Wasserstoff-Aufbau

Chemisch gesehen ist Wasserstoff simpel – das Potenzial ist aber riesig. (Bild: Shawn Hempel – stock.adobe.com)

Über den flächendeckenden Einsatz von grünem Wasserstoff wird schon lange diskutiert. Grüner Wasserstoff könnte demnach fossile Brennstoffe großflächig ersetzen, als Speicher für erneuerbare Energien dienen, Mobilität ermöglichen und die verschiedenen Energiesektoren miteinander koppeln.

Ein Vorteil von Wasserstoff ist, dass er – ähnlich wie fossile Brennstoffe – leicht zu transportieren und im Gegensatz zu elektrischem Strom auch in großen Mengen zu speichern ist. Er kann damit helfen, Nachfrage- und Angebotsspitzen, wie sie etwa durch die Erzeugung erneuerbarer Energien entstehen, auszugleichen. Denn Strom lässt sich per Elektrolyse in Wasserstoff „umwandeln“. Mehr zu dieser und anderen Varianten zur Herstellung von Wasserstoff lesen Sie hier.

Wasserstoff besitzt dabei sogar eine höhere massebezogene Energiedichte als Erdgas oder Öl: 1 kg Wasserstoff speichert etwa so viel Energie wie 2,8 kg Benzin oder 2,1 kg Erdgas. Darüber hinaus verbrennt Wasserstoff fast emissionsfrei. H2 könnte damit zukünftig fossile Energieträger überall dort ersetzen, wo sie heute noch zum Einsatz kommen – etwa in der Stromerzeugung bzw. Rückverstromung, beim Heizen oder in Anwendungen, in denen sich Strom aus erneuerbaren Energien nicht direkt einsetzen lässt.

Welche Rolle spielt Wasserstoff für die europäischen Klimaziele?

Das Potenzial von Wasserstoff hat inzwischen auch die Politik erkannt. 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-Grad-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 sogenanntem „blauen Wasserstoff“ aus der klassischen Dampfreformierung von Erdgas mit anschließender Speicherung des entstehenden CO2 (CCS) – beide Technologien sind notwendig, um die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen. Die Hintergründe zu den verschiedenen „Farben“ von Wasserstoff lesen Sie hier.

Flugzeug
Wasserstoff – und davon abgeleitete Treibstoffe – könnten unter anderem den Flugverkehr dekarbonisieren. (Bild: Eisenhans)

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.

Wofür wird Wasserstoff gebraucht und eingesetzt?

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. Wo H2 in einer Wasserstoff-Wirtschaft überall zum Einsatz kommen kann, lesen Sie hier. 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. 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, mit ihrer hohen Klimabilanz, 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.

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 bald 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. t 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.

Wieviel kostet grüner Wasserstoff aktuell und in Zukunft?

Weil Wirtschaftsunternehmen aber 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 eine 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. Andere Studien sind hier jedoch nicht so optimistisch. Lesen Sie hier mehr zu den Projektionen der Preisentwicklung von grünem Wasserstoff.

Allerdings hat der Russland-Konflikt der Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff neuen Auftrieb verliehen: Zahlen von Bloomberg New Energy Finance berichtet, ist grüner Wasstoff teilweise bereits heute in Europa, Afrika und dem Mittleren Osten günstiger als grauer Wasserstoff, der aus Erdgas gewonnen wird. Demnach kostet das klimafreundliche Gas dort zwischen 4,8 bis 6,7 US-Dollar pro Kilogramm, während Wasserstoff aus Erdgas 6,7 USD/kg kostet.

Grund dafür ist der infolge des russischen Angriffskriegs auf die Ukraine massiv gestiegene Preis für Erdgas. An der niederländischen Terminbörse Dutch TTF kostete Erdgas im April 2021 noch 18 USD/mmbtu - Anfang März 2022 waren die Preise auf zeitweise über 200 USD/mmbtu gestiegen. Inzwischen (19.4.) hat sich der Preis für die Energieeinheit bei ca. 100 USD eingependelt. Siehe unsere Meldung zur Preisentwicklung von H2 und Erdgas im April 2022.

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. Über die Pläne zum Aufbau eines Wasserstoff-Netzes in Deutschland und Europa berichten wir hier.

Delfzijl
Das Konsortium NortH2 will gemeinsam ein System aus Offshore-Windparks, Elektrolyseuren, Gasspeichern und Leitungen für Nord-West-Europa aufbauen. (Bild: NortH2)

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. Alternativen dazu sind die Synthese organischer Moleküle (liquid organic hydrogen carriers, LOHC) oder flüssigem Ammoniak. Letzterer könnte künftig als Schiffstreibstoff Schweröl ersetzen.

Wieviel wird weltweit in Wasserstoff-Projekte investiert und wo entstehen sie?

Die Wasserstoff-Wirtschaft ist nicht nur eine Herausforderung, sondern auch eine große Chance für die Industrie – gerade für den Anlagen- und Maschinenbau. Die Studie „Hydrogen Insights“, die in Zusammenarbeit des Hydrogen Council mit der Unternehmensberatung McKinsey entstand, taxiert die Gesamtinvestitionen in Projekte und entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette bis 2030 auf schätzungsweise 500 Mrd, US-Dollar.

Allein von Februar bis Juli 2021 wurden demnach weltweit 131 Großprojekte angekündigt, womit sich die Gesamtzahl auf 359 Projekte erhöht hat.

Von den Gesamtinvestitionen können der Studie zufolge 150 Mrd. USD bzw. 30 % als "ausgereift" betrachtet werden, das heißt die Investitionen befinden sich entweder in der Planungsphase, haben eine endgültige Investitionsentscheidung getroffen oder sind mit einem Projekt verbunden, das bereits im Bau oder in Betrieb ist.

Auch in Deutschland ist bereits eine Reihe von Wasserstoff-Projekten im Entstehen. Die wichtigsten und größten davon haben wir in einer interaktiven Karte verzeichnet:

Hintergrundinformationen zu den 10 größten Wasserstoff-Projekten weltweit finden Sie bei den Kollegen der Fachzeitschrift Produktion.

Über aktuelle Ankündigungen und Nachrichten zu Wasserstoff-Projekten hält Sie außerdem unser Wasserstoff-Ticker auf dem Laufenden:

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