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Wasserstoff - das Öl der Zukunft?!

29.06.2020

  • Politik stellt Weichen klar in Richtung Wasserstoff
  • Klimaneutralität wohl nur durch Wasserstoffkreislaufwirtschaft möglich
  • Jahrhunderttechnologie vor dem Durchbruch?

Politik sorgt für „Big Bang“ beim Thema Wasserstoff
Der seitens der EU initiierte „Green Deal“ hat die Weichen ganz klar in Richtung Wasserstofftechnologie gestellt. Die Bundesregierung verabschiedete zudem ein 130 Mrd. Euro-schweres Konjunkturpaket. Fast die Hälfte der Summe fließt in Zukunftsbereiche wie in die „Wasserstoffwirtschaft“. Flankiert von dem Plan „Nationale Wasserstoffstrategie“ soll Deutschland zur führenden Wasserstoffnation werden. Dabei sollen hierzulande allein Direktinvestitionen in Höhe von 7 Milliarden Euro getätigt werden. Zusätzlich gehen 2 Milliarden Euro in den Aufbau internationaler Wasserstoff-Partnerschaften. Die Maßnahmenkataloge beinhalten unter anderem Investitionen in Forschung und Infrastruktur, Steuererleichterungen, Befreiung von der im Erneuerbare-Energie-Gesetz (EEG) verankerten EEG-Umlage. Länder wie China, Japan und Südkorea investieren ebenfalls massiv in diese Technologie. Mit diesen Investitionen wird u. E. ein Wandel regelrecht erzwungen.

Die Wasserstoff-Farbenlehre
Obwohl Wasserstoff stets ein farbloses Gas ist, geben Farben in der Bezeichnung Auskunft über die Art der Produktion des Gases.

Grüner Wasserstoff: Grün wird Wasserstoff genannt, wenn er mit erneuerbarer Energie erzeugt wurde. Das geschieht in einem Elektrolyseur, der Wasser (H2O) unter Strom setzt, sodass sich Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) voneinander trennen. Durch Nutzung ausschließlich erneuerbarer Energiequellen erfolgt die Wasserstoff-Produktion frei von jeglichen Emissionen wie z.B. CO2.

Grauer Wasserstoff: Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdgas gewonnen. Die gängigsten Verfahren dafür sind die Dampfreformierung (Steam Reforming/SMR) und die autotherme Reformierung (ATR). Bei der Dampfreformierung wird Erdgas unter Hitze und Druck in Wasserstoff und CO2 umgewandelt. Das CO2 wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Um eine Tonne Wasserstoff auf diese Weise zu produzieren, muss die Emission von rund 10 Tonnen CO2 in Kauf genommen werden.

Blauer Wasserstoff: Dies ist letztlich grauer Wasserstoff, dessen CO2 bei der Entstehung allerdings größtenteils abgeschieden und unterirdisch eingelagert wird (engl. Carbon Capture and Storage, CCS). Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion wird daher bilanziell oft als CO2-neutral betrachtet. Durch die CO2- und Methanemissionen bei Förderung und Transport des Erdgases ist Blauer Wasserstoff dennoch mit einem erheblichen CO2-Fußabdruck belastet.

Türkiser Wasserstoff: Dieser wird per Methanpyrolyse (Methane Splitting) aus Erdgas (Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas) hergestellt. Dabei wird Erdgas thermisch in einem Hochtemperaturreaktor in seine Bestandteile Wasserstoff und Kohlenstoff zerlegt. Das Verfahren ist weniger energieeffizient als SMR, dafür wird allerdings beim Produktionsprozess kein CO2 freigesetzt. Anstelle von CO2 entsteht stattdessen fester Kohlenstoff, der sich weiter nutzen lässt (wobei dann je nach Einsatz später CO2 frei werden kann). Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen, sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs. Wie bei allen erdgasbasierten Verfahren treten auch hier in der Erdgas-Lieferkette erhebliche CO2- und Methanemissionen auf. Diese Produktionsmethode befindet sich allerdings noch in der reinen Pilotphase.

Derzeit erfolgt die Wasserstoff-Herstellung fast ausschließlich aus fossiler Primärenergie, überwiegend durch Erdgas-Reformierung.

Das Wundermolekül „H2“
(Fun fact: Wasserstoff steht an erster Position im Periodensystem und ist das häufigste chemische Element im Universum und der Hauptbestandteil unserer Sonne, die diesen nach und nach verbraucht - per Kernfusion entstehen daraus Heliumatome. Pro Sekunde „verbrennen“ rund 564 Millionen Tonnen Wasserstoff. Ohne Wasserstoff gäbe es kein Wasser und keine lebenden Organismen.)

