Grüner Wasserstoff steht im Mittelpunkt der globalen Bemühungen um eine nachhaltige Energiewende. Als emissionsfreier Energieträger bietet er enormes Potenzial, fossile Brennstoffe in verschiedenen Sektoren zu ersetzen und damit einen bedeutenden Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Die Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse macht rasante Fortschritte, während der Ausbau erneuerbarer Energien die Grundlage für eine CO2-neutrale Produktion schafft. Doch welche konkreten Vorteile bietet grüner Wasserstoff und vor welchen Herausforderungen steht die Wasserstoffwirtschaft auf dem Weg zu einer breiten Marktdurchdringung? Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Aspekte dieser zukunftsweisenden Technologie.
Elektrolyse-Verfahren zur Herstellung von grünem Wasserstoff
Die Elektrolyse bildet das Herzstück der grünen Wasserstoffproduktion. Bei diesem Verfahren wird Wasser mithilfe von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Entscheidend ist dabei, dass ausschließlich Strom aus erneuerbaren Quellen zum Einsatz kommt, um die CO2-Neutralität zu gewährleisten. In den letzten Jahren haben sich verschiedene Elektrolyse-Technologien etabliert, die sich in ihrer Effizienz und ihren Einsatzmöglichkeiten unterscheiden.
Die alkalische Elektrolyse ist das am längsten etablierte und kostengünstigste Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Sie zeichnet sich durch eine hohe Robustheit und lange Lebensdauer aus. Bei diesem Prozess wird eine Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt verwendet. Die Elektroden bestehen meist aus Nickel oder Nickel-beschichteten Materialien. Ein wesentlicher Vorteil der alkalischen Elektrolyse ist ihre Skalierbarkeit - Anlagen im Megawatt-Bereich sind bereits im kommerziellen Einsatz.
Allerdings weist die alkalische Elektrolyse auch einige Nachteile auf. So reagiert sie relativ träge auf Lastwechsel, was ihre Flexibilität bei der Kopplung mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen einschränkt. Zudem erreicht sie mit etwa 60-70% einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad. Dennoch bleibt die alkalische Elektrolyse aufgrund ihrer Kostenvorteile und Zuverlässigkeit vorerst die dominierende Technologie in der industriellen Wasserstoffproduktion.
Erneuerbare Energiequellen für grüne Wasserstoffproduktion
Die Verfügbarkeit kostengünstiger erneuerbarer Energie ist der Schlüssel für eine wettbewerbsfähige Produktion von grünem Wasserstoff. Verschiedene regenerative Energiequellen bieten hier spezifische Vorteile, die je nach Standort und Anwendung optimal genutzt werden können.
Windkraft-Wasserstoff-Kopplung in Offshore-Projekten
Offshore-Windparks eignen sich besonders gut für die Produktion von grünem Wasserstoff. Die hohen und konstanten Windgeschwindigkeiten auf See ermöglichen eine effiziente Stromerzeugung mit Volllaststunden von bis zu 5000 Stunden pro Jahr. Durch die direkte Kopplung von Windturbinen mit Elektrolyseuren lassen sich Netzengpässe umgehen und Übertragungsverluste minimieren. Ein Beispiel für ein solches Projekt ist der AquaVentus Verbund in der deutschen Nordsee, der bis 2035 eine Elektrolyseleistung von 10 GW aufbauen will.
Die Integration von Wasserstoffproduktion in Offshore-Windparks bringt jedoch auch technische Herausforderungen mit sich. Die aggressive Meeresumgebung stellt hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der Anlagen. Zudem müssen Lösungen für den Wasserstofftransport an Land entwickelt werden, sei es durch Pipelines oder den Transport per Schiff.
Photovoltaik-Elektrolyse-Systeme in Solarparks
In sonnenreichen Regionen bietet die Kopplung von Photovoltaik-Anlagen mit Elektrolyseuren großes Potenzial für die kostengünstige Produktion von grünem Wasserstoff. Solarparks in Wüstengebieten können Stromgestehungskosten von unter 2 Cent pro Kilowattstunde erreichen, was die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffherstellung deutlich verbessert. Ein Vorteil von PV-Elektrolyse-Systemen ist ihre Modularität und Skalierbarkeit.
Eine Herausforderung stellt jedoch die Diskrepanz zwischen der tageszeitabhängigen Solarstromerzeugung und dem Bedarf nach einer möglichst kontinuierlichen Auslastung der Elektrolyseure dar. Hier sind innovative Konzepte gefragt, wie etwa die Kombination mit Batteriespeichern oder thermischen Energiespeichern, um die Betriebsstunden der Elektrolyseure zu erhöhen.
