H2-Fachartikel

Wasserstoff - das grüne Erdöl

Lange galt Wasserstoff als Energieträger und Schlüsselrohstoff der Zukunft. Jetzt scheint eine grüne Wasserstoffwirtschaft kurz vor dem endgültigen Durchbruch zu stehen. Damit könnte  Norddeutschland zum europäischen „Hub für grünen H2“ werden.
Der Strom, mit dem die Autos angetrieben werden, stammt von den Solarpaneelen auf unzähligen privaten Hausdächern. Die Gebäude selbst werden mit Abwärme aus einer nahegelegenen Fabrik beheizt. Und das Industrieunternehmen wiederum nutzt grünen Wasserstoff, der mit Offshore-Windenergie erzeugt wurde. So oder so ähnlich könnte der energetische Zukunftsalltag in Norddeutschland und ganz Europa aussehen. Politik, Wissenschaft, Unternehmen und Verbände sind sich ausnahmsweise mal ziemlich einig: Die Energiewende und die ambitionierten Ziele der Europäischen Union und der Bundesregierung (Klimaneutralität Deutschlands bis 2045) sind ohne grünen Wasserstoff nicht zu schaffen. Anhaltend sinkende Preise für erneuerbare Energien und kontinuierliche Innovationen haben ihn inzwischen zu einer tragfähigen Lösung für eine klimaneutrale Wirtschaft in Industrie, Verkehr und im Energie- und Gebäudesektor gemacht. Das Beratungsunternehmen Boston Consulting schätzt das globale Marktvolumen von grünem H2 bis 2050 jährlich auf 200 Milliarden Dollar. 
Die fünf norddeutschen Bundesländer haben beste Voraussetzungen, zu einer H2-Vorreiterregion zu werden. Die häufige „steife Brise“ begünstigt den Betrieb von Windkraftanlagen und Elektrolyseuren zur grünen Wasserstoffherstellung. Zudem sind relativ viele Lade- und Transportkapazitäten vorhanden, die in Verbindung mit den Seehäfen mit ihrem Netz aus potenziellen Industrieanwendungen und Dienstleistungspartnern sowie ihren großen Terminals ideale Plattformen bieten. Zahlreiche maritime Unternehmen, energieintensive Industrien und wissenschaftliche Einrichtungen verfügen über viel Expertise mit Wasserstoff als Ausgangsstoff und Prozessgas.
Christian Pegel, sozialdemokratischer Minister für Energie in Mecklenburg-Vorpommern, teilt diese Einschätzung: „Eine Studie der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung hat die Metropolregion Hamburg mit anderen Metropolregionen in Deutschland und Europa verglichen und bestätigt, dass Norddeutschland besonders für den Aufbau einer grünen Wasserstoffwirtschaft geeignet ist. Die Region hat einzigartige Standortvorteile zur Erzeugung erneuerbarer Energien und ein großes Abnahmepotenzial von grünem Wasserstoff – vor allem bei der Industrie.“
Die Häfen im Norden werden als Logistik- und Wirtschaftszentren mit ihren Importterminals eine wichtige Rolle bei Einfuhr und Verteilung von grünem Wasserstoff und synthetischen Energiequellen, bei der Nutzung von H2 sowie beim Export von Wasserstofftechnologie und -komponenten spielen. „Mit dem Zugang zum Meer und den hohen Erzeugungskapazitäten von On- und Offshore-Windstrom kann Norddeutschland eine grüne Wasserstoffindustrie aufbauen und den Rohstoff selbst emissionsfrei produzieren“, sagt Minister Pegel. „Deshalb wird Wasserstoff auch als Export- und Importgut für die norddeutschen Seehäfen von Bedeutung sein.“ Aufgrund ihrer Bedeutung als Logistikzentren seien Seehäfen hervorragende Standorte für Versuchsanlagen zur Wasserstoff-Elektrolyse, zur Ansiedlung von Importterminals und von Unternehmen, die in ihren industriellen Prozessen grünen Wasserstoff einsetzten. 
Pegels Hamburger Ministerkollege, Wirtschaftssenator Michael Westhagemann, will den Hafen der Hansestadt zu „Europas Logistik Hub für H2“ und zur „Wasserstoffdrehscheibe“ machen. Bis 2030 hat sich der Senat das Ziel gesetzt, das Versorgungsnetz im Hafen in Energieleitungen für grünen Umweltschutz zu verwandeln („HH-WIN“). Diese sollen die Industriebetriebe nur noch mit H2 versorgen. Eingespeist werden soll vor allem durch die mit mindestens 100 Megawatt Leistung weltweit größte Anlage für Wasserstoffelektrolyse in Moorburg. Am „Green Energy Hub“, der den Grundstein für den Aufbau einer vollständigen H2-Wertschöpfungskette bildet, sind Shell, Mitsubishi Heavy Industries, Vattenfall sowie der kommunale Fernwärmenetzbetreiber „Wärme Hamburg“ beteiligt. Auch im Strategiepapier „Hamburg 2040“ der  Handelskammer Hamburg ist H2 ein wichtiger Pfeiler der Stadtentwicklung und Energieversorgung.
