▶ Grüne Wasserstoffenergie als erneuerbare Energiequelle
Der im Dezember 2019 verkündete „European Green Deal“ beinhaltet eine Wachstumsstrategie in Richtung eines neuen wirtschaftlichen Paradigmas, bei der mithilfe von erneuerbaren Energien dem Klimawandel und Umweltproblemen begegnet werden soll und bei der Ressourcen effizient und wirtschaftlich verwendet werden. Auch die südkoreanische Regierung hat im Januar 2019 eine „Roadmap zur Aktivierung der Wasserstoffwirtschaft“ veröffentlicht. Im Mai 2020 wurde der „Korean Green New Deal“ veröffentlicht. Dadurch sind das Interesse und die Erwartungen der Unternehmen aus dem Bereich der erneuerbaren Energien in Bezug auf Energieerzeugung auf Grundlage von Wasserstoff stark gestiegen.
Wasserstoff wurde im Jahr 1766 entdeckt und 1783 zum ersten Mal dazu benutzt, einen Ballon in die Atmosphäre steigen zu lassen. 1972 wurde das erste Fahrzeug hergestellt, bei dem Wasserstoff als Brennstoff diente. Damals war Wasserstoff aber im Vergleich zu anderen Energieträgern noch unterlegen und konnte sich nur entsprechend wenig verbreiten. Im Gegensatz zu Energieträgern wie Erdöl, Kohle oder Erdgas kommt Wasserstoff in der Natur nur in Verbindungen vor. Daher muss Energie aufgewandt werden, um reinen Wasserstoff herzustellen. Aus diesem Grund lässt er sich weniger den primären Energieträgern, die sich wie z. B. Erdöl durch Bohren oder Bergbau gewinnen lassen, sondern eher den sekundären Energieträgern wie elektrischem Strom zuordnen, die leichter gespeichert und transportiert werden können.
Da sich Wasserstoff, wenn er in die Atmosphäre freigesetzt wird, mit Sauerstoff verbindet und somit Wasser bildet, kann Wasserstoffenergie prinzipiell als saubere Energie bezeichnet werden. Dies muss allerdings eingeschränkt werden, wenn bei der Wasserstoffherstellung fossile Energieträger wie Erdöl oder Kohle eingesetzt werden. Insofern kann Wasserstoffenergie nur dann wirklich als saubere Energie bezeichnet werden, wenn bei der Wasserstoffherstellung nur erneuerbare Energien wie Solar-, Wasser- oder Windkraft verwendet werden.
Es gibt verschiedene Arten zur Gewinnung von Wasserstoff. Die wichtigsten Quellen sind Wasserstoff als Nebenprodukt von anderen Produktionsprozessen, Wasserstoff aus Elektrolyse und Wasserstoff aus Reformierung (Dampfreformierung). Wasserstoff als Nebenprodukt entsteht bei petrochemischen Prozessen und bei der Stahlherstellung. Er wird schon seit langem bei Verarbeitung von Mineralölen oder bei der Reinigung von Halbleitern industriell verwendet. Wasserstoff kann durch Elektrolyse mithilfe von elektrischem Strom aus Wasser gewonnen werden. Allerdings sind die Produktionskosten dabei sehr hoch, sodass dieses Verfahren bislang nicht wirtschaftlich ist. Wasserstoff kann durch Reformierung aus fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Kohle gewonnen werden, wobei zurzeit die Gewinnung aus Erdgas den größten Anteil ausmacht.
Da Wasserstoff bei der Erdölverarbeitung und bei der Stahlherstellung nur als sekundäres Produkt gewonnen wird, ist das Angebot aus dieser Quelle relativ eingeschränkt und bei der Elektrolyse ist die Wirtschaftlichkeit noch zu gering. Daher ist zurzeit Wasserstoff aus Dampfreformierung die Herstellungsmethode, die am günstigsten ist und die im größten Umfang verwendet wird. Hierbei wird allerdings der Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen gewonnen, sodass es sich nicht um eine völlig saubere Energiequelle handelt. Andererseits werden bei der Verwendung von Brennstoffzellen weniger Treibhausgase als bei fossilen Brennstoffen ausgestoßen, sodass sich diese Herstellungsmethode zumindest als kohlenstoffarme Energie bezeichnen lässt.
