Die Zukunft des globalen Wasserstoffs

Grüne Wasserstoffprojekte sind zwar vielversprechend, haben aber immer noch mit technologischen und geopolitischen Unsicherheiten sowie mit Finanzierungszwängen und Umweltbedenken zu kämpfen.

Kurz und bündig

• • • • • • • • • Grüner Wasserstoff hat das Potenzial, eine wichtige Rolle bei der grünen Transformation zu spielen
                • Technische, ökologische oder regulatorische Herausforderungen könnten neue Projekte zum Scheitern bringen
                • Globale Akteure wie die EU, China und die USA unterscheiden sich in ihren Entwicklungsstrategien

Sauberer Wasserstoff hat das Potenzial, zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen beizutragen, insbesondere in Sektoren, die sich nur schwer dekarbonisieren lassen, wie die Schwerindustrie und energieintensive Branchen wie die Stahl- oder Chemieindustrie. Er entwickelt sich auch zu einer wichtigen Lösung für die Stromspeicherung, um die Schwankungen der Wind- und Solarenergie auszugleichen. Derzeit wird es jedoch hauptsächlich in der traditionellen Raffination und in industriellen Anwendungen eingesetzt. Für seine Herstellung werden meist fossile Brennstoffe verwendet, die keine echten und nachhaltigen Klimavorteile bieten.

Das Potenzial von Wasserstoff als saubere Energiequelle

Im Jahr 2021 belief sich die weltweite Nachfrage nach Wasserstoff auf 94 Millionen Tonnen, was etwa 2,5 Prozent des Weltenergieverbrauchs entspricht. Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostizierte im Jahr 2022, dass diese Nachfrage bis 2030 auf nur 115 Millionen Tonnen ansteigen würde, wobei weniger als 2 Millionen Tonnen aus neuen Anwendungen stammen würden. Bis 2050 könnte der Weltmarkt für Wasserstoff jedoch sprunghaft ansteigen und zwischen 600 und 650 Millionen Tonnen erreichen, womit mehr als 20 Prozent des weltweiten Energiebedarfs gedeckt werden könnten.

Bis 2030 werden sowohl die Nachfrage als auch die Produktion von Wasserstoff moderat ansteigen und möglicherweise den Verbrauch von jährlich 14 Milliarden Kubikmetern Erdgas, 20 Millionen Tonnen Kohle und 360.000 Barrel Öl pro Tag ausgleichen. Jährlich könnten etwa 12 Millionen Tonnen Wasserstoff exportiert werden. Um von heute weniger als 1 Million Tonnen auf 30 Millionen Tonnen sauberen Wasserstoff zu kommen, sind Investitionen in Höhe von 170 Milliarden Dollar in Elektrolyseure und Projekte zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) erforderlich.

Bereits im Jahr 2020 wies dieser Autor auf die Risiken hin, die entstehen, wenn man Wasserstoff als sofortiges Allheilmittel betrachtet, da die Elektrolyse derzeit ineffizient ist und die Umwandlung von Wasserstoff in synthetische Kraftstoffe energieintensiv ist. Die Herstellung von Wasserstoff führt zu einem Energieverlust von 45-60% in der Lieferkette. Die Umwandlung von Elektrizität in Wasserstoff führt zu einem Energieverlust von 25%, und die Energie in Wasserstoff ist etwa 60% weniger effizient als die in Elektrizität.

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Nationale und regionale Wasserstoffstrategien

Sowohl Deutschland als auch die Europäische Union haben erkannt, dass ihre Wasserstoffstrategien bis 2020 erhebliche Importe erfordern werden. Im Jahr 2022 verdoppelte die EU ihr Produktionsziel für erneuerbaren Wasserstoff für das Jahr 2030 von 5 Millionen Tonnen auf 10 Millionen Tonnen und plant außerdem, bis 2030 weitere 10 Millionen Tonnen zu importieren. Um diese Menge zu importieren, werden fast 500 Terawattstunden Strom aus erneuerbaren Energien benötigt, was 14 Prozent des gesamten Stromverbrauchs in der EU entspricht.