Wasserkraft als Basis für kontinuierliche H2-Erzeugung
Wasserkraftwerke bieten ideale Voraussetzungen für eine kontinuierliche und zuverlässige Produktion von grünem Wasserstoff. Mit Volllaststunden von über 5000 Stunden pro Jahr ermöglichen sie eine hohe Auslastung der Elektrolyseure. Besonders in Ländern mit großen Wasserkraftressourcen wie Norwegen oder Kanada eröffnen sich hier vielversprechende Möglichkeiten für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft.
Ein Beispiel für die Nutzung von Wasserkraft zur Wasserstoffproduktion ist das Projekt HydrogenPro in Norwegen. Hier soll bis 2024 eine 100 MW Elektrolyseanlage in Betrieb gehen, die ausschließlich mit Strom aus Wasserkraft betrieben wird. Die stabile Verfügbarkeit von Wasserkraft macht solche Projekte besonders attraktiv für industrielle Abnehmer, die auf eine zuverlässige Wasserstoffversorgung angewiesen sind.
Infrastruktur und Logistik für grünen Wasserstoff
Der Aufbau einer leistungsfähigen Infrastruktur für Transport und Verteilung von grünem Wasserstoff ist eine zentrale Herausforderung für die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft. Verschiedene Technologien und Konzepte werden derzeit erprobt und weiterentwickelt, um eine effiziente und sichere Versorgung zu gewährleisten.
H2-Pipelines: Das European Hydrogen Backbone Projekt
Pipelines stellen die effizienteste Methode dar, um große Mengen Wasserstoff über weite Strecken zu transportieren. Das European Hydrogen Backbone Projekt zielt darauf ab, bis 2040 ein europäisches Wasserstoff-Pipelinenetz von 39.700 km aufzubauen. Dabei sollen zu etwa 69% bestehende Erdgasleitungen umgerüstet werden, was die Kosten und den Implementierungszeitraum deutlich reduziert.
Eine besondere Herausforderung beim Pipelinetransport von Wasserstoff ist die Vermeidung von Leckagen. Aufgrund seiner geringen Molekülgröße kann Wasserstoff leichter durch Materialien diffundieren als Erdgas. Dies erfordert den Einsatz spezieller Materialien und Dichtungen, um die Integrität der Pipelines zu gewährleisten.
Flüssigwasserstoff-Transport: Kawasaki's Suiso Frontier
Für den interkontinentalen Transport von Wasserstoff bietet sich die Verflüssigung an. Das japanische Unternehmen Kawasaki Heavy Industries hat mit der Suiso Frontier das weltweit erste Schiff für den Transport von Flüssigwasserstoff entwickelt. Mit einer Kapazität von 1250 m³ kann es etwa 88,5 Tonnen Wasserstoff transportieren.
Die Verflüssigung von Wasserstoff ist jedoch energieintensiv, da das Gas auf -253°C abgekühlt werden muss. Zudem treten während des Transports unvermeidliche Verdampfungsverluste auf. Trotz dieser Herausforderungen könnte der Flüssigwasserstoff-Transport eine wichtige Rolle beim Aufbau globaler Handelsrouten für grünen Wasserstoff spielen.
Power-to-Gas: Methanisierung und Erdgasnetz-Integration
Eine alternative Strategie zur Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur ist die Umwandlung von Wasserstoff in synthetisches Methan durch Reaktion mit CO2. Dieses Power-to-Gas Verfahren ermöglicht die direkte Einspeisung ins Erdgasnetz ohne technische Anpassungen. Ein Vorteil dieser Methode ist die Nutzung der vorhandenen Speicherkapazitäten des Erdgasnetzes, was saisonale Schwankungen in der erneuerbaren Stromerzeugung ausgleichen kann.
Allerdings geht die Methanisierung mit Energieverlusten einher, und das gewonnene synthetische Methan setzt bei der Verbrennung wieder CO2 frei. Daher eignet sich diese Technologie vor allem als Übergangslösung, während eine dedizierte Wasserstoffinfrastruktur aufgebaut wird.
Anwendungsbereiche von grünem Wasserstoff
Grüner Wasserstoff bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Sektoren der Wirtschaft. Besonders in Bereichen, die sich nur schwer direkt elektrifizieren lassen, kann er einen wesentlichen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten.
