vor Methanol als klarer Spitzenreiter heraus, da es als Trägermedium eine viel höhere Dichte besitzt. Als Schlüsselkomponente der globalen Düngemittelproduktion verfügt der Ammoniaktransport außerdem über eine etablierte globale Lieferkette mit sicheren Standards für den Transport und die Lagerung.

Laut obigem Diagramm vom Weltenergierat würde der Transport in einem Ammoniaktanker von der arabischen Halbinsel nach Deutschland etwa vier Cent pro Kilowattstunde kosten. Mit einem Methanoltanker wären es rund 5,8 Cent pro Kilowattstunde.

( weitere Infos zum Transport von Ammoniak siehe auch folgende Grafik)

Markhochlauf für Wasserstoff

Um den Start zu erleichtern und den weltweiten Markhochlauf für Wasserstoff voranzubringen, wurde im Juni 2021 die H2Global-Stiftung gegründet. Die Bundesregierung stellt für das Förderkonzept „H2Global“ insgesamt 900 Millionen Euro zur Verfügung.

Die Kernidee von H2Global ist das sogenannte „Doppelauktionsmodell".

Das funktioniert so: Im Namen einer Tochtergesellschaft der H2Global-Stiftung findet eine internationale Auktion für den Einkauf von grünem Wasserstoff oder Wasserstoffderivaten statt. Das günstigste Angebot bekommt den Zuschlag und einen langfristigen Vertrag. Die Anbieter erhalten also Planungssicherheit, was sie dazu ermutigt, verstärkt in die Wasserstoffproduktion zu investieren. Gleichzeitig gilt die Bedingung, dass die in den Partnerländern produzierten Produkte nach Europa geliefert werden müssen. Die Bundesregierung hofft dadurch auf umfangreiche Wasserstoffimporte aus sonnen- und windreichen Regionen.

Die so gesicherten Wasserstoffmengen sollen nach ihrer Lieferung in die EU in einer zweiten Auktion an den Höchstbietenden versteigert werden. Die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff zu einem wettbewerbsfähigen Preis schafft zum Beispiel für die Industrie stärkere Anreize, in Anlagen für den Wasserstoffeinsatz zu investieren. Die Schere zwischen Angebots- und Nachfragepreis soll durch den H2Global-Fördermechanismus ausgeglichen werden.

Als Sieger der ersten Ausschreibung soll Fertiglobe nun 397 Millionen Euro für die Produktion und den Export von Wasserstoff in Ammoniakform erhalten – also fast die Hälfte des Gesamtvolumens von 900 Millionen Euro. Weder H2Global noch das BMWK nannten weitere Gewinner.

Laut H2Global sollen die Lieferungen 2027 mit 19.500 Tonnen beginnen. Bis 2033 werde Fertiglobe nach Angaben des BMWK dann mindestens 259.000 Tonnen grünen Ammoniaks nach Deutschland exportieren. Dies entspräche in der Summe mehr als zehn Prozent der jährlichen deutschen Ammoniakproduktion. Der Produktionspreis soll bei 811 Euro Tonne Ammoniak liegen. Daraus lässt sich ein Preis von weniger als 4,50 EUR pro kg grünen Wasserstoffs ableiten.

Australien hat mit der deutschen Regierung ein Abkommen über 400 Millionen Euro für Investitionen in australische Wasserstoffprojekte unterzeichnet. Die Vereinbarung ist Teil des Fördermechanismus H2Global. Ziel ist, australischen H2-Produzenten eine sichere Abnahme zu garantieren und so den Ausbau großskaliger Anlagen zur Produktion grünen Wasserstoffs in Australien anzukurbeln.

Im Jahr 2018 wurden weltweit rund 70 Mio. t (780 Mrd. m3) reiner Wasserstoff verbraucht (IEA 2019). Hinzu kamen etwa 40 Mio. t (445 Mrd. m3) Wasserstoff in Form von Gasgemischen, die zur Synthese von chemischen Grundstoffen verwendet wurden.