Doch warum will man diese Wasserstoffwirtschaft und warum halten viele Experten molekularen Wasserstoff (H2) für ein solches Wundermolekül? Eine Wasserstoff-basierte Volkswirtschaft bedeutet nahezu unbegrenzte und vor allem nachhaltige Möglichkeiten für Mobilität und Stromerzeugung. Nach Ansicht vieler Forscher ist das Ziel, langfristig klimaneutral zu werden, daher nur mit einer Wasserstoffkreislaufwirtschaft realisierbar, denn H2 ist in der Lage, fossile Brennstoffe in vielen Bereichen zu substituieren. Beispielsweise kann mit dem Molekül Elektrizität (in Brennstoffzellen) erzeugt werden (statt Erdöl, Erdgas oder Kohle zur Stromerzeugung zu nutzen), und zwar ohne, dass dabei CO2 entsteht. Die vorhandene Infrastruktur (z.B. Pipelines) lässt sich oftmals ebenfalls für Wasserstoff nutzen.

H2 ist zudem als Speichermedium für den mit erneuerbaren Energien erzeugten Strom interessant, da ein sofortiger Abruf möglich ist, ohne dass ein Kraftwerk angefahren werden muss. Dabei dient es als Energieträger, der in der Brennstoffzelle wiederum in Strom umgewandelt wird. Dieser wird nur dann ins Netz eingespeist, wenn er benötigt wird. Dieses Verfahren löst das Speicherproblem, dass bei vielen alternativen Energiequellen auftritt: Die Stromerzeugung korreliert nicht immer mit der Nachfrage, gleichzeitig lässt sich dieser Strom derzeit nicht optimal speichern. Oft müssen bspw. Windräder abgestellt werden, weil die Stromnetze die Energie mangels Nachfrage nicht aufnehmen können, die Netze wären sonst überlastet. Zu anderen Zeiten muss Strom importiert werden, weil hierzulande nicht genügend Sonne scheint und/oder ausreichend Wind weht. Wasserstoff hingegen lässt sich durch verschiedene Arten der Elektrolyse ganz einfach aus Wasser erzeugen und wie Erdgas in Tanks speichern. Beim „Verbrennen“ entstehen dann wieder Wasser und Energie.

Wasserstoff ist also ein Energiespeicher, der angebotsorientiert und flexibel erneuerbare Energie speichern kann, die wiederum jederzeit nachfrageorientiert abgerufen werden kann. Es ist grundsätzlich so simpel wie es klingt - im Detail dann leider doch etwas komplizierter: Zugegebenermaßen befindet sich manches bezüglich dieses Verfahrens derzeit noch im Status von Versuchsanlagen, zudem reichen die Flächenpotenziale in Deutschland nach heutigem Stand der Technik nicht aus, um grünen Wasserstoff hierzulande in erforderlichen Mengen zu produzieren.

Während viele mit der Brennstoffzelle vor allem den Einsatz in einem Pkw assoziieren, ist die Technik für die Bereiche Nutzfahrzeuge, Bahn und Schifffahrt allerdings wesentlich bedeutsamer. Zahlreiche Versuchsmodelle dieser Verkehrsmittel befinden sich seit geraumer Zeit schon erfolgreich im Einsatz. Konsens ist, dass sich die Brennstoffzellentechnologie in den letztgenannten Bereichen etablieren wird.

Wasserstoff - Die Nummer Eins im Periodensystem, eines Tages auch die Nummer Eins der Wirtschaftsgüter?
Wasserstoff wird bereits heute für zahllose Anwendungen in Industrie und Technik produziert: So spielt Wasserstoff bei der Produktion von Düngemitteln eine entscheidende Rolle, findet Einsatz als Kühlmittel, wird bei der Verhüttung von Erzen verwendet etc. Bestimmte Wasserstoff-Isotope helfen beim Detektieren von Tumoren, andere Isotope wiederum dienen in Schwerwasserreaktoren als Moderatoren etc. Darüber hinaus hat der wichtigste Stoff des Universums letztlich das Hindenburg-Desaster 1937 mitverursacht, welches auf dem Plattencover des Debut-Albums von Led Zeppelin (nach einer entsprechenden Fotografie) dargestellt ist.