Je nach Herstellungsverfahren wird daher Wasserstoff unterschiedlichen Kategorien zugeordnet. Wird bei der Herstellung Kohlendioxid ausgestoßen, ist es grauer Wasserstoff. Wird das Kohlendioxid gespeichert, ist es blauer Wasserstoff. Wenn der Wasserstoff durch Elektrolyse gewonnen wird oder aus dem Ausland importiert wird, ist es grüner Wasserstoff. Seit 2016 erteilt die EU Zertifizierungen für grünen Wasserstoff, um die Umweltverträglichkeit des Wasserstoffs zu garantieren. Außerdem unterteilen die Internationale Energieagentur (IEA) und die Internationale Organisation für erneuerbare Energien (IRENA) Wasserstoff aus fossilen Quellen noch genauer: Schwarzer Wasserstoff (aus Steinkohle), grauer Wasserstoff (aus Erdgas) und brauner Wasserstoff (aus Holzkohle).
Grüner Wasserstoff (Green Hydrogen) ist dabei die Art von Wasserstoffenergie, bei der am wenigsten Kohlendioxid erzeugt wird: Mithilfe von P2G (Power to Gas)-Technologien wird Wasser mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse gespalten, wobei der entstandene Wasserstoff gespeichert wird. Dieser wird dann mithilfe von Brennstoffzellen als Energiequelle verwendet.
▶ Gegenwärtige Situation der Wasserstoffwirtschaft
Laut einer Studie des Beratungsunternehmens McKinsey wird die Wasserstoffwirtschaft voraussichtlich bis 2050 einen unabhängigen Markt generieren, der einen Gewinn von mehr als 2,5 Billionen Dollar erwirtschaftet und ca. 30 Millionen Arbeitsplätze entstehen lässt. Laut einer Studie von IHS Markit werden die Investitionen in grünen Wasserstoff von 30 Millionen Dollar im Jahr 2019 auf mehr als 700 Millionen im Jahr 2023 ansteigen.
Das größte Problem für einen grünen Wasserstoffmarkt bleibt allerdings das Problem der Herstellungskosten. Um dieses zu lösen, gibt es zwei verschiedene Methoden. Zum einen lässt sich dies durch Massenproduktion über Skaleneffekte lösen. Zum anderen können alternative Technologien neben der Elektrolyse wirtschaftlichere Wege der Wasserstoffgewinnung bieten.
Quelle | Hydrogen Council, Mirae Asset Daewoo Research Center
Bis 2050 wird eine Steigerung des globalen Wasserstoffenergiebedarfs um das ca. 9,8-fache von 8 EJ im Jahr 2015 auf 78 EJ prognostiziert. Dies wird ca. 18% des gesamten Energiebedarfs ausmachen.
*1 EJ (Exajoule) entspricht etwa dem gesamten Energiebedarf der Welt für einen Tag (ca. 7 Mio. Tonnen Wasserstoff oder 170 Mio. Barrel Erdöl)
In den USA arbeiten Unternehmen mit Regierungsorganisationen zusammen, um die Verbreitung von Wasserstoffenergie zu steigern. Laut Wall Street Journal plant das Los Angeles Department of Water and Power, das größte städtische Versorgungsunternehmen Amerikas, eine Investition von 1,9 Milliarden Dollar, um ein Kohlekraftwerk in Utah in ein Kraftwerk umzuwandeln, bei dem durch Erdgas, Wind- und Solarkraft hergestellter Wasserstoff als Energieträger verwendet wird. Die erste Stufe soll 2025 abgeschlossen werden, bei der zunächst 30% der Energie aus Wasserstoff erzeugt werden. Im Laufe von 20 Jahren soll dieser Anteil später auf 100% steigen. Diese Investition erfolgt im Rahmen der Politik, dass Kalifornien bis 2045 seinen Kohlendioxidausstoß auf Null senken und damit komplett kohlenstoffneutral (carbon-free) sein soll. Die amerikanische Firma Next Era, die die größten Wind- und Solarkraftanlagen in den USA besitzt, hat zudem Anfang 2020 einen Investitionsplan von 650 Milliarden Dollar verkündet, um Wasserstoff durch überschüssigem Solarstrom zu gewinnen und in einem Kraftwerk in Florida zu nutzen.
