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Dec 27, 2023

Was genau ist grüner Wasserstoff?

Unternehmen und Branchengruppen schließen sich häufig zusammen, um für ihre Produkte zu werben. Weit

Unternehmen und Branchengruppen schließen sich häufig zusammen, um für ihre Produkte zu werben. Weitaus ungewöhnlicher war der Schritt, den letzten Monat zehn große europäische Energieunternehmen und zwei der führenden Verbände der Branche für erneuerbare Energien auf dem Kontinent unternommen haben. Sie haben sich zusammengeschlossen, um eine Kampagne zu starten, in der sie ein Produkt anpreisen, das keines von ihnen tatsächlich verkauft.

Bei diesem Produkt handelt es sich um erneuerbaren oder „grünen“ Wasserstoff. Und obwohl es für diese Unternehmen (Enel, EDP, BayWa und andere) oder Industriegruppen (SolarPower Europe und WindEurope) heute kein zentrales Anliegen ist, sind alle der Ansicht, dass grüner Wasserstoff eine entscheidende Rolle bei der Erreichung einer tiefgreifenden Dekarbonisierung des Energiesystems spielt.

Das Interesse an grünem Wasserstoff steigt bei großen Öl- und Gasunternehmen sprunghaft an. Europa plant, Wasserstoff zu einem wichtigen Bestandteil seines Billionen-Dollar-Green-Deal-Pakets zu machen. Eine EU-weite Strategie für grünen Wasserstoff soll voraussichtlich im Juli veröffentlicht werden.

„Wir können nicht alles elektrifizieren“, sagte WindEurope-CEO Giles Dickson. „Einige Industrieprozesse und Schwertransporte müssen mit Gas betrieben werden. Und erneuerbarer Wasserstoff ist das beste Gas. Es ist völlig sauber. Es wird erschwinglich sein, da erneuerbare Energien jetzt so günstig sind.“

Als farbloses Gas wird Wasserstoff mit sehr farbenfrohen Begriffen bezeichnet.

Laut der Nomenklatur des Marktforschungsunternehmens Wood Mackenzie ist das meiste Gas, das bereits in großem Umfang als Industriechemikalie verwendet wird, entweder braun, wenn es durch die Vergasung von Kohle oder Braunkohle hergestellt wird, oder braun, wenn es durch die Vergasung von Kohle oder Braunkohle hergestellt wird. oder grau, wenn es durch Dampf-Methanreformierung hergestellt wird, bei der typischerweise Erdgas als Ausgangsstoff verwendet wird. Keines dieser Verfahren ist wirklich CO2-freundlich.

Eine vermeintlich sauberere Option ist der sogenannte blaue Wasserstoff, bei dem das Gas durch Dampfreformierung von Methan erzeugt wird, die Emissionen jedoch durch Kohlenstoffabscheidung und -speicherung begrenzt werden. Dieser Prozess könnte die Menge an erzeugtem Kohlenstoff ungefähr halbieren, ist aber noch lange nicht emissionsfrei.

Im Gegensatz dazu könnte grüner Wasserstoff die Emissionen nahezu eliminieren, indem erneuerbare Energien – die zunehmend reichlich vorhanden sind und häufig zu nicht idealen Zeiten erzeugt werden – für die Elektrolyse von Wasser genutzt werden.

Eine neuere Ergänzung der Wasserstoffproduktionspalette ist Türkis. Dieses entsteht durch die Zerlegung von Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff mithilfe eines Prozesses namens Pyrolyse. Türkisfarbener Wasserstoff scheint relativ emissionsarm zu sein, da der Kohlenstoff entweder vergraben oder für industrielle Prozesse wie die Stahl- oder Batterieherstellung verwendet werden kann, sodass er nicht in die Atmosphäre gelangt.

Jüngste Untersuchungen zeigen jedoch, dass türkisfarbener Wasserstoff aufgrund der Emissionen aus der Erdgasversorgung und der benötigten Prozesswärme wahrscheinlich nicht kohlenstofffreier ist als die blaue Variante.

Bei der Elektrolyse benötigen Sie zur Herstellung großer Mengen Wasserstoff lediglich Wasser, einen großen Elektrolyseur und ausreichend Strom.

Wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Sonne oder Wasserkraft stammt, ist der Wasserstoff effektiv grün; Die einzigen CO2-Emissionen entstehen durch die Erzeugungsinfrastruktur.

Die Herausforderung besteht derzeit darin, dass große Elektrolyseure knapp sind und reichlich Strom aus erneuerbaren Energiequellen immer noch zu einem hohen Preis erhältlich ist.

Im Vergleich zu etablierteren Produktionsverfahren ist die Elektrolyse sehr teuer, sodass der Markt für Elektrolyseure bisher klein war.

Und während die Produktion erneuerbarer Energie mittlerweile groß genug ist, um in Kalifornien Entenkurven und Netzprobleme in Deutschland zu verursachen, ist die Überproduktion eine relativ neue Entwicklung. Die meisten Energiemärkte benötigen immer noch reichlich erneuerbare Energien, nur um das Netz zu versorgen.

