Wege zur Treibhausgasneutralität Wie Wasserstoff zum Schlüssel der Energiewende werden soll

Die Welt setzt auf Wasserstoff, das zeigen mehr als 20 nationale Wasserstoffstrategien. Doch woher sollen die riesigen Mengen kommen, die gebraucht werden? Wie wird die Elektrolyse massentauglich? Und wird es genug Strom aus erneuerbaren Quellen geben? Warum sich an diesen Fragen der Erfolg der Energiewende entscheidet.

Wasserstoff soll der Treibstoff der Energiewende werden. Dem Gas trauen Experten wahre Wunderdinge zu: weniger Treibhaushausgasemissionen, mehr technologische Innovationen und Wirtschaftswachstum in den Ländern, die auf das Gas setzen. Und das sind mittlerweile einige. Bis heute haben über 20 Länder der 56 global stärksten Volkswirtschaften nationale Wasserstoffstrategien veröffentlicht, darunter wirtschaftliche Schwergewichte wie USA, Japan und natürlich Deutschland. Erst im Juli hat die Bundesregierung ihre neuen Ziele innerhalb der deutschen Wasserstoffstrategie veröffentlicht und damit im Vergleich zu 2020 noch einmal eine Schippe draufgelegt.

Zehn Gigawatt Elektrolyse-Kapazität zur Erzeugung von grünem Wasserstoff sollen es nun bis 2030 werden. Der Wasserstoffbedarf werde in Deutschland bis 2030 bei 95 bis 130 Terawattstunden liegen, prognostiziert der Nationale Wasserstoffrat in seiner Verbrauchsanalyse. Das Gremium hat sich auch damit befasst, wer das kostbare Gas denn nutzen darf. Erste Priorität hat demnach der Einsatz in der Industrie. Aber auch schwere Nutzfahrzeuge sowie der energie- und emissionsintensive Luft- und Schiffsverkehr sollen davon profitieren.

Technologieoffenheit ist wichtig

Herr Bazzanella, was ist das Besondere an dem Wasserstoffleitprojekt H2Giga?

Bazzanella: H2Giga ist bewusst technologieoffen angelegt. Das bedeutet, dass alle Technologien der Wasserelektrolyse vertreten sind: die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperatur-Elektrolyse, aber auch eine Technologie der nächsten Generation, die AEM-Elektrolyse.

Gibt es „bessere“ oder „schlechtere“ Technologien?

Die Technologieoffenheit ist bewusst so gewählt, weil die verschiedenen Elektrolyseurtypen ihre spezifischen Einsatzbereiche sowie Vor- und Nachteile haben; von „besser“ oder „schlechter“ kann also nicht die Rede sein.

Was ist der Unterschied zwischen den verschiedenen Elektrolysetechnologien?

Die alkalische Elektrolyse ist eine etablierte Technologie mit hoher technologischer Reife und langer Lebensdauer. Entsprechende Anlagen sind bereits in größerem Maßstab verfügbar. Ein Vorteil ist der geringe Edelmetalleinsatz, ein Nachteil ist die geringere Flexibilität für den Teillastbetrieb. Hier bietet die PEM-Elektrolyse mit hoher Effizienz und guten Start-stopp-Eigenschaften Vorteile. Nachteil der PEM-Elektrolyse ist dafür der hohe Bedarf an Edelmetallen als Katalysatoren, vor allem der Einsatz von Iridium. Die dritte Technologie, die Hochtemperatur-Elektrolyse, kann sehr hohe Wirkungsgrade erreichen, indem sie in Kopplung mit Industrieprozessen die Prozesswärme oder Abwärme nutzt. Sie ist noch weniger etabliert und eignet sich durch die notwendigen Temperaturzyklen nicht für einen dynamischen Start-stopp-Betrieb. Die AEM-Elektrolyse ist vom Technologiereifegrad noch in einem frühen Stadium. Sie vereint die spezifischen Vorteile der alkalischen und der PEM-Elektrolyse, indem unter anderem auf Edelmetalle verzichtet werden kann.