Das Team vom Hereon-Institut für Wasserstofftechnologie in Geesthacht erforschte gerade, wie sich dieser neue Energieträger am besten erzeugen, transportieren und speichern lässt und wie eine optimale Versorgungsinfrastruktur aussehen sollte. Sie konzentrieren sich darauf, mobile Wasserstoffspeicher zu entwickeln und einen Unterbau für stationäre Energiesysteme zu konzipieren.
Auch vor einer endgültigen Marktreife seien einzelne „Business Cases“ heute schon absehbar, prognostiziert Klaus Taube, der stellvertretende Institutsleiter. Als Beispiel nennt er den Betrieb von Wasserstoff-Zügen auf nicht elektrifizierten Strecken, auf denen die Elektrifizierung teurer wäre als der Aufbau einer Versorgungsinfrastruktur mit H2. Beim Schwerlastverkehr oder der Stahlerzeugung ist eine Elektrifizierung nicht möglich und somit der Einsatz von grünem Wasserstoff die vielversprechendste Lösung für die Reduzierung des CO 2-Fußabdruckes.
„Wasserstoff wird ebenfalls wirtschaftlich interessant, wenn es gelingt, am Stromregelmarkt teilzunehmen und ihn dann zu produzieren, wenn reichlich Überschussstrom vorhanden ist und negative Preise gezahlt werden.“ Neben vielen notwendigen technischen Verbesserungen, um die Kosten von Elektrolyseuren, Kompressoren, Speichern und Brennstoffzellen zu senken, werde es Taube zufolge wesentlich darauf ankommen, die regulatorischen Rahmenbedingungen so zu ändern, dass die Produktion grünen Wasserstoffs nicht noch künstlich verteuert werde. Von Seiten des Gesetzgebers müsse jetzt viel getan werden, um nicht unnötig die Verwendung fossiler Treibstoffe zu subventionieren bzw. ihre gesellschaftlichen Folgekosten entsprechend zu bepreisen – „Stichwörter: Dieselprivileg und CO 2-Bepreisung“.
Die fünf nördlichen Bundesländer treiben das H2-Thema nach dem Motto „Nur gemeinsam sind wir stark“ seit 2019 mit zahlreichen Projekten und einer lange vermissten offiziellen Wasserstoffstrategie energisch voran. Bis 2030 sollen mit erheblichen Fördermitteln durch Bund und EU u. a. mindestens fünf Gigawatt eigene Elektrolyseleistung installiert und etwa 250 Wasserstofftankstellen (heute: 100) gebaut werden. Ganz oben auf der Agenda der „stärksten europäischen Zukunftsregion für H2“ steht eine enge und konstruktive Zusammenarbeit mit den Nachbarregionen im In- und Ausland und dem Bund. Jetzt muss diese bislang in Deutschland einmalige Strategie gemeinsam umgesetzt werden. Wie z. B. in dem jüngst vom Bundesministerium für Verkehr in Aussicht gestellten „Technologie- und Innovationszentrum Wasserstofftechnologie“ in den Bereichen Luftfahrt, Schifffahrt und Intralogistik für Hamburg, Stade, Bremen und Bremerhaven oder bei den in Bremen und Hamburg geplanten Großelektrolyseanlagen. In Bremerhaven soll durch Aufbau und Inbetriebnahme eines „Elektrolyse-Testfelds“ die Möglichkeit geschaffen werden, die elektrischen Eigenschaften von Elektrolyseuren im Zusammenspiel mit der flukturierenden Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien zu testen.