Theoretisch gibt es viele nützliche Dinge, die man mit grünem Wasserstoff machen kann. Sie können es Erdgas hinzufügen und es in Wärmekraftwerken oder Fernwärmeanlagen verbrennen. Sie können es als Vorstufe für andere Energieträger verwenden, von Ammoniak bis hin zu synthetischen Kohlenwasserstoffen, oder zum Beispiel für den direkten Antrieb von Brennstoffzellen in Autos und Schiffen.

Zunächst einmal können Sie damit einfach den industriellen Wasserstoff ersetzen, der jedes Jahr aus Erdgas hergestellt wird und allein in den USA rund 10 Millionen Tonnen beträgt.

Das Hauptproblem bei der Befriedigung all dieser potenziellen Märkte besteht darin, grünen Wasserstoff dorthin zu bringen, wo er benötigt wird. Die Lagerung und der Transport des leicht entzündlichen Gases sind nicht einfach; Es nimmt viel Platz ein und führt dazu, dass Stahlrohre und Schweißnähte spröde und störanfällig werden.

Aus diesem Grund werden für den Massentransport von Wasserstoff spezielle Pipelines erforderlich sein, deren Bau, die Druckbeaufschlagung des Gases oder die Abkühlung in eine flüssige Form kostspielig wäre. Die letzten beiden Prozesse sind energieintensiv und würden die ohnehin schon enttäuschende Effizienz von grünem Wasserstoff noch weiter beeinträchtigen (siehe unten).

Einer der Wege zu einer nahezu vollständigen Dekarbonisierung ist die Elektrifizierung des gesamten Energiesystems und die Nutzung sauberer erneuerbarer Energie. Die Elektrifizierung des gesamten Energiesystems wäre jedoch schwierig oder zumindest viel teurer als die Kombination erneuerbarer Energien mit kohlenstoffarmen Kraftstoffen. Grüner Wasserstoff ist einer von mehreren potenziellen kohlenstoffarmen Kraftstoffen, die die heutigen fossilen Kohlenwasserstoffe ersetzen könnten.

Zugegebenermaßen ist Wasserstoff als Kraftstoff alles andere als ideal. Aufgrund seiner geringen Dichte ist es schwer zu lagern und zu transportieren. Und seine Entflammbarkeit kann ein Problem darstellen, wie eine Explosion an einer norwegischen Wasserstofftankstelle im Juni 2019 deutlich machte.

Aber auch andere kohlenstoffarme Kraftstoffe haben Probleme, nicht zuletzt wegen der Kosten. Und da die meisten von ihnen die Produktion von grünem Wasserstoff als Vorstufe erfordern, warum nicht einfach beim Originalprodukt bleiben?

Befürworter weisen darauf hin, dass Wasserstoff in der Industrie bereits weit verbreitet sei und technische Probleme bei Lagerung und Transport daher nicht unüberwindbar sein dürften. Darüber hinaus ist das Gas potenziell sehr vielseitig und kann in Bereichen eingesetzt werden, die von der Heizung über die langfristige Energiespeicherung bis hin zum Transport reichen.

Die Möglichkeit, grünen Wasserstoff in einer Vielzahl von Sektoren einzusetzen, bedeutet, dass es entsprechend viele Unternehmen gibt, die von einer aufkeimenden Wasserstoffwirtschaft profitieren könnten. Die vielleicht bedeutendsten davon sind die Öl- und Gasunternehmen, die sich zunehmend mit Forderungen konfrontiert sehen, die Produktion fossiler Brennstoffe einzuschränken.

Mehrere Ölkonzerne gehören zu den Akteuren, die um die Spitzenposition bei der Entwicklung von grünem Wasserstoff kämpfen. Shell Nederland beispielsweise bestätigte im Mai, dass es sich mit dem Energieunternehmen Eneco zusammengetan hat, um bei der jüngsten niederländischen Ausschreibung für Offshore-Windenergie Kapazitäten zu bieten, um in den Niederlanden einen rekordverdächtigen Wasserstoffcluster zu schaffen. Tage später gab BPs Solarentwickler Lightsource BP bekannt, dass er über die Entwicklung einer australischen Anlage für grünen Wasserstoff nachdenkt, die mit 1,5 Gigawatt Wind- und Solarkapazität betrieben wird.

Das Interesse der großen Ölkonzerne an grünem Wasserstoff könnte entscheidend dafür sein, dass der Kraftstoff kommerziell nutzbar wird. Die Senkung der Kosten für die Produktion von grünem Wasserstoff erfordert massive Investitionen und einen enormen Umfang, wozu die Ölkonzerne in einzigartiger Weise in der Lage sind.

Grüner Wasserstoff ist auch heute noch teuer in der Herstellung. In einem im letzten Jahr veröffentlichten Bericht (unter Verwendung von Daten aus dem Jahr 2018) bezifferte die Internationale Energieagentur die Kosten für grünen Wasserstoff auf 3 bis 7,50 US-Dollar pro Kilo, verglichen mit 0,90 bis 3,20 US-Dollar für die Produktion mittels Dampf-Methanreformierung.