Dekarbonisierung der Stahlindustrie: ThyssenKrupp's H2-Direktreduktion
Die Stahlindustrie gehört zu den größten industriellen CO2-Emittenten. Hier kann grüner Wasserstoff eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf eine CO2-arme Produktion spielen. ThyssenKrupp erprobt im Rahmen des Projekts tkH2Steel die Direktreduktion von Eisenerz mit Wasserstoff anstelle von Kokskohle. Ziel ist es, bis 2030 die erste großtechnische Anlage mit einer Jahreskapazität von 2,5 Millionen Tonnen CO2-armen Stahl in Betrieb zu nehmen.
Die Umstellung auf wasserstoffbasierte Stahlproduktion erfordert erhebliche Investitionen in neue Anlagen und eine zuverlässige Versorgung mit großen Mengen grünen Wasserstoffs. Langfristig bietet diese Technologie jedoch das Potenzial, die CO2-Emissionen der Stahlindustrie um bis zu 95% zu reduzieren.
Wasserstoff-Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr: Hyundai XCIENT
Im Schwerlastverkehr stoßen batterieelektrische Antriebe aufgrund der hohen Reichweitenanforderungen und langen Ladezeiten an ihre Grenzen. Hier können Wasserstoff-Brennstoffzellen ihre Stärken ausspielen. Der Hyundai XCIENT Fuel Cell ist der weltweit erste in Serie produzierte Brennstoffzellen-LKW. Mit einer Reichweite von etwa 400 km und einer Betankungszeit von nur 8-20 Minuten bietet er eine praktikable Alternative zu Dieselfahrzeugen.
Eine Herausforderung für den breiten Einsatz von Brennstoffzellen-LKWs ist der Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoff-Tankstelleninfrastruktur. Zudem müssen die Kosten für Fahrzeuge und Treibstoff weiter sinken, um mit konventionellen Dieselfahrzeugen konkurrieren zu können.
Grüner Ammoniak für emissionsfreie Schifffahrt: MAN ES Technologie
Die Schifffahrt ist für etwa 3% der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Grüner Wasserstoff in Form von Ammoniak könnte hier eine Lösung zur Dekarbonisierung bieten. MAN Energy Solutions entwickelt Zweitakt-Motoren, die mit Ammoniak betrieben werden können. Der erste kommerzielle Einsatz dieser Technologie wird für 2024 erwartet.
Ammoniak hat gegenüber reinem Wasserstoff den Vorteil, dass es sich leichter verflüssigen und speichern lässt. Allerdings erfordert die Handhabung von Ammoniak aufgrund seiner Giftigkeit besondere Sicherheitsmaßnahmen. Zudem muss die Produktion von grünem Ammoniak noch deutlich ausgeweitet werden, um den potenziellen Bedarf der Schifffahrtsindustrie zu decken.
Ökonomische Aspekte der grünen Wasserstoffwirtschaft
Die Wirtschaftlichkeit ist ein entscheidender Faktor für den Erfolg der grünen Wasserstofftechnologie. Während die Kosten in den letzten Jahren bereits deutlich gesunken sind, sind weitere Fortschritte nötig, um mit fossilen Energieträgern konkurrieren zu können.
Kostendegression durch Skaleneffekte: IEA's Hydrogen Projects Database
Die International Energy Agency (IEA) führt in ihrer Hydrogen Projects Database alle großen Wasserstoffprojekte weltweit. Diese Daten zeigen einen klaren Trend zu immer größeren Anlagen, was Skaleneffekte und damit Kostensenkungen ermöglicht. Laut IEA könnten die Produktionskosten für grünen Wasserstoff bis 2030 um 30% sin
ken. Laut IEA könnten die Produktionskosten für grünen Wasserstoff bis 2030 um 30% sinken, wenn die geplanten Großprojekte realisiert werden. Dies würde die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber fossilem Wasserstoff deutlich verbessern.
Ein Beispiel für ein solches Großprojekt ist die geplante 2 GW Elektrolyseanlage im saudi-arabischen NEOM. Durch die Skaleneffekte und die günstigen Standortbedingungen sollen hier Produktionskosten von unter 2 USD/kg H2 erreicht werden. Solche Kostendegressionen sind entscheidend, um grünen Wasserstoff als wettbewerbsfähige Alternative zu etablieren.
Förderprogramme: Deutschlands Nationale Wasserstoffstrategie
Um den Markthochlauf von grünem Wasserstoff zu beschleunigen, haben viele Länder umfangreiche Förderprogramme aufgelegt. Die deutsche Nationale Wasserstoffstrategie sieht bis 2030 Investitionen von 9 Milliarden Euro vor. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Förderung von Elektrolyseur-Kapazitäten. Bis 2030 sollen in Deutschland 5 GW Elektrolyseleistung installiert werden, bis 2040 sogar 10 GW.