Eine Bündelung und Konzentration der Kräfte ist auch bei den fünf norddeutschen Wirtschaftsförderorganisationen geschehen. Sie haben im Dezember 2020 auf Initiative der IHK Nord, dem Bündnis von zwölf norddeutschen Kammern, ein Wasserstoff-Cluster bzw. die „Standortinitiative HY-5“ gebildet und entwickeln aktuell ein gemeinsames Marketingkonzept. Ein zusätzliches ambitioniertes Projekt ist das „Norddeutsche Reallabor“. In vier „geografischen Hubs“ in Mecklenburg-Vorpommern, Schleswig-Holstein und Hamburg entwickeln bis 2025 fünfzig Partner aus Wirtschaft und Forschung Konzepte für die Sektorenkopplung (Vernetzung der Sektoren der Energiewirtschaft (Elektrizität, Wärme- bzw. Kälteversorgung, Verkehr) mit der Industrie, um zu einer ganzheitlichen Betrachtung aller Sektoren zu kommen, die ein besseres Gesamtsystem ermöglicht; Anm. d. Verf.) und für die Nutzung von H2 für Industrie und Mobilität; Investitionsvolumen: 355 Mio. Euro (siehe Kasten: Interview mit Prof. Werner Beba, Projektkoordinator).
Der promovierte Physiker Taube vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht Hereon blickt optimistisch in die nähere Wasserstoff-Zukunft Norddeutschlands „Ich bin zuversichtlich, dass wir bis 2030 schon erhebliche Teile unseres schienengebundenen Regionalverkehrs auf nicht-elektrifizierten Strecken sowie des LKW-Verkehrs auf Wasserstoffbasis sehen werden.“ Überdies würden die ersten Prototypen emissionsfreier und kleinerer Verkehrsflugzeuge (siehe: Interview mit Hamburgs Flughafenchef Michael Eggenschwiler) in der Luft sein. Und die Dekarbonisierung (Abkehr von der Nutzung kohlenstoffhaltiger Energieträger; Anm. d. Verf.) der Stahl- und Chemieindustrie durch den Einsatz regenerativ erzeugten grünen Wasserstoffs werde bis dahin auch große Fortschritte gemacht haben. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist für Klaus Taube dabei, die Wasserstofftechnologie nicht nur praktisch umzusetzen, sondern auch weitere Teile der Wertschöpfungskette in den Norden zu holen. Bisher gebe es nach seinen Informationen keinen einzigen Hersteller von Elektrolyseuren, Brennstoffzellen, Kompressoren oder Speichertanks, der in Norddeutschland produziert. Ähnlich sieht es im Verkehrsbereich aus, auch wenn bereits mit Wasserstoff angetriebene PKW und Busse in wachsender Zahl unterwegs sind und neben Flugzeugen und Brennstoffzellen-Zügen auch der Einsatz von emissionsfreien kleinen Fähren und Schiffen im Binnen- und Kurzstreckenseeverkehr geplant ist.
Die bislang einzige Ausnahme bildet der Fahrzeughersteller FAUN Umwelttechnik aus dem niedersächsischen Osterholz-Scharmbeck. Während der Volkswagen-Konzern in Wolfsburg fast ganz auf die Elektromobilität setzt, hat FAUN ein modulares, teilweise mit H2-angetriebenes Baukastensystem für die Gestelle ihrer Müllfahrzeuge und Kehrmaschinen entwickelt. Marketing- und Kommunikationsleiterin Claudia Schaue sieht darin die Zukunft der emissionsfreien Entsorgung: „Die Kombination von Batterie und Wasserstoff-Brennstoffzelle ist sinnvoll, da sie perfekt an die Einsatzbedingungen der Fahrzeuge angepasst werden kann. Es gibt Einsatzgebiete bzw. Sammelreviere, da ist die Batteriekapazität ausreichend, beispielsweise in Bremerhaven. Und wo mehr Reichweite benötigt wird, z. B. für Fahrten über die Autobahn, holen wir uns diese über die Wasserstoff-Brennstoffzelle.“ 
Neben H2 werde es weiterhin Batteriekonzepte geben, denn bei neuen Technologien gebe es keine Lösung, die für alle Anwendungsfälle passe. Schaue betont aber: „Batterien sind teuer und schwer, der Ladevorgang dauert lange und um die benötigte Leistung für Müllfahrzeuge zu erreichen, müssten viele schwere Batteriepakete mitgeschleppt werden, was sich negativ auf die Nutzlast des Nutzfahrzeugs auswirkt.“ Wasserstoff hingegen sei leicht, könne genauso schnell wie konventioneller Kraftstoff nachgetankt und zudem in Müllverbrennungsanlagen mittels Elektrolyse hergestellt werden – „ein perfekter Kreislauf“. Je mehr Wasserstofffahrzeuge im Einsatz seien, desto schneller werde die Infrastruktur automatisch ausgebaut werden.
FAUN hat schon erste Abfallsammelfahrzeuge an die Bremer Stadtreinigung ausgeliefert und wird bis 2030 nur noch mit Wasserstoff angetriebene Fahrzeuge produzieren. Der führende Hersteller von Entsorgungsfahrzeugen in Europa hat mit einigen Industriepartnern die Initiative „Clean Hydrogen Coastline“ gegründet, die eine marktrelevante Integration und Skalierung der Wasserstoff-Technologie in das deutsche und europäische Energiesystem erreichen will. Projektpartner in Nordwestdeutschland sind ArcelorMittal Bremen, EWE, Gasunie, swb und TenneT. 
