Wasserstoffwirtschaft
In dem zweiten Artikel zur Transformation der Chemieindustrie widmen wir uns der Wasserstoffwirtschaft. Hier schauen wir uns die unterschiedlichen Produktionsarten an, blicken auf bereits realisierte und noch geplante Projekte, sprechen über den großen Bedarf der chemischen Industrie an Wasserstoff, wagen aber auch einen kritischen Blick auf die derzeit noch sehr hohen Produktionskosten an grünem Wasserstoff durch Elektrolyse.
Ist es sinnvoll, den erzeugten Wasserstoff direkt zu transportieren oder ist der grüne Ammoniak eine wirtschaftliche Alternative?
Wasserstoff gilt als klimaneutraler und effizienter Energieträger. Bei seiner Verbrennung entsteht lediglich Wasserdampf und es werden keine umweltschädlichen Stoffe freigesetzt. Wasserstoff wird als chemisches Element vielseitig genutzt. Er dient zur Herstellung von Düngemitteln und zur Raffinierung von Mineralöl sowie als Kühlmittel für Kraftwerke.
Darüber hinaus wird Wasserstoff in vielen Industriezweigen als Speicher und Produzent elektrischer Energie eingesetzt. Wasserstoff kann auch als Brennstoff in Fahrzeugen wie Autos, Zügen und anderen Verkehrsmitteln verwendet werden, um große Reichweiten zu erreichen. Zudem eignet sich Wasserstoff zur Beheizung von Häusern und zur Versorgung von Fabriken, die früher auf Kohle oder Erdgas angewiesen waren. Viele dieser Anwendungen sind noch im Aufbau, werden aber zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Die Wasserstoffwirtschaft bezieht sich auf die Erzeugung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. Im Kern geht es dabei um die Nutzung von Wasserstoff als Alternative zu fossilen Brennstoffen wie Öl, Gas und Kohle, um CO2-Emissionen zu reduzieren und den Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung zu unterstützen.
Schaut man sich einmal die Patentlage zum Thema Wasserstoff weltweit an, so stellt man fest, dass die im Studienzeitraum der von der EPA und IEA durchgeführten Studie zwischen 2011 und 2020 angemeldeten Patente zu 80 Prozent allein auf die Wasserstofferzeugung entfielen. Von allen im genannten Zeitraum eingereichten Patente entfielen 28 Prozent auf die EU und innerhalb der EU dominierte Deutschland mit 11 Prozent, gefolgt von Frankreich mit 6 Prozent und den Niederlanden mit 3 Prozent.
(The graph shows the percentage share of international patent families IPF worldwide)
Am Anfang wurde der Wasserstoff noch aus fossilen Rohstoffen produziert, doch die Patentanalyse der IEA zeigt, dass der Trend klar zu emissionsarmen Methoden geht wie der Gewinnung von Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energiequellen.
Ein Wort noch zur Farbenlehre des Wasserstoffs: Im Großen und Ganzen unterscheiden wir die Farben Grün, Türkis, Blau und Grau. Bei grauem Wasserstoff wird der Wasserstoff mittels Spaltung fossiler Brennstoffe und Strom aus fossilen Energien gewonnen (Dampfreformierung), bei blauem Wasserstoff entsteht er durch Spaltung von Methan mit Beiprodukt CO2, das gespeichert und nicht ausgestoßen wird (Dampfreformierung mit CCS). Dann gibt es noch die Farben türkis und grün. Türkiser Wasserstoff bildet sich aus der Spaltung von Methan mit dem Beiprodukt fester Kohlenstoff. Je nach Energiequelle, Förderung des Erdgases und Weiterverarbeitung des festen Kohlenstoffes können dabei Emissionen entstehen (Erdgaspyrolyse).