Gegenwärtig wird reiner Wasserstoff vor allem aus Erdgas und Kohle hergestellt, ohne das anfallende CO2 abzuscheiden. Etwa 6 % der globalen Erdgasförderung und 2 % der weltweiten Kohleförderung werden für die Herstellung von Wasserstoff verwendet (IEA 2019). Bedeutender Anwender der Kohlevergasung ist China, das 2018 schätzungsweise zwei Drittel seines Wasserstoffbedarfes darüber deckte. Ein Forschungsprojekt zur Braunkohlevergasung mit CO 2-Abtrennung wird gegenwärtig in einer australisch-japanischen Kooperation im australischen Bundesstaat Victoria durchgeführt. In Europa befinden sich Projekte zur Herstellung von blauem Wasserstoff, wobei CO2 abgetrennt und im geologischen Untergrund gespeichert wird.

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IEA ist die Internationale Energieagentur (IEA, englisch International Energy Agency) ist eine Kooperationsplattform im Bereich der Erforschung, Entwicklung, Markteinführung und Anwendung von Energietechnologien.

Nach einem langsamen Start hat China die Führung bei der Einführung von Elektrolyseuren übernommen.

Im Jahr 2020 entfielen auf China weniger als 10 % der weltweit installierten Elektrolyseur-Kapazität für die reine Wasserstofferzeugung, die sich auf kleine Demonstrationsprojekte konzentrierte. Im Jahr 2022 wuchs die in China installierte Kapazität auf mehr als 200 MW, was 30 % der weltweiten Kapazität entspricht, einschließlich des weltweit größten Elektrolyseprojekts (150 MW).

Bis Ende 2023 dürfte Chinas installierte Elektrolyseur-Kapazität 1,2 GW erreichen - 50 % der weltweiten Kapazität - mit einem weiteren Elektrolyseprojekt von Weltrekordgröße (260 MW), das dieses Jahr in Betrieb genommen wurde. China ist auf dem besten Weg, seine führende Position bei der Einführung von Elektrolyseuren weiter zu festigen: Auf das Land entfallen mehr als 40 % der Elektrolyseprojekte, die weltweit den FID erreicht haben.

Die jährliche Produktion von emissionsarmen Wasserstoff könnte im Jahr 2030 38 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen, wenn alle angekündigten Projekte realisiert werden, wobei fast drei Viertel davon von Elektrolysern aus erneuerbaren Energien und dem Rest mit fossilen Brennstoffen mit Kohlenstoffabscheidung, -ausnutzung und -speicherung stammen. Die besten Aussichten für die Verwendung von emissionsarmen Wasserstoffern liegen in schwer zu hydrierenden Industriesektoren, indem Wasserstoff ersetzt wird, der aus unverminderten fossilen Brennstoffen produziert wird, aber der Fortschritt war langsam. Die mangelnde Aufmerksamkeit für die Schaffung der Wasserstoffnachfrage wird in den bestehenden Länderverpflichtungen veranschaulicht.

Quelle IEA  (global-hydrogen-review-2023)

Fakten  zur Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse

(Quelle: https://www.regionale-industrieinitiativen.de/data-fact/elektrolyseure-und-brennstoffzellen/)

• Seit wann: 1800 wurde die erste Elektrolyse durchgeführt
• Mit Wasserstoff erzeugte Energie im Jahr 2022 (Deutschland): 57 MW[1]
• Anzahl Elektrolyseure-Hersteller (weltweit, Stand 2022): 17[2]
• Geplante Elektrolysekapazitäten bis 2030 (Deutschland): 10 GW[3]
• Geplante Elektrolysekapazitäten bis 2030 (EU): ca. 100 GW
• Geplantes Pipelinenetz für Deutschland bis 2030: ca. 11.200 km[4]
• Benötigte Materialien und Rohstoffe: u. a. Nickel, Titan, Iridium, Palladium, Platin, Scandium, Aluminium, Zirkonia, Cer, Yttrium[5]

Offshore-Wasserstofferzeugung mittels Offshore-Windenergie als Insellösung

Quellen und weitere Daten

[1] Wasserstoff – Länder in Europa nach Elektrolysekapazität 2022 | Statista

[2] Power-to-X – Power-to-X-Marktübersicht: 92 Elektrolyseure von 17 Herstellern

[3] Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie (bmwk.de)