Der Hamburger Reeder Nikolaus W. Schües hat bereits für Wasserstoff geschwärmt und ihn als Energieträger von morgen propagiert, als noch wenige vor den Gefahren des Klimawandels warnten. Der Inhaber der Reederei F. Laeisz und ehemalige Präses der Handelskammer war 1989 Mitgründer der Wasserstoffgesellschaft Hamburg und von 2005 bis 2013 ihr Vorsitzender. Er kritisiert, dass viel versäumt wurde, um in Europa eine energiepolitische Unabhängigkeit und eigene Versorgungssicherheit zu erreichen und um Industrie, Mobilitätssektor und Energiewirtschaft vollständig defossilieren zu können: „Bundesregierung und EU-Kommission haben leider sehr spät und langsam begonnen, die Bremsen zu lösen, um in Deutschland grünen H2 kostengünstig produzieren zu können. Allein 2020 ist Strom für mehr als eine dreiviertel Milliarde Euro durch Windkraftanlagen-Stillstand verschenkt worden, womit grüner Wasserstoff hätte produziert werden können“, beklagt Schües.
Marktprognosen besagen, dass der Bedarf an grünem H2 sehr stark steigen wird und nicht mehr allein aus Norddeutschland oder Offshore-Elektrolyseanlagen in der Nordsee gedeckt werden kann. Auch Deutschland und die EU benötigen mehr grünen Wasserstoff, als sie gemeinsam produzieren können. Dann wird es voraussichtlich im nächsten und spätestens im übernächsten Jahrzehnt notwendig sein, H2 aus Gegenden der Welt zu importieren, wo dieser im großindustriellen Maßstab kostengünstig produziert werden kann. Der Transport werde dann, je nach Lage der Produzenten, innerhalb Europas wahrscheinlich über ein Wasserstoff-Gasnetz und bei weiter entfernten Ländern per Schiff erfolgen. Eine erste Machbarkeitsstudie zum Wasserstoffimport aus Australien ist bereits in Arbeit.
Die neue Stiftung H2 Global, an der auch die Reederei F. Laeisz beteiligt ist, soll dabei helfen, die zu erwartende Versorgungslücke zu schließen. Der Ansatz: Die mit staatlichem Kapital gegründete Stiftung unterstützt Konsortien, in die Produktion von grünem H2 im EU-Ausland einzusteigen. Sie müssen sich in einem Auktionsverfahren zur langfristigen Lieferung von grünem Wasserstoff nach Deutschland durchsetzen. Auf der Abnehmerseite erhalten die Unternehmen - wie Siemens Energy, Thyssen Krupp oder die Deutsche Bank -, die den höchsten Preis für H2 zu zahlen bereit sind, einen jährlichen Zuschlag. Die Lücke zwischen den voraussichtlichen Herstellungskosten und der Zahlungsbereitschaft der nachfragenden Unternehmen aus der Industrie wird mit Hilfe des Stiftungskapitals geschlossen.
Nikolaus W. Schües nennt mögliche Kandidaten für H2-Energiepartnerschaften: „Die südliche Hemisphäre hat mehr Tage im Jahr Sonne als die nördliche, also kommen sämtliche Länder in diesen Zonen in Frage; entscheidend wird sein, auf welcher Win-Win-Basis eine Zusammenarbeit vereinbart werden kann. Zusätzlich zur Photovoltaik kommt die Windenergie hinzu, hier sind Chile oder Marokko interessante Partner.“ Aufgrund der vorhandenen Flächen spreche nach Ansicht von Schües auch viel für Brasilien, Saudi-Arabien und Westafrika, oder die Karibik, zum Beispiel Trinidad.
Gleichzeitig, das ist ein weiteres Stiftungsziel, baut Deutschland eine eigene Exportwirtschaft für erneuerbare Energien auf. Größtes Potenzial haben laut der Studie von Boston Consulting Anlagen zum Einsatz von H2 in der Industrie und im Verkehrssektor (bis 2050 jährlich 80 bis 90 Mrd. Dollar). Dazu gehören Tankstellen und Maschinen, mit deren Hilfe sich Stahl CO2-neutral herstellen lässt. Der Stahlhersteller Arcelor Mittal mit Standorten in Bremen und Hamburg hat sich dieses ehrgeizige Ziel gesetzt. Für Maschinen, die H2 produzieren, schätzt die Unternehmensberatung ein jährliches Marktvolumen von 60 bis 65 Mrd. Dollar.