Grüner Wasserstoff – und den wollen hier betrachten – wird aus der Elektrolyse von Wasser mit dem Beiprodukt Sauerstoff unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen. Aber auch alternative Prozesse wie die Vergasung, Pyrolyse und Fermentation von Biomasse führen zu grünem Wasserstoff, ebenso thermochemische Kreisprozesse, photokatalytische und photobiologische Wasserspaltung und auch die Meerwasserelektrolyse. Zu den Ländern in Europa, die in großem Umfang grünen Wasserstoff produzieren, gehören insbesondere Deutschland, Dänemark, Norwegen, die Niederlande und Spanien. Deutschland und Dänemark haben eine starke Windenergiebranche und setzen daher oft auf die Elektrolyse von Wasser mit Windenergie, um grünen Wasserstoff zu produzieren. Norwegen nutzt seine Wasserkraftressourcen, um Elektrolyseanlagen mit erneuerbarem Strom zu betreiben, während die Niederlande und Spanien sowohl Wind- als auch Solaranlagen nutzen, um grünen Wasserstoff zu produzieren.
In Deutschland gibt es eine Vielzahl von Projekten, die sich mit der Planung und Erzeugung von grünem Wasserstoff beschäftigen. Hier sind nur einige wenige Beispiele:
- Ab dem Jahr 2024 soll im Energiepark Bad Lauchstädt ein 30-Megawatt-Alkali-Elektrolyseur von Sunfire, einem Mitglied von HYPOS, zur Erzeugung von grünem Wasserstoff eingesetzt werden. Dieser Elektrolyseur wird an den Energiekonzern Uniper geliefert. Das Wasserstoffprojekt im Süden Sachsen-Anhalts hat zum Ziel, Herstellung, Transport, Speicherung und wirtschaftlichen Einsatz von grünem Wasserstoff in industriellem Maßstab umzusetzen.
- Linde baut in Leuna den weltweit größten Wasserstoff-Elektrolyseur. Der Gaskonzern will den Umsatz mit dem Energieträger auf längere Sicht vervierfachen. Die neue 24-Megawatt-Anlage sollte bereits 2022 in Betrieb gehen, befindet sich derzeit aber noch im Probelauf. Die Anlage könne zum Beispiel etwa 600 Brennstoffzellen-Busse im Jahr versorgen, die 40 Millionen Kilometer fahren. Hier zeigt sich jedoch die Kehrseite der Medaille. Das Projekt lohnt sich finanziell nicht, sondern ist „tiefrot“. Der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur kostet derzeit circa das Vierfache wie der Wasserstoff aus Steam Reforming.
- Die Chlor-Alkali-Anlage von Nobian im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen hat mit der Lieferung von grünem Wasserstoff an einen internationalen Kunden begonnen. Der Hersteller liefert damit als erstes Unternehmen in Deutschland grünen Wasserstoff aus einer Chlor-Alkali-Membranelektrolyse.
- In einem gemeinsamen Projekt planen Ineos und Currenta den Aufbau und Betrieb einer 100-Megawatt-Wasserelektrolyse zur Erzeugung von grünem Wasserstoff in Köln. Diese Investition ist Teil des zwei Milliarden Euro-Pakets für grüne Wasserstoffprojekte, das Ineos angekündigt hat.
- Bis 2025 will Thyssenkrupp seine Marktstellung entlang der gesamten Wertschöpfungskette grüner Chemikalien entscheidend ausbauen. Dabei geht es um die serienmäßige Herstellung großskaliger Wasser-Elektrolyseure (H2Giga), die Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen, grünem Ammoniak, grünem Methanol und synthetischem Methan auf See (H2Mare) sowie Transport- und Umwandlungstechnologien von Wasserstoff, wie das Ammoniak-Cracking (Transhyde).
- Air Liquide plant den Bau eines 30-Megawatt (MW)-Elektrolyseurs zur Erzeugung von klimaneutralem Wasserstoff in Oberhausen. In einer ersten Phase soll die Anlage bereits 2023 mit einer Leistung von 20 MW in Betrieb gehen.
- Im Chempark Dormagen entsteht die weltweit größte Anlage für die Einspeicherung von grünem Wasserstoff in flüssige organische Träger (sog. Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) im industriellen Maßstab.
Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach Wasserstoff in Deutschland in den kommenden Jahren stark steigen wird. Um das Dekarbonisierungsziel für 2030 und die Klimaneutralität bis 2045 zu erreichen, sieht die Nationale Wasserstoffstrategie einen Wasserstoffbedarf zwischen 90 Terawattstunden (TWh) und 110 TWh pro Jahr im Jahr 2030 vor, der bis 2050 110 TWh bis 380 TWh erreichen soll. Andere Studien, die den künftigen Bedarf an grünem Wasserstoff in Deutschland prognostizieren, gehen davon aus, dass der Bedarf zwei- bis dreimal so hoch sein könnte.
Der Bedarf an Primärenergie in Deutschland lag laut dem Deutschen Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) 2022 bei ca. 3.300 TWh, wovon nur 17 Prozent durch Erneuerbare Energien gedeckt wurden, knapp 25 Prozent durch Erdgas. Der weitaus größte Anteil stammte aber immer noch aus Mineralöl, Kohle und Kernenergie. Beim Blick auf die Produktionskosten gibt es bei der Elektrolyse allerdings ein großes Potential, um die derzeit noch hohen Kosten deutlich zu senken.
Nach Berechnungen des DVGW lagen die Kosten 2021 für die Elektrolyse bei ca. 4,8 EUR pro kg an bereitgestelltem Wasserstoff. Der größte Teil entfällt hier immer noch auf den benötigten Strom. Es wird davon ausgegangen, dass die Kosten bis 2050 drastisch auf dann etwa 2,4 EUR pro kg an bereitgestelltem Wasserstoff gesenkt werden können.
Die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff hat erhebliche Auswirkungen auf die chemische Industrie in Deutschland. Sie ist einer der größten Verbraucher von Wasserstoff und setzt diesen vor allem als Rohstoff und Energieträger in verschiedenen Prozessen ein.
Die Verwendung von grünem Wasserstoff als Rohstoff trägt dazu bei, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und die Produktion von chemischen Produkten nachhaltiger zu gestalten. Es gibt bereits einige Projekte und Initiativen in Deutschland, die sich mit der Verwendung von grünem Wasserstoff in der chemischen Industrie beschäftigen. Aber insgesamt sind es immer noch zu wenig Projekte, um die Wende hinzubekommen. Beispiele sind:
- Das Projekt „Carbon2Chem“ der ThyssenKrupp AG: Das Projekt zielt darauf ab, Kohlenstoff aus dem Abgas von Stahlwerken und Kohlekraftwerken zu gewinnen und als Rohstoff in der chemischen Industrie zu nutzen. Hierfür wird grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energien benötigt, um den Kohlenstoff aus dem Abgas zu binden und in chemischen Prozessen zu nutzen.
- Ein zusätzlicher Offshore-Windpark mit einer Leistung von 2 Gigawatt (GW) soll den Chemiestandort Ludwigshafen mit grünem Strom versorgen und zur CO2-freien Herstellung von Wasserstoff dienen. Ziel ist, Produktionsprozesse von Basischemikalien, die bisher auf fossilen Energieträgern basieren, zu elektrifizieren. Dabei sollen CO2-freie Technologien wie zum Beispiel elektrisch beheizte Steamcrackeröfen zur Herstellung von Petrochemikalien zum Einsatz kommen. Mit dem Vorhaben könnten etwa 3,8 Millionen Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr vermieden werden, bis zu 2,8 Millionen Tonnen davon direkt bei BASF in Ludwigshafen.
- Im Zuge des Projektes RHYME (Renewable Hydrogen and Methanol) Bavaria plant WACKER am Standort Burghausen den Bau eines Anlagenkomplexes zur Herstellung von „grünem Wasserstoff“ und erneuerbarem Methanol. Bestandteil des geplanten Komplexes ist eine Elektrolyseanlage mit einer Leistung von 20 Megawatt, in der aus Wasser und erneuerbarer Energie grüner Wasserstoff produziert wird. Geplant ist darüber hinaus eine Syntheseanlage, in der der grüne Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid aus bestehenden Produktionsprozessen zu erneuerbarem Methanol weiterverarbeitet wird. Die Kapazität dieser Anlage soll bei 15.000 Tonnen pro Jahr liegen. Die Anlage soll noch vor Ende 2025 in Betrieb gehen. Allerdings benötigt Wacker Chemie dafür die Fördergelder und einen Strompreis von unter vier Cent pro Kilowattstunde, um die Wirtschaftlichkeit des Produktionsverfahrens zu gewährleisten.