Die Senkung der Kosten für Elektrolyseure wird entscheidend sein, um den Preis für grünen Wasserstoff zu senken, aber das wird Zeit und Maßstab erfordern. Die Kosten für Elektrolyseure könnten bis 2040 um die Hälfte sinken, von heute rund 840 US-Dollar pro Kilowatt Kapazität, sagte die IEA letztes Jahr.

Der Business Case für grünen Wasserstoff erfordert sehr große Mengen an billigem erneuerbarem Strom, da ein beträchtlicher Teil bei der Elektrolyse verloren geht. Laut Shell liegen die Wirkungsgrade der Elektrolyseure zwischen etwa 60 und 80 Prozent. Die Effizienzherausforderung wird durch die Tatsache verschärft, dass viele Anwendungen möglicherweise grünen Wasserstoff zum Antrieb einer Brennstoffzelle benötigen, was zu weiteren Verlusten führt.

Einige Beobachter haben die Theorie aufgestellt, dass die Produktion von grünem Wasserstoff überschüssige Kapazitäten für erneuerbare Energien in großen Produktionszentren wie Europas Offshore-Windparks beseitigen könnte. Angesichts der immer noch hohen Kosten für Elektrolyseure ist es jedoch fraglich, ob Projektentwickler für grünen Wasserstoff bereit wären, ihre Elektrolyseure stillzulegen, bis die Preise für erneuerbare Energien unter ein bestimmtes Niveau fallen.

Wahrscheinlicher ist, dass die Entwickler, wie bereits von Lightsource BP und Shell in Betracht gezogen, Anlagen zur Produktion von grünem Wasserstoff mit dedizierten Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien an Standorten mit hohen Ressourcen errichten werden.

Im Großen und Ganzen nicht viel. Laut Wood Mackenzie macht grüner Wasserstoff derzeit weniger als 1 Prozent der gesamten jährlichen Wasserstoffproduktion aus.

Aber WoodMac prognostiziert für die kommenden Jahre einen Produktionsboom. Die Pipeline an Projekten für grüne Wasserstoffelektrolyseure hat sich in den fünf Monaten bis April 2020 nahezu verdreifacht, auf 8,2 Gigawatt. Der Anstieg war hauptsächlich auf die Zunahme groß angelegter Elektrolyseur-Einsätze zurückzuführen, wobei 17 Projekte mit einer Kapazität von 100 Megawatt oder mehr geplant sind.

Und es ist nicht einfach so, dass immer mehr Projekte entwickelt werden. Bis 2027 wird die durchschnittliche Größe von Elektrolyseursystemen voraussichtlich 600 Megawatt überschreiten, sagt WoodMac.

Grüner Wasserstoff scheint derzeit in aller Munde zu sein, und mindestens zehn Länder blicken auf das Gas für zukünftige Energiesicherheit und mögliche Exporte. Die jüngste Nation, die auf den Zug aufspringt, ist Portugal, das im Mai eine nationale Wasserstoffstrategie vorgestellt hat, die bis 2030 einen Wert von sieben Milliarden Euro (7,7 Milliarden US-Dollar) haben soll.

Neben Öl- und Gasunternehmen sehen Entwickler erneuerbarer Energien grünen Wasserstoff als einen aufstrebenden Markt, wobei der Offshore-Windkraftführer Ørsted letzten Monat das erste große Projekt ankündigte, das ausschließlich auf den Transportsektor abzielt.

Neben so großen Namen hoffen auch zahlreiche kleinere Unternehmen, ein Stück vom wachsenden grünen Wasserstoffkuchen zu ergattern. Unternehmen wie ITM Power sind heute vielleicht nicht so bekannt, aber wenn grüner Wasserstoff nur einen Bruchteil seines Versprechens hält, könnte er eines Tages ein Riesenerfolg sein.

Ah ja. Der auffällige Toyota Mirai schürte frühe Hoffnungen, dass Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge mit Elektroautos konkurrieren könnten, um den Verbrennungsmotor abzulösen. Doch mit dem Boom des Elektrofahrzeugmarktes ist die Aussicht, dass Wasserstoff ein ernstzunehmender Konkurrent sein könnte, zumindest im Pkw-Segment in Vergessenheit geraten.

Heute sind etwa 7.600 Wasserstoff-Brennstoffzellenautos auf US-Straßen unterwegs, verglichen mit mehr als 326.400 Plug-in-Elektrofahrzeugen, die allein im vergangenen Jahr in den USA verkauft wurden.

Dennoch gehen Experten immer noch davon aus, dass Wasserstoff bei der Dekarbonisierung einiger Fahrzeugsegmente eine Rolle spielen wird, wobei Gabelstapler und Schwerlastkraftwagen am wahrscheinlichsten davon profitieren werden.

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Weiterführende Literatur von Wood Mackenzie, The Future for Green Hydrogen