Wo sehen Sie die wichtigsten Anwendungsbereiche für grünen Wasserstoff ?

Die Anwendungsbereiche sind in der Nationalen Wasserstoffstrategie und deren Fortschreibung benannt. Zunächst ist der Industriesektor zu nennen, allen voran die chemische Industrie, die Wasserstoff in großen Mengen stofflich einsetzt, bisher vorwiegend aus Erdgas gewonnen. Auch in der Stahlindustrie ist Wasserstoff als Reduktionsmittel und zur Bereitstellung von Hochtemperaturprozesswärme relevant. Letztere wird auch wieder bei einigen chemischen Prozessen benötigt. Der Verkehrssektor ist ein weiterer Anwendungsbereich: Hier lässt sich grüner Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe einsetzen oder kann für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe verwendet werden. Letztere sind vor allem in der Luftfahrt notwendig, um fossile Luftkraftstoffe zu ersetzen. Der Gebäudesektor spielt hingegen eine untergeordnete Rolle.

Oft wird die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom als größtes Problem der Elektrolyse und der Herstellung von grünem Wasserstoff beschrieben. Wie schätzen Sie das ein?

Die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom ist sicher ein wichtiger Parameter. Die Bundesregierung sieht ein nationales Ausbauziel der Elektrolyseleistung von mindestens 10 GW bis zum Jahr 2030 vor. Der Ausbau erneuerbarer Energien muss damit Schritt halten, und auch die Netzinfrastruktur muss entsprechend angepasst werden. Es ist aber nicht zu erwarten, dass Deutschland mit der Transformation von meist importierten fossilen auf erneuerbare Energieträger plötzlich energieautark wird, und auch die nationale Wasserstoffstrategie sieht den Import von Wasserstoff und Wasserstoffderivaten vor.

Und Stromverfügbarkeit ist nicht das einzige Hindernis. So beseitigt H2Giga zum Beispiel auch Hindernisse bei der Fertigung und damit Skalierung und Bereitstellung der Technologie. Das Projekt „Technologieplattform Elektrolyse“ betrachtet nicht-technische Hürden wie rechtliche Rahmenbedingungen und die Beschleunigung von Genehmigungsverfahren für Elektrolyseure. Der Transformationsprozess zu einer Wasserstoffwirtschaft muss mitgedacht und begleitet werden. Dazu gehört es, alle Innovations- und Umsetzungshürden zu erkennen und anzugehen – nur so lässt sich das Ausbauziel erreichen.

Die Lücke schließt sich

Auch der Markthochlauf scheint in Deutschland langsam in die Gänge zu kommen. In ihrem H₂-Kompass, den Acatech und Dechema im September vorgelegt haben, ermitteln die Experten eine installierte Elektrolyseleistung von 130,9 Megawatt. Wenn die bis 2030 angekündigten Elektrolyseprojekte kommen, werde Deutschland bis dahin über eine Elektrolyseleistung von 9,7 Gigawatt verfügen, heißt es im Elektrolyse-Monitor. Trotz allem wird Deutschland auf Wasserstoffimporte angewiesen bleiben. Nachhaltiger Wasserstoff werde in den nächsten Jahren eine knappe Ressource bleiben, die einem wachsenden Bedarf gegenüberstehe, sagt auch Dechema-Vorstand Klaus Schäfer.

Viele Fragen, die beantwortet werden müssen. Wo soll der Wasserstoff herkommen? Wie kann er transportiert werden? Und die Gretchenfrage: Wie teuer wird das Gas eigentlich?