Zudem kann die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff als Energieträger dazu beitragen, die Dekarbonisierung in der chemischen Industrie voranzutreiben. Viele Prozesse in der chemischen Industrie benötigen hohe Temperaturen und werden derzeit noch oft mit fossilen Brennstoffen betrieben. Durch den Einsatz von grünem Wasserstoff als sauberem Brennstoff könnten diese Prozesse künftig emissionsärmer gestaltet werden. Darüber hinaus kann grüner Wasserstoff als Energiespeicher in der chemischen Industrie genutzt werden, um die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie zu erhöhen. Der überschüssige erneuerbare Strom kann dazu genutzt werden, Wasserstoff zu produzieren, der dann bei Bedarf zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann.
Insgesamt wird grüner Wasserstoff dazu beitragen, die chemische Industrie in Deutschland klimafreundlicher und nachhaltiger zu gestalten und kann neue Chancen für die Entwicklung innovativer Produkte und Prozesse eröffnen.
Nach Schätzungen des Verbandes der Chemischen Industrie werden jährlich aktuell 1,1 Millionen Tonnen (37 TWh) grüner Wasserstoff als Rohstoff für die Chemieindustrie benötigt, dieser soll auf rund 7 Millionen Tonnen (227 TWh) im Jahr 2050 steigen. Durch Wasserstoff könnten 2050 schätzungsweise 54 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden. Laut einem Forschungsprojekt des deutschen Vereins des Gas – und Wasserfaches e.V. (DVGW) von 2023 sind die verbauten Rohrleitungen und Pipelines aus Stahl in Deutschland durchaus schon für den Transport von Wasserstoff geeignet. Also steht einem Anschluss von bundesweit 1,8 Millionen Unternehmen und 19,6 Millionen Wohnungen an ein Wasserstoffgasnetz nichts im Weg.
Die Gewinnung von grünem Wasserstoff aus grünem Ammoniak (NH3) ist eine vielversprechende Option, um erneuerbare Energien wie Wind- oder Solarenergie effizient in Form von Wasserstoff zu speichern und zu transportieren. Die Idee dahinter ist, dass der Wasserstoff aus dem grünen Ammoniak durch sogenannte „Ammoniak-Cracker“ freigesetzt wird. Dabei wird das grüne Ammoniak zunächst aus erneuerbarem Strom und Stickstoff produziert. Der grüne Wasserstoff wird dann durch einen Ammoniak-Cracker freigesetzt, indem das Ammoniak bei hohen Temperaturen und Drücken in Wasserstoff und Stickstoff gespalten wird. Der Wasserstoff kann dann in der chemischen Industrie oder als Brennstoff für Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Ein großer Vorteil der Gewinnung von grünem Wasserstoff aus grünem Ammoniak ist, dass Ammoniak eine höhere Energiedichte hat als Wasserstoff, was die Speicherung und den Transport von erneuerbarem Strom und Wasserstoff erleichtern kann. Zudem gibt es bereits erste Pilotprojekte, die die Produktion von grünem Ammoniak und die Nutzung des darin enthaltenen Wasserstoffs demonstrieren wie z. B.:
Wilhelmshaven strebt an, ein bedeutender Dreh- und Angelpunkt für die Wasserstoffwirtschaft in Deutschland zu werden. Neben dem bereits angekündigten Terminal und Elektrolyseur plant der Energiekonzern BP nun auch die Überprüfung des Baus eines Ammoniak-Crackers. Laut den Plänen könnte die Anlage ab dem Jahr 2028 insgesamt bis zu 130.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr produzieren.
Air Products und Mabanaft planen, über ihre Tochtergesellschaft Oiltanking Deutschland, Deutschlands erstes großes Importterminal für grüne Energie im Hamburger Hafen zu bauen. Das Ziel ist es, Deutschland ab 2026 mit Wasserstoff zu versorgen. Der Standort am bestehenden Tanklager von Mabanaft ermöglicht den strategischen Zugang zu grünem Ammoniak aus großen Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff, die Air Products und seine Partner auf der ganzen Welt betreiben. Das Ammoniak soll über Air Products Anlagen in Hamburg in grünen Wasserstoff umgewandelt und an Käufer in Norddeutschland vertrieben werden.