Außerhalb Europas haben Länder wie Japan und Australien im Rahmen ihres Wasserstoff-Energieversorgungsketten-Projekts (HESC) gezeigt, dass sie nicht nur grünen Wasserstoff – aus erneuerbaren Energien und Elektrolyse – bevorzugen, sondern auch “sauberen” blauen Wasserstoff, der CCUS enthält. Die wirtschaftliche Tragfähigkeit und Eignung dieser Projekte bleibt jedoch angesichts der höheren Transportkosten vorerst unklar.

Können bestehende Gaspipelines Wasserstoff transportieren?

Untersuchungen der europäischen Gasindustrie zeigen, dass die derzeitigen Gasleitungsnetze weitgehend für den Wasserstofftransport umgenutzt werden können. Die Nutzung dieser bestehenden Pipelines kann die Investitionskosten im Vergleich zum Bau neuer Pipelines um 50-80 % senken. Bis zum Jahr 2040 rechnet Europa mit rund 39 700 km ausgebauter Wasserstoff-Pipeline-Infrastruktur, die kostengünstige Produktionsgebiete mit Exportzielen verbindet.

Darüber hinaus plant ein Konsortium von Gasunternehmen aus Deutschland, Österreich und Italien eine 3.300 Kilometer lange Wasserstoffpipeline, die Nordafrika mit Italien, Österreich und Deutschland verbinden soll. Spanien und Frankreich prüfen das H2Med-Projekt – eine Unterwasserpipeline, die ihre Länder durchquert und Wasserstoff von Spanien nach Frankreich durch das Mittelmeer transportieren soll.

In einer kürzlich durchgeführten deutschen Studie wurden über 30 Stähle bewertet und festgestellt, dass sich ihre Leistung beim Transport von Wasserstoff unter normalen Betriebsbedingungen in Gasversorgungsnetzen nicht von derjenigen von Erdgas unterscheidet. Ein Mischungsverhältnis von 20 Prozent Wasserstoff könnte zu einer Verringerung der CO2-Emissionen um 6 Prozent führen.

Eine aktuelle US-Studie, die sich mit der Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas befasst und verschiedene materielle, wirtschaftliche und betriebliche Faktoren berücksichtigt hat, rät jedoch zur Vorsicht. Sie wies auf mögliche Fallstricke hin und stellte fest, dass Wasserstoff leicht in feste Metalle eindringen kann, wodurch Pipelinestahl anfälliger für Risse wird.

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Herausforderungen beim Transport von flüssigem Wasserstoff

Was den Transport von kohlenstoffarmen Kraftstoffen betrifft, so kann Wasserstoff als Flüssigwasserstoff (LH2), Ammoniak (NH3) oder als flüssiger organischer Wasserstoffträger (LOHC) über unterschiedliche Entfernungen transportiert werden. McKinsey schätzt, dass von den voraussichtlichen 660 Millionen Tonnen, die bis 2050 benötigt werden, um die EU-Klimaziele zu erreichen, 400 Millionen Tonnen über große Entfernungen transportiert werden müssen. Für Strecken von mehr als 2.000 bis 2.500 Kilometern erweist sich der Seetransport als die kostengünstigste Wahl.

Im Vergleich zu Erdgas ist Flüssigwasserstoff einfacher zu lagern, birgt aber mehr technologische Herausforderungen. So muss eine Temperatur von -253 Grad Celsius eingehalten werden, um ein Verdampfen zu verhindern – eine deutlich kältere Temperatur als bei LNG (-162 Grad Celsius). Der Transport über große Entfernungen kann zu einem Energieverlust von mehr als 30 % führen, und in einigen Fällen – zum Beispiel auf einer 9.000 km langen Schiffsroute – können bis zu 40 % durch Boil-Off und Treibstoffverbrauch für den Antrieb verloren gehen, eine Zahl, die fast neunmal höher ist als bei der LNG-Schifffahrt.