Außerdem macht das Projekt „Wind2H2“ Fortschritte, bei dem mit Windenergie hergestellter Wasserstoff über Erdgaspipelines transportiert und verteilt werden soll. Elektrischer Strom aus erneuerbaren Energien wird zur Herstellung von grünem Wasserstoff verwendet und seine Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit soll gesteigert werden, indem auf die bereits bestehende Infrastruktur von Gaspipelines und andere Infrastruktur zurückgegriffen wird. Das Unternehmen Dominion Energie, das Strom und Erdgas ins 20 US-Bundesstaaten anbietet, plant ab Anfang 2021, seinen Gaslieferungen 5% Wasserstoff beizumischen.
Die Europäische Union hat für ihre Wasserstoffstrategie bis 2050 folgende Ziele definiert: In Stufe 1 sollen Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffproduktion bis 2024 eine Leistung von 6 GW erreichen, um so jährlich 1 Mio. Tonnen grünen Wasserstoff herzustellen. In Stufe 2 bis 2030 sollen die Anlagen eine Leistung von 40 GW erreichen, um 10 Mio. Tonnen grünen Wasserstoff zu produzieren. In Stufe 3 sollen sich schließlich bis 2050 grüne Wasserstofftechnologien in allen Energiesektoren verbreitet haben. Zur Verwirklichung dieser Ziele wurde die „Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff“ (European Clean Hydrogen Alliance) gegründet.
Deutschland beabsichtigt, den Anteil erneuerbarer Energieträger bis 2030 auf 50% zu erhöhen. Dabei soll mithilfe von Solar- und Windenergie grüner Wasserstoff hergestellt werden. Zur Förderung der Forschung zu grünem Wasserstoff sollen 9 Milliarden Euro (12 Bio. KRW) investiert werden. Außerdem wurde 2018 der erste mit Brennstoffzellen betriebene Zug vorgestellt. Bis 2030 sollen dem Plan nach 1,8 Mio. Autos mit Brennstoffzellen produziert werden und 1000 Wasserstoff-Ladestationen eingerichtet werden.
Japan hat 2014 das „Strategieprogramm für Wasserstoff-Brennstoffzellen“ veröffentlicht und 2017 eine grundlegende Wasserstoffstrategie festgelegt. Diese beinhaltet verschiedene politische Maßnahmen, die zurzeit durchgeführt werden, u. a. Reformen in verschiedenen Ministerien, Entwicklung von Technologien und eine Reorganisation der zugehörigen Infrastruktur. Zurzeit gibt es in Japan mit ca. 140 Wasserstoff-Ladestationen schon mehr als in jedem anderen Land. Die Automobilkonzerne Toyota und Honda haben erfolgreich die Massenproduktion von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen begonnen und es ist geplant, dass bis 2030 800.000 Autos und 1.200 Busse mit Brennstoffzellen hergestellt werden und die Zahl der Ladestationen auf 900 erhöht wird. Um die Verbreitung von Brennstoffzellen für den Hausgebrauch zu fördern, wurde zudem im März 2019 die weltgrößte Produktionsanlage dafür, das Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R), eingeweiht.
China hat im März 2019 dem Geschäftsbericht der Regierung die neue Rubrik „Förderung des Aufbaus von Anlagen für Wasserstoffenergie und von Ladestationen“ hinzugefügt. Derzeit gibt es 20 Wasserstoff-Ladestationen und der Bericht gibt das Ziel vor, bis 2020 100 Stück und bis zum Jahr 2030 1.000 Stück fertigzustellen. Auch die 2014 veröffentlichte Initiative „Made in China 2025“ umfasst die Förderung der Verbreitung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen. Ihre Zahl soll sich von 10.000 im Jahr 2020 auf 2 Millionen im Jahr 2030 erhöhen.
Wie schon erwähnt, hat die koreanische Regierung 2019 eine „Roadmap zur Aktivierung der Wasserstoffwirtschaft“ vorgelegt, deren Hauptinhalte die folgenden sind: (1) Sicherung von Spitzentechnologien für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und für Brennstoffzellen. (2) Ausreichende Wasserstoffherstellung auf der Basis von petrochemischen Anlagen (3) Ausstattung des gesamten LNG-Versorgungsnetzes mit Reformierungsanlagen und Aufbau einer Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung. Planmäßig sollen bis 2022 80.000 und bis 2040 6,2 Millionen Fahrzeuge mit Brennstoffzellen in Benutzung sein. Brennstoffzellen für den Hausgebrauch sollen bis 2040 eine Leistung von 2 GW erwirtschaften.