„Die EU-Industrien sind Weltmarktführer zum Beispiel im Bau von Elektrolyseanlagen“, so Schües. „Diese Exportlieferungen könnten das Importland mit grünem H2 versorgen und darüber hinaus könnte Wasserstoff in Form von Ammoniak zurück in die EU geliefert werden.“ Gerade Länder in Westafrika könnten mit dieser neuen Technik eine stabile Wasserstoffstruktur schaffen, was für die dortige Bevölkerung dringend notwendige Zukunftsperspektiven eröffne.
HINTERGRUND
Was ist grüner Wasserstoff?
Wind und Sonne sind nicht jeden Tag im gleichen Maße verfügbar. Deshalb benötigt eine Energieversorgung, die zunehmend auf erneuerbare Energien setzt, ein Speichermedium. So können natürliche und räumliche Schwankungen ausgeglichen sowie Überschüsse erhalten werden.
Regenerativ erzeugter sogenannter „grüner“ Wasserstoff, ist ein zentraler Baustein der Energiewende. Er ist keine Energiequelle wie Erdöl, Wind oder Sonnenenergie, sondern ein molekularer Energiespeicher, der durch Verbrennung wieder zu Energie wird. Er kommt von Natur aus nur in gebundener Form vor, etwa in Wasser oder Erdgas. Um das farblose chemische Element aus dieser Bindung abzuspalten, ist Energie notwendig. Um umweltfreundlichen Wasserstoff zu erzeugen, werden regenerative Energien aus Windrädern, Photovoltaik oder auch Müllverbrennungsanlagen verwendet und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (Elektrolyse). Zudem ermöglicht der CO2-freie Energieträger neben der Speicherung großer Energiemengen auch den Transport von erneuerbaren Energien über große Entfernungen. Grüner Wasserstoff verursacht keine Luftverschmutzung und ist am Ende dieses Prozesses C02-neutral und damit grün. Die Energie aus H2 wird für den Antrieb von Fahrzeugen genutzt. Der Vorteil: Wasserstoff ist leicht und kann wie die heutigen Kraftstoffe getankt werden. Zeitaufwendige Batterieladungen gehören damit der Vergangenheit an.
Allerdings ist ein Großteil des in Deutschland produzierten Wasserstoffs noch „grauer“ Wasserstoff. Dieser entsteht als Nebenprodukt in der chemischen Industrie, z. B. in den norddeutschen Erdölraffinerien, oder wird aus fossilen Energieträgern wie Erdgas erzeugt. Bei diesem Verfahren wird das Treibhausgas Kohlendioxid (CO2) ausgestoßen. Nur zum kleinen Teil wird der in Norddeutschland verbrauchte Wasserstoff per Elektrolyse auch hier produziert – z. B. im 5 Megawatt-Elekrolyseur der H & R Ölwerke Schindler in Hamburg oder dem 2,4 Megawatt-Elektrolyseur von Wind2Gas in Brunsbüttel. Dies könnte sich in naher Zukunft ändern, wenn die Elektrolyse-Kapazitäten in Norddeutschland erheblich gesteigert werden.

VERANSTALTUNGSHINWEIS

2. International Hydrogen Symposium
Die richtungsweisende Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft ist Schwerpunkt des „International Hydrogen Symposiums“ am 15. Juni 2021. Die digitale, englischsprachige Veranstaltung wird von der von der IHK Nord und der Wasserstoff-Gesellschaft Hamburg organisiert. Expertinnen und Experten sprechen im Livestream über die Hindernisse bei Erzeugung, Speicherung und Transport von Wasserstoff. Sie diskutieren darüber, was die nächsten Schritte sein müssen, um die Wasserstofftechnologie auf das nächste Level zu bringen und damit markt- und wettbewerbsfähig zu machen.
Firmen und Netzwerke wie Vattenfall, EWE und Hydrogen Europe sind dabei. Auch Vertreter der Landes- und Bundespolitik werden ihre H2-Strategien erläutern. Außerdem werden wir best-practice-Projekte kennenlernen und uns weltweit mit Fachleuten vernetzen.
Trotz der coronabedingten digitalen Umsetzung des Symposiums steht das Netzwerken im Fokus der der Veranstaltung. Am 15. Juni wird eine digitale Möglichkeit angeboten, sich außerhalb der Keynotes aktiv zu begegnen, direkte Gespräche zu führen und Kontakte nachzuhalten. 
Wir freuen uns hier auf Ihre Anmeldung: www.h2-symposium.de

Autor: Jörn Arfs