Wirtschaft auf Basis von grünem Wasserstoff im Realitätscheck

Über den Einsatz von grünem Wasserstoff in der Industrie und im Transportwesen wird schon lange diskutiert. Auch Pilotprojekte gab es bereits viele. Doch in jüngster Zeit überschlagen sich die Meldungen zu neuen Wasserstoffprojekten, es vergeht kaum eine Woche ohne einen neuen Rekord für noch größere Wasserstoffelektrolyseanlagen. Die Situation hat alle Anzeichen eines medialen Hypes.

Aber nicht nur, denn etwas hat sich geändert – und wie so häufig im Energiebereich hat das mit Politik zu tun. Im Juli 2020 machte die Europäische Union ihre neue Wasserstoffstrategie öffentlich. Demnach spielt das kleinste chemische Element eine zentrale Rolle im Versuch, bis 2050 in Europa eine klimaneutrale Wirtschaft zu etablieren.

Ausgangspunkt der europäischen Projektionen und Pläne ist das Ziel der EU, bis zum Ende des Jahrhunderts das im Pariser Klimaabkommen definierte 2 °C-Ziel zu erreichen. Und weil sich dies mit klassischen Technologien bei den geforderten Emissionswerten nicht erreichen lässt, führt am Wasserstoff kein Weg vorbei. Ob grüner Wasserstoff, oder eine Kombination von H₂ aus Grünstrom und der klassischen Dampfreformierung von Erdgas mit anschließender Speicherung des entstehenden CO₂ (CCS), beide Technologien sind notwendig, um die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen. Erstmals wurden in der EU allerdings konkrete Ausbauziele für grünen Wasserstoff spezifiziert: So sollen in der ersten Phase zwischen 2020 und 2025 in Europa Elektrolysekapazitäten in Höhe von 6 GW installiert werden. Das Ziel: Künftig eine Mio. t grünen Wasserstoff pro Jahr zu erzeugen. In der zweiten Phase (2025 bis 2030) soll die Kapazität auf insgesamt 40 GW und bis zu zehn Mio. Tonnen anwachsen. Nach 2030, so das Ziel der EU-Kommission, soll Wasserstoff in großem Maßstab in Bereichen eingesetzt werden, die sich bislang den Bemühungen zur Dekarbonisierung – darunter LKW- und Flugverkehr – entziehen.

Die Dimension dieser Bemühungen verdeutlicht ein Blick auf die dafür notwendigen Investitionen: So schätzt der Verband Hydrogen Europe, dass für diese Ziele Investitionen in Höhe von 430 Mrd. Euro notwendig werden. Die Interessensvertreter rechnen bereits für 2021 mit ersten Gesetzesentwürfen, mit denen die europäische Wasserstoffstrategie dann umgesetzt werden soll.

Doch nicht nur Europa sieht in Wasserstoff einen Schlüssel zu einer klimaneutralen Wirtschaft: Auch in Südkorea und Japan wächst der Bedarf. Zusammengenommen, so die Schätzungen von Marktforschungsunternehmen, könnten die beiden Länder bis 2050 jährlich 27 Mio. Tonnen Wasserstoff benötigen. Insgesamt 75 Nationen, die aktuell die Hälfte der globalen Wirtschaftsleistung repräsentieren, haben sich zum Ziel gesetzt, in den kommenden Jahrzehnten klimaneutral zu werden. 30 davon haben bereits eigene Wasserstoffstrategien veröffentlicht.

In diesem Zusammenhang nehmen sich die aktuell rund 50 globalen Projekte für die Herstellung von grünem Wasserstoff und weitere 150 Projekte zur Produktion von H₂ auf Basis fossiler Rohstoffe noch relativ bescheiden aus: Würden alle realisiert, müssten bis 2030 insgesamt 300 Mrd. US-Dollar investiert werden – so eine aktuelle Studie von McKinsey im Auftrag des Hydrogen Council, einer Vereinigung von rund 100 Unternehmen der Chemie und Energieindustrie. Doch lediglich ein Viertel der Projekte sind bislang über die reine Ankündigung hinaus konkret geplant oder in der Umsetzung.

Weil Wirtschaftsunternehmen kaum aus altruistischen Motiven zu signifikanten Investitionen bereit sind, hängt die künftige Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft wesentlich an der Entwicklung der Kosten für erneuerbar erzeugten Strom, den Aufwendungen für die Elektrolyse und den Transport des Wasserstoffs. Hierzu wartet die McKinsey-Studie vom Januar 2021 mit interessanten Details auf: Basierend auf der vom Hydrogen Council angenommenen ehrgeizigen Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft soll die globale Elektrolyseleistung bis 2030 auf 90 GW steigen. Skaleneffekten könnten demnach die Kosten für grünen Strom, für die Elektrolyse und den Transport drücken, sodass grüner Wasserstoff bis 2030 nur noch 1,4 bis 2,3 USD/kg kosten würde. Aktuell ist grüner Wasserstoff in Westeuropa mit 6 bis 7 USD/kg bepreist und damit dreimal so teuer als konventioneller grauer Wasserstoff. Die optimistischen Projektionen der aktuellen Studie zugrunde gelegt, könnte grüner Wasserstoff je nach Region zwischen 2028 und 2034 das Preisniveau von grauem Wasserstoff erreichen.