Bezüglich der Technologien zu wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen und Brennstoffzellen hat Südkorea zwar bereits ein relativ gutes Niveau erreicht, aber die Effizienz von Elektrolysetechnologien zur Wasserstoffproduktion erreicht nur 60-70% der derzeitigen Spitzentechnologien. Erst wenn dieses Problem gelöst ist, kann sich grüner Wasserstoff entsprechend verbreiten.
Quelle | Ministry of Trade, Industry and Energy, Republik Korea
Quelle | Ministry of Trade, Industry and Energy, Republik Korea
▶ Anwendungsgebiete von grüner Wasserstoffenergie
Ein wichtiges Anwendungsgebiet für grüne Wasserstofftechnologien sind Energiespeicher (ESS, Energy Storage Systems), für die der Strom aus Solar- oder Windkraftwerken gewonnen wird. Zurzeit sind Lithiumbatterien weit verbreitet. Ihre Lebenszeit ist aber meist auf ca. 3.000 Ladezyklen begrenzt, der Energieverlust ist hoch und sie sind leicht entzündbar. Auch die Speichermenge pro Gewichtseinheit ist deutlich geringer als bei Wasserstoff, und die Batterien hinterlassen umweltschädliche Abfallprodukte. Dem gegenüber kann mithilfe der P2G-Technologie eine größere Menge an Strom für lange Zeit und unter geringem Energieverlust gespeichert werden. Indem die vorhandenen LNG-Versorgungsnetze genutzt werden, kann die Infrastruktur ausgebaut werden und die Umweltverschmutzung minimiert werden.
Ein anderes Anwendungsfeld sind Industrien mit hohem Energiebedarf, bei denen Energiekosten 30 - 50% der gesamten Betriebskosten ausmachen, wie z. B. Rechenzentren. Wenn dort grüne Wasserstoffenergie zum Einsatz kommt, wäre nicht nur der eingesetzte Strom umweltfreundlicher, sondern der zur Speicherung verflüssigte Wasserstoff könnte - bevor er in Energie umgewandelt wird - auch als Kühlmittel, z. B. für Server benutzt werden. Insofern bieten sich auch hier vielfältige Einsatzmöglichkeiten.
Die Verwendung von grüner Wasserstoffenergie wird weiterhin durch das Problem der hohen Kosten der heutigen Elektrolysetechnologie behindert. Um dies zu lösen, werden auch in Südkorea sehr verschiedenartige Ansätze erforscht, um eine Massenproduktion zu ermöglichen. Dazu zählen u. a.: Biologische Methoden, bei denen über Photosynthese oder anaerobe Gärung Wasserstoff hergestellt wird; photochemische Methoden, z. B. durch die Nutzung von Technologien der photokatalytischen Wasserspaltung; Methoden, die auf Kernkraft beruhen; Methoden, bei denen Wasserstoffverbindungen wie Ammoniak oder flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC, liquid organic hydrogen carriers) gespalten werden. Je weiter die Kosten für grünen Wasserstoff gesenkt werden können, desto besser kann sich auch der Markt dafür entwickeln.
Der Markt für erneuerbare Energien entwickelt sich weltweit mit hoher Geschwindigkeit, besonders in Bezug auf grünen Wasserstoff, der dabei eine zentrale Rolle einnimmt. Auch Q CELLS ist aktiv in der Forschung involviert und wird dank seiner Stellung als Spitzenunternehmen bei Energielösungen eine weltweite Führungsrolle bei der Entwicklung umweltfreundlicher Energiequellen einnehmen.
1. Elektrolyse : Bei dieser Methode wird unter Verwendung von elektrischer Energie Wasser gespalten, wobei Wasserstoff und Sauerstoff entstehen.
2. Dampfreformierung : Unter Einwirkung von Hitze oder Katalysatoren verändert sich die Struktur von Kohlenwasserstoffen. Benzin wird so z. B. veredelt.