Neben der Technologieförderung setzt die Strategie auch auf nachfrageseitige Instrumente wie Quotenregelungen für die Industrie. So soll beispielsweise die Stahlbranche verpflichtet werden, einen steigenden Anteil grünen Wasserstoffs einzusetzen. Diese Kombination aus Angebots- und Nachfrageförderung soll einen sich selbst tragenden Markt für grünen Wasserstoff etablieren.
Internationale Handelsrouten: HySupply-Initiative Deutschland-Australien
Der Aufbau internationaler Handelsrouten für grünen Wasserstoff ist ein weiterer wichtiger Aspekt der Wasserstoffwirtschaft. Die HySupply-Initiative zwischen Deutschland und Australien zielt darauf ab, eine Lieferkette für grünen Wasserstoff über eine Distanz von 20.000 km aufzubauen. Australien verfügt über ideale Bedingungen für die kostengünstige Produktion von grünem Wasserstoff, während Deutschland als Technologielieferant und Abnehmer fungiert.
Im Rahmen des Projekts werden verschiedene Transportoptionen untersucht, darunter der Schiffstransport von verflüssigtem Wasserstoff oder Ammoniak. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Entwicklung geeigneter Schiffe und Hafenanlagen dar. Langfristig könnten solche interkontinentalen Handelsrouten eine wichtige Rolle bei der globalen Energiewende spielen.
Technologische Herausforderungen und Innovationen
Die Wasserstofftechnologie entwickelt sich rasant weiter. Zahlreiche Innovationen zielen darauf ab, die Effizienz zu steigern, Kosten zu senken und neue Anwendungsmöglichkeiten zu erschließen.
Effizienzsteigerung: Siemens Energy's Silyzer 300
Die Steigerung des Wirkungsgrads von Elektrolyseuren ist ein Schlüssel zur Kostenreduktion bei der Wasserstoffproduktion. Der Silyzer 300 von Siemens Energy erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 75% bei der PEM-Elektrolyse. Dies wird durch optimierte Zelldesigns und fortschrittliche Katalysatormaterialien ermöglicht. Zudem kann der Silyzer 300 innerhalb von Sekunden auf Lastwechsel reagieren, was ihn ideal für die Kopplung mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen macht.
Die nächste Generation von Elektrolyseuren könnte sogar Wirkungsgrade von über 80% erreichen. Forscher arbeiten an neuen Membranmaterialien und Nanostrukturen für Elektroden, um die Effizienz weiter zu steigern. Jeder Prozentpunkt Verbesserung beim Wirkungsgrad trägt zur Senkung der Produktionskosten bei.
Speichertechnologien: LOHC-Systeme von Hydrogenious LOHC Technologies
Die effiziente Speicherung von Wasserstoff stellt eine weitere technologische Herausforderung dar. Eine vielversprechende Innovation sind Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systeme, wie sie von Hydrogenious LOHC Technologies entwickelt werden. Bei dieser Technologie wird Wasserstoff chemisch an eine ölartige Trägerflüssigkeit gebunden. Dies ermöglicht eine sichere Speicherung und Transport bei Umgebungstemperatur und -druck.
Ein großer Vorteil von LOHC-Systemen ist die Nutzung bestehender Infrastrukturen für flüssige Kraftstoffe. Zudem entfallen die Energieverluste durch Verdampfung, die bei der Lagerung von kryogenem Flüssigwasserstoff auftreten. Allerdings erfordert die Be- und Entladung des Trägermediums zusätzliche Energieaufwendungen. Dennoch könnte diese Technologie eine wichtige Rolle beim Aufbau einer Wasserstofflogistik spielen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen: Bosch's Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in elektrische Energie um. Bosch entwickelt mit der Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) eine besonders effiziente Variante dieser Technologie. SOFCs erreichen elektrische Wirkungsgrade von bis zu 60%, deutlich höher als konventionelle Brennstoffzellen. Zudem können sie flexibel mit verschiedenen Brennstoffen wie Wasserstoff, Erdgas oder Biogas betrieben werden.
Ein Vorteil von SOFCs ist ihre Eignung für stationäre Anwendungen wie die Kraft-Wärme-Kopplung in Gebäuden. Bosch plant, bis 2024 erste SOFC-Systeme auf den Markt zu bringen. Herausforderungen bleiben die hohen Betriebstemperaturen von 700-1000°C und die damit verbundenen Materialanforderungen. Dennoch könnten SOFCs eine wichtige Rolle bei der dezentralen Energieversorgung der Zukunft spielen.