Zusätzliche Energieverluste von etwa 5 % entstehen bei der Anlieferung und Wiederverdampfung an Wasserstoff-Importterminals. Länder wie Japan, Australien und Saudi-Arabien setzen stark auf Ammoniak als praktikableren kohlenstoffarmen Brennstoff, da es weniger Kühlung benötigt (-33 Grad Celsius) und Transportmöglichkeiten vorhanden sind. Japan fördert in den südostasiatischen Ländern die Umstellung von Kohle auf Ammoniak, um die Kohlenstoffemissionen zu senken, ohne bestehende Kohlekraftwerke zu schließen. Die hohen Kosten für die Mitverbrennung von Ammoniak begrenzen jedoch die derzeitige Machbarkeit.

Finanzielle Zwänge und Investitionsstrategien

Die Entwicklung von grünem Wasserstoff erfordert den Ausbau von Solar- und Windkraftanlagen für die elektrolytische Wasserstofferzeugung, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. So erfordert die Umrüstung eines LNG-Terminals auf Ammoniak 11-20 Prozent höhere Investitionen als der Bau eines neuen Terminals, während ein Wasserstoffspeicher 50 Prozent mehr kosten kann als sein LNG-Gegenstück.

Umfangreiche ausländische Investitionen sind in Afrika, wo die meisten lokalen Energieunternehmen finanziell eingeschränkt sind, von entscheidender Bedeutung. Die Africa Green Hydrogen Alliance, der Länder wie Ägypten und Südafrika angehören, benötigt bis 2050 schätzungsweise 450 bis 900 Milliarden Dollar für Wasserstoffprojekte. Technologische Unwägbarkeiten haben Investoren zurückhaltend gemacht, obwohl jüngste Initiativen wie die neuen Steuergutschriften der US-Regierung für saubere Wasserstoffprojekte und die von der Europäischen Kommission vorgeschlagene “Wasserstoffbank” das Vertrauen der Investoren stärken und die Wasserstoffentwicklung fördern sollen.

Bedenken wegen Wasserknappheit

In der EU sind sonnenreiche Regionen wie Spanien und Italien optimal für die Produktion von grünem Wasserstoff geeignet, ebenso wie Nordafrika. Die EU hat ihre Wasserstoffpartnerschaft auf Länder in Afrika und Südamerika ausgeweitet. Sie ist bestrebt, ihre künftigen Wasserstoffimporte zu diversifizieren, um neue geopolitische Abhängigkeiten zu vermeiden, die Dekarbonisierungsinteressen ihrer Partnerländer zu respektieren und koloniale Fehler zu vermeiden – im Gegensatz zu Chinas “neokolonialem Ressourcenraub”. Die groß angelegte Produktion von grünem Wasserstoff könnte jedoch die bestehenden Probleme der Wasserknappheit in Afrika und im Nahen Osten verschärfen und die landwirtschaftliche Produktion, insbesondere in Binnenregionen, beeinträchtigen.

Küstenstaaten integrieren Entsalzungsanlagen in ihre Wasserstoffprojekte, doch diese sind kostspielig und energieintensiv und könnten zusätzliche Umweltprobleme in den nahe gelegenen Gewässern verursachen. Derzeit befinden sich über 70 Prozent der geplanten grünen Wasserstoffprojekte in wasserarmen Regionen, darunter in den USA (33 Projekte geplanter Wasserstoff-Hubs), im Nahen Osten und in Afrika, was eine große Herausforderung für die nachhaltige Wasserstoffproduktion darstellt.

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Szenarien

Technologische Entwicklungen

In den letzten Jahren hat der technologische Fortschritt die Herstellung, Speicherung und den Einsatz von Wasserstoff wirtschaftlicher gemacht. Einige Prognosen gehen davon aus, dass sauberer Wasserstoff bis 2050 fast ein Viertel des weltweiten Energiebedarfs decken könnte. Es wird erwartet, dass grüner Wasserstoff bis 2030 in Bezug auf die Kosten mit blauem Wasserstoff gleichziehen wird, wobei die Kosten gegenüber 2020 um 60 Prozent sinken könnten. Die spekulierte installierte Elektrolyseur-Kapazität von 134-240 GW bis 2030 wird für den Ausbau der Lieferketten nach 2030 von entscheidender Bedeutung sein.