Für mehr Versorgungssicherheit setzt der deutsche Wirtschaftsminister Robert Habeck auf Technologiepartnerschaften: Namibia, Australien, Kanada und Brasilien sind im Gespräch. Eine Machbarkeitsstudie läuft gerade in Namibia. In der Nähe von Lüderitz will Hyphen Hydrogen Energy bis zum Ende des Jahrzehnts jährlich zwei Millionen Tonnen grünes Ammoniak produzieren. Das Joint-Venture zwischen der Nicholas Holdings Limited und der deutschen Enertrag will einen riesigen Wind- und Solarpark mit über sieben Gigawatt erneuerbarer Erzeugungskapazität und über drei Gigawatt Elektrolyseurkapazität bauen.

Weitreichend sind auch die Vereinbarungen mit Australien. Schon im Jahr 2021 beschlossen die beiden Regierungen im Rahmen des HySupply-Projekts eine Machbarkeitsstudie, die Möglichkeiten für eine Lieferkette für grünen Wasserstoff von Australien nach Deutschland untersucht. Clou dabei: Wasserstoff soll in ausgewählten australischen Hubs zu einem Preis von weniger als zwei Dollar pro Kilogramm produziert werden, das heißt zu einem Preis, bei dem Wasserstoff gegenüber Alternativen mit höheren Emissionen wettbewerbsfähig werde, heißt es in der Ankündigung.

Seit Ende Januar 2023 ist auch klar, wie es weitergeht: Das BMBF fördert vier Projekte, darunter eine 17,6-MW-Demonstrationsanlage zur Herstellung von grünem Wasserstoff in Townsville/Queensland mit der Technologie von Siemens Energy. „ScaleH₂“ beschäftigt sich mit dem technischen Aufbau einer Wasserstoff-Export-Wertschöpfungskette aus New South Wales nach Deutschland. Das Projekt „CFE-Pilot“ entwickelt einen effizienteren, kapillargespeisten Wasserelektrolyseur, und „24x7 Solar Powered Methanol Production (SolarMethanol)“ soll einen Anlagenverbund zur Herstellung von circa 7.500 Tonnen Methanol pro Jahr in Südaustralien aufbauen.

Technologisch muss noch viel passieren

International ist also gerade eine Menge in Bewegung. Doch das sollte nicht darüber hinwegtäuschen, dass es durchaus noch technologische Fragezeichen gibt. So sind die Elektrolyseurhersteller noch meilenweit von der Serienfertigung entfernt. Auch steigt die Zahl der Unternehmen auf der internationalen Bühne. Dadurch erwächst den etablierten deutschen Anlagenbauern – Linde, Nucera, MAN Energy oder Siemens, um nur die größten zu nennen – Wettbewerb, und der Druck, ihre Systeme weiter zu entwickeln, steigt. Und das Scale-Up ist nicht trivial.

Große Baugruppen müssen am Fließband serienmäßig hergestellt werden, vollautomatisiert, um den Durchsatz hochzufahren und die Fehlerquote minimal zu halten. Nicht nur die Leistung eines Elektrolyseurs, sondern auch die Eignung der Komponenten für automatisches Assembling, Wartung und Reparatur und vor allem Betriebssicherheit und Lebensdauer sind wichtige Zielparameter.

Spannend ist auch die Frage, was eigentlich mit den Wertschöpfungsketten geschieht, wenn zum Beispiel Wasserstoff fossile Brennstoffe ersetzt. Wenn Raffinerien von der Rohölverarbeitung auf eine wasserstoffbasierte Kraftstoffproduktion umstellen, dann fallen Schwefel, Bitumen und Koks als wichtige Nebenprodukte weg. Diese müssten also in anderen Bereichen der Industrie ersetzt werden. Auch die Zementindustrie müsste sich umstellen: Steigt die Stahlindustrie in großem Maßstab auf die wasserstoffbasierte Eisendirektreduktion um, entfallen Hüttensand und Flugasche als Reststoffe. Die Fragen und Herausforderungen rund um den Wasserstoffhochlauf werden als nicht weniger, sondern eher noch mehr. (agk)

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal PROCESS erschienen.

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