Allerdings sind für eine großflächige Anwendung von grünem Ammoniak noch technische und wirtschaftliche Herausforderungen zu lösen, wie zum Beispiel die Entwicklung von effizienten Ammoniak-Crackern und die Optimierung von Produktionsprozessen. Da die Produktion von grünem Ammoniak aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie jedoch derzeit noch teuer ist, könnte es für einige Unternehmen und Branchen wirtschaftlicher sein, grünen Ammoniak aus anderen Ländern zu importieren, in denen die Produktion günstiger ist. Als Lieferanten von grünem Wasserstoff für europäische Verbraucher kommen unter anderem Australien, Chile, Marokko und die Vereinigten Arabischen Emirate sowie Spanien in Frage.
RWE z. B. treibt die Pläne für ein grünes Ammoniak-Importterminal in Brunsbüttel voran. Bereits 2026 sollen die Anlagen für die Einfuhr von 300.000 Tonnen pro Jahr bereit sein. Obwohl der unmittelbare Schwerpunkt für Brunsbüttel eine neue LNG-Importanlage ist, gibt RWE an, dass am Ende der Standort auf den Import von „grünen Molekülen“ wie Ammoniak vollständig umgestellt werden soll.
Es gibt auch große Projekte im Mittleren Osten zur Produktion von grünem Ammoniak aus erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie und Windenergie: „Helios Green Fuels“ in Saudi-Arabien z. B., das von dem Unternehmen Air Products entwickelt wird. Das Projekt soll die weltweit größte solarbetriebene Produktionsanlage von grünem Wasserstoff und grünem Ammoniak werden. Mehr als 4 GW erneuerbare Solar- und Windenergie werden erzeugt, um 650.000 Tonnen grünen Wasserstoff pro Jahr durch Elektrolyse mit der Technologie von ThyssenKrupp, Stickstoff durch Luftzerlegung mit der Technologie von Air Products und 1,2 Millionen Tonnen grünen Ammoniak pro Jahr mit der Technologie von Haldor Topsoe zu produzieren.
Es müssen noch größere Anstrengungen unternommen werden, um die Dekarbonisierung in der chemischen Industrie wirklich hinzubekommen. Noch sind die Produktionskosten für die Elektrolyse zu hoch, ist die Anzahl der realisierten Projekte noch zu gering. Der Bedarf an klimafreundlichem Wasserstoff ist sehr hoch, es sind neue Technologien notwendig. Sie sind aber noch zu teuer und nicht wettbewerbsfähig. Die Infrastruktur reicht für den benötigten Bedarf der chemischen Industrie nicht aus, hier muss noch viel mehr getan werden. Ohne staatliche Förderung wird es da in absehbarer Zeit sehr schwer werden, die geplanten Ziele zu erreichen.
Fields of action green hydrogen
Im nächsten Artikel geht mein Kollege, Herr Dr. Francke, auf die Kreislaufwirtschaft in der Chemieindustrie ein und wird sich dort insbesondere den bereits realisierten, aber auch den bevorstehenden Projekten widmen. Wie können dort all die Prozesse nachhaltig gestalten werden? Wie weit ist die Chemieindustrie, was läuft gut, wo liegen die Probleme?
Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert
Sources:
- Studie „Hydrogen patents for a clean energy future“ der IEA und des EPA EWE: Die Farben des Wasserstoffs und Klimaschutz;
- BNC Industry Networks; (4) Ammonia Energy Association;
- Guidehouse: Covering Germany’s green hydrogen demand: Transport options for enabling imports;
- Regionale Industrieinitiativen 2023;
- Forschungsprojekt “Stichprobenhafte Überprüfung von Stahlwerkstoffen für Gasleitungen und Anlagen zur Bewertung auf Wasserstofftauglichkeit“ (SyWeSt H2) des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW); Aurora Energy Research.