Die Anzeichen für diese grüne Revolution sind bereits sichtbar. So wurde beispielsweise Anfang 2022 die erste Lieferung von Flüssigwasserstoff von Australien nach Japan geliefert. Innovationen in der Luftfahrtindustrie deuten darauf hin, dass bis 2025-2026 mit Wasserstoff umgerüstete Flugzeuge auf den Markt kommen könnten, deren Triebwerke direkt mit Wasserstoff betrieben werden.

In Australien wurde ein neuartiges Elektrolyseverfahren entwickelt, das den Wirkungsgrad von 75 Prozent auf unglaubliche 95 Prozent steigern könnte. Dadurch könnte grüner Wasserstoff früher als in den Prognosen für 2030 mit blauem Wasserstoff wirtschaftlich wettbewerbsfähig werden. Erste Anzeichen deuten darauf hin, dass eine Elektrolyse-Gigafabrik bis 2025 in Betrieb genommen werden könnte, was auf sinkende Preise für Elektrolysekapazitäten hindeutet.

Chinas Strategie

Während die EU, Japan, Australien und die USA ehrgeizig auf Wasserstoff setzen, scheinen Chinas Prognosen für die Entwicklung von Wasserstoff gemäßigter zu sein und seine Energieoptionen zu diversifizieren. Pekings Zukunftsprognosen gehen von einem Wasserstoffanteil von 5 Prozent bis 2030 aus, der bis 2050 auf 10 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs ansteigen soll. Bis 2035 soll eine umfassende Wasserstoff-Energieindustrie entstehen. Bis 2030 will China seine Solar- und Windenergiekapazitäten auf 3,3 Terawattstunden fast verdreifachen und hat durch strategische Kostensenkungen und Subventionen bereits 30 Prozent der weltweit installierten Solarkapazität erreicht.

Obwohl die Wasserstoffentwicklung in China bis zum Ende dieses Jahrzehnts schrittweise um etwa 11-20 Prozent zunehmen dürfte, könnte sich das Tempo in den 2030er Jahren beschleunigen und bis 2060 auf 90 Millionen Tonnen ansteigen, um dem Ziel der Netto-Null-Emissionen gerecht zu werden. Anders als die EU verfolgt China einen pragmatischen Ansatz mit Wasserstoffprojekten und nutzt seine Kohlereserven mit CCUS. Mit der Kontrolle über kritische Rohstoffe, die für die Elektrolyse unerlässlich sind, wie Nickel und die Metalle der Platingruppe, könnte Chinas Position globale Abhängigkeiten beeinflussen und sie enger an seine wirtschaftlichen und politischen Ziele binden.

Regulatorische Hürden

Der weltweite Enthusiasmus für Wasserstoff ist spürbar, aber angesichts dieser Prognosen könnten sich Regierungen und Industrie zu einer gemäßigteren Sichtweise neigen. Viele europäische Wasserstoffinitiativen bleiben aufgrund unklarer Vorschriften und unterschiedlicher Normen in Europa unsicher. Die fehlende weltweite Standardisierung könnte sich als Hindernis für den internationalen Wasserstoffhandel erweisen. Die IEA rät den Regierungen, sich auf standardisierte Prozesse zu konzentrieren, um eine Fragmentierung des Marktes zu verhindern und die industrielle Dekarbonisierung zu beschleunigen. Derzeit sind nur 4 Prozent der weltweit angekündigten emissionsarmen Wasserstoffprojekte entweder in Betrieb genommen worden oder haben eine endgültige Investitionsgenehmigung erhalten, was diese Hindernisse verdeutlicht.

Author: Frank Umbach – Professor, researcher, consultant, European government advisor and prolific author, with expertise in energy security and cybersecurity

Quelle:

The future of global hydrogen