Die Investitionskosten für Elektrolyseanlagen werden den Annahmen zufolge zwischen 2025 und 2030 von 480-620 USD/kW auf 230-380 USD/kW sinken. Ein interessanter Aspekt sind zudem die im Vergleich zu Stromleitungen hohe Energie-Transportkapazität von Wasserstoff-Pipelines und die deutlich niedrigeren Leitungsverluste sowie deren Flexibilität: Die Leitungskapazität kann über den Druck an den Bedarf angepasst werden kann. Das Hydrogen Council schätzt die Kosten für den Transport per Pipeline auf ein Achtel der Aufwendungen, die notwendig sind, um dieselbe Energiemenge auf Stromleitungen zu übertragen. So könnten beispielsweise im gut ausgebauten europäischen Pipeline-Netz bestehende Erdgasleitungen für den Transport von Wasserstoff genutzt werden: Hydrogen Europe schätzt, dass die Umrüstung von 50.000 km Leitungen rund 25 Mrd. Euro kosten würde. Der Pipeline-Transport von Nordafrika nach Deutschland wäre Schätzungen zufolge für 0,5 USD/kg zu bewerkstelligen.

Deutlich aufwändiger ist dagegen der Transport per Schiff: Verflüssigung, Lagerung bei extrem tiefen Temperaturen und Regasifizierungen sind dabei die wesentlichen Kostentreiber – Schätzungen für 2030 gehen von 2 bis 3 USD/kg aus. Diese Projektionen dürfte den aktuellen Ankündigungen für H₂-Projekte in Australien zugrunde liegen. Der dort erzeugte grüne Wasserstoff ist für den Export nach Asien vorgesehen. Alternativen dazu sind die Synthese organischer Moleküle (liquid organic hydrogen carriers, LOHC) oder flüssigem Ammoniak. Letzterer könnte künftig als Schiffstreibstoff Schweröl ersetzen.

Doch während Wasserstoff aus Solarstrom der Sahara-Region noch Zukunftsmusik ist, wird die H₂-Produktion kurz- bis mittelfristig eher nahe bei den Abnehmern installiert werden. Dieser Strategie folgt beispielsweise das jüngst von Linde angekündigte 24-MW-Elektrolyseprojekt in Leuna.

Zur hohen Energiedichte des Wasserstoffs kommt zudem die einfache Nutzung und damit hohe Akzeptanz bei den Endanwendern: Wasserstoff kann beispielsweise schon heute Erdgas beigemischt und mit einem Anteil bis 15 % über das Erdgasnetz transportiert werden. An der Endstelle wird das energiereiche Gas entweder gemeinsam mit Erdgas verbrannt oder für die Nutzung als Wasserstoffgas wieder abgeschieden.

In der Hydrogen Roadmap hat die private Forschungsgruppe „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“, in der 17 Unternehmen zusammengeschlossen sind, die Auswirkungen der europäischen Initiative untersucht und kommt zu dem Ergebnis, dass in der konsequenten Verfolgung der Wasserstoffstrategie enorme Chancen für die europäische Industrie, den Anlagenbau und vor allem für die Chemie liegen.

Was Europa in Sachen Wasserstoff zu einer Pole Position verhilft, ist unter anderem das existierende Gasnetz, das bereits heute über 40 % des Heizgases an europäische Haushalte verteilt und 15 % des in Kraftwerken verfeuerten Erdgases transportiert. Für das Transportgewerbe ist Wasserstoff derzeit die interessanteste Option für die Dekarbonisierung von Lastkraftwagen, Bussen, Schiffen, großen Autos und Zügen. Denn das kleine Molekül zeichnet sich im Vergleich zu Heizöl oder Erdgas durch eine fast dreimal höhere Energiedichte aus. Das Transportgewerbe steht auch deshalb im Fokus, weil es in Europa für rund ein Drittel aller Kohlendioxid-Emissionen verantwortlich ist. In der Luftfahrt sind aus Wasserstoff hergestellte synthetische Kraftstoffe die bislang einzige Option für eine Dekarbonisierung.

Weitere potenzielle Abnehmer sind Industrien, in denen bislang hohe Mengen an Kohlendioxid anfallen. Dazu gehören die Zementindustrie, aber auch die Stahlindustrie. In Letzterer kann Wasserstoff nicht nur Heizgas, sondern auch Koks als Reduktionsmittel ersetzen. Für die Chemie relevant ist der Einsatz von grünem Wasserstoff, um Kohlendioxid aus Verbrennungs- und Oxidationsprozessen zu höherwertigen Chemikalien wie Ammoniak oder Polymeren umzusetzen. Auf diese Weise könnte die Chemieproduktion sogar zu einer Kohlendioxid-Senke werden.

Durch H₂-Produktion und Bereitstellung der Ausrüstung für Wasserstoffprojekte könnte den Schätzungen von Hydrogen Europe zufolge bis 2030 in Europa ein Markt mit einem Volumen von 130 Mrd. Euro entstehen. Bis 2050 rechnen die Experten sogar mit einem schwindelerregenden 820 Mrd. Euro Marktvolumen.

Fazit: Um das Ziel einer dekarbonisierten Wirtschaft und das 2-°C-Klimaziel zu erreichen, führt am Wasserstoff kein Weg vorbei. Die Beschlüsse der europäischen Politik und anderer Nationen dürften die Entwicklung deutlich befeuern. Erste Projekte der Industrie zeigen, dass die Protagonisten der Wasserstoffökonomie sich bereits darauf einstellen.