[4] Wasserstoff-Kernnetz – FNB GAS (fnb-gas.de)

[5] Rohstoffbedarfe | Wasserstoff Kompass (wasserstoff-kompass.de)

[6] 2020_DIHK_Broschüre_Wasserstoff_A4_final.indd

[7] Energie: Brennstoffzelle – Energie – Technik – Planet Wissen (planet-wissen.de)

[8] Wasserstoff Brennstoffzelle – Wasserstoff | TÜV NORD (tuev-nord.de)

[9] Grüner Wasserstoff – Energieträger der Zukunft – future:fuels (futurefuels.blog)

[10] 2020_DIHK_Broschüre_Wasserstoff_A4_final.indd, 8.

[11] Wasserstoff statt Elektrifizierung? Chancen und Risiken für Klimaziele — Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (pik-potsdam.de)

[12] Fact_sheet_Stahl.pdf (wasserstoff-kompass.de)

[13] Normungsroadmap gestartet: Netzintegration von Elektrolyseuren und Wasserstoff (dke.de)

[14] th2004_03_01.pdf (fvee.de)

[15] 2020_DIHK_Broschüre_Wasserstoff_A4_final.indd,8.

[16] PowerPoint-Präsentation (wasserstoff-kompass.de)

[17] Wirkungsgrad Brennstoffzelle | So hoch ist er wirklich (sfc.com)

[18] Wasserstoff-Kernnetz – FNB GAS (fnb-gas.de)

[19] Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie (bmwk.de), Seite 9.

[20] AE_Kohlenstoffkorrosion_in_PEM_Brennstoffzellen_V01-0_de.pdf (fraunhofer.de)

[21] Wasserstoff: Energieträger der Zukunft? | Prognos

[22] NWR_Stellungnahme_Umsetzung_RED_II_inkl._Anlage.pdf (dena.de)

[23] Wasserstoff: Champagner der Energiewende? – Handelsblatt Live

Nationalen Wasserstoffstrategie 

Deutschland hat sich ambitionierte Energie- und Klimaziele gesetzt. Bis 2045 wollen wir Treibhausgasneutralität erreichen. Für das Erreichen dieser Ziele müssen wir die Energieeffizienz deutlich steigern. Außerdem muss unsere Energie- und Rohstoffversorgung, die bislang noch zu einem großen Teil auf fossilen Brennstoffen beruht, dekarbonisiert werden, in dem wir sie auf erneuerbare oder hierauf beruhende erneuerbare Energieträger, wie zum Beispiel Wasserstoff, umstellen.

Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie (NWS) und ihrer Fortschreibung will die Bundesregierung den Einsatz klimafreundlicher Wasserstofftechnologien vorantreiben und schon frühzeitig auch einen Beitrag zur Diversifizierung der Energieimporte und damit zur Versorgungssicherheit Deutschlands leisten.

Elektrolyseur

Quelle Wikipedia

Firmen zur Herstellung von Elektrolyse-Anlagen

 20 große Elektrolyseurhersteller, darunter Nel Hydrogen, Siemens Energy und Thyssenkrupp Nucera, arbeiten zusammen, um die europäische Wasserstoffindustrie zu unterstützen und den Zustrom billiger chinesischer Importe einzudämmen.

Wie die Financial Times (Paywall) und Reuters berichten , haben die Hersteller gemeinsam einen Brief unterzeichnet, in dem sie die designierte EU-Kommissionspräsidentin Ursula von der Leyen auffordern, gleiche Wettbewerbsbedingungen zu gewährleisten und mehr „Made in Europe“-Standards für die Branche zu fordern.

92 Elektrolyseure von 17 Herstellern

Erfasst wurden alle Systeme anhand von im Internet verfügbaren Datenblättern. Gibt es keine öffentlich zugänglichen Daten, wurde das Produkt nicht in die Liste aufgenommen.

https://power-to-x.de/power-to-x-marktuebersicht-92-elektrolyseure-von-17-herstellern/