Der steigende Druck zur Dekarbonisierung setzt vor allem die energieintensiven Branchen zunehmend unter Zugzwang. Denn um die Klimaschutzauflagen zu erfüllen, werden Emissionszertifikate stetig gekürzt. Da beispielsweise die Stahlfertigung hohe CO2-Emissionen zur Folge hat, suchen Stahlkonzerne nach Lösungen mittels Wasserstoff. Um auf Kokskohle (und damit den CO2-Hauptemittemten) als Reduktions-mittel für das Eisenerz verzichten zu können, forschen viele Stahlkonzerne daher an der Direktreduktion mit Wasserstoff.
Die Chemiebranche dürfte ebenfalls eine Schlüsselfunktion bei dem ganzen Themenkomplex einnehmen.

Darüber hinaus kann Grüner Wasserstoff zu Methan veredelt und somit in der heimischen Gasheizung verwendet werden, das Ganze erfolgt CO2 neutral! Ebenso lassen sich auch synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, aus Wasserstoff herstellen und somit als Treibstoff in Flugzeugen oder Schiffen verwenden. Auch hierbei entsteht kein zusätzliches CO2. Es ist zwar nicht „Wasser zu Wein verwandeln“ und doch erscheint die künstliche Herstellung u.a. von Heizöl, Diesel, Benzin oder Kerosin fast schon magisch. Momentan haben die Verfahren wegen höherer Kosten im Vergleich zu den traditionellen Kraftstoffen noch keine wirtschaftliche Bedeutung. Das könnte sich aber drastisch ändern, wenn beispielsweise für fossile Brennstoffe die realen Kosten (also inklusive der Folgeschäden durch den Klimawandel, Gewässerverschmutzung bei der Förderung usw.) bezahlt werden müssen.

Am Bedarf, einen sauberen Energieträger zur Verfügung zu haben und Wasserstoff in unzähligen Anwendungen nutzen zu können, besteht also absolut kein Zweifel.

Technische Herausforderungen und hohe Kosten als Gegenargumente
Die zunehmende Verschärfung der Emissionsvorschriften und der Klimawandel verlangen also nach Alternativen, die Wasserstoff ganz offensichtlich bietet. Bei aller Euphorie - und die gab es in der Vergangenheit schon öfter bezüglich dieses Zaubermoleküls - warum ist die Wasserstoffkreislaufwirtschaft dann nicht schon längst Realität? Da gibt es „kleine“ technische Probleme wie Umwandlungsverluste und dass sich einige Bereiche derzeit wie oben beschrieben noch eher in der Pilotphase befinden, statt großserientauglich zu sein etc. Und wer Grünen Wasserstoff in relevanten Größenordnungen für Industrie- oder Verkehrssektor herstellen will, benötigt dazu riesige Mengen an Wind- oder Sonnenstrom, der dann für die bisherigen Stromanwendungen möglicherweise nicht mehr vollständig zur Verfügung steht. Die unter dem Schlagwort „Power-to-Gas“ oft favorisierte Gewinnung durch Wasser-Elektrolyse mit überschüssigem erneuerbaren Strom gilt wirtschaftlich derzeit als nicht konkurrenzfähig gegenüber Reformierung von Erdgas. Dies liegt daran, dass ein ausreichend billiger Strom-Überschuss tatsächlich nur für einige Stunden im Jahr genutzt werden kann und sich bei einer geringeren Auslastung die erforderliche Anlagen-Technik nur mit hohen Subventionen finanzieren lässt. Das kann sich erst ändern, wenn eine künftig überwiegend regenerativ umgestellte Strom-Versorgung noch wesentlich mehr und nicht anderweitig verwertbare Überschüsse abwirft. Oder aber Erdgas als Rohstoff teurer als regenerative Stromerzeugung werden sollte bzw. mit einer entsprechend hohen CO2-Abgabe belegt wird. Die Wahrscheinlichkeit hierfür stufen wir als hoch ein.

Eines der größten Gegenargumente sind momentan - wie schon angedeutet - jedoch die Kosten. Da sind zum einen die hohen Produktionskosten. Ein Kilogramm Grüner Wasserstoff kostet heute knapp zehn Euro. Zum Vergleich: Grauer Wasserstoff kostet im Schnitt dagegen nur ca. zwei Euro pro Kilogramm. Rechnet man dann zum anderen noch die Preise für Ausrüstung und weitere Faktoren hinzu, so liegt man bei einem Vielfachen im Vergleich zu einer Energie-äquivalenten Dieselmenge. Insofern sind beispielsweise Busse mit Dieselmotorantrieb in der Gesamtkostenrechnung aktuell immer noch günstiger (auch weil beispielsweise die Folgen der CO2-Abgase und anderer Schadstoffe nicht in die obige Rechnung eingehen) als ein Bus mit Brennstoffzelle.

Der Sauberstoff: Teuer und doch sehr günstig!
Immerhin werden die Kosten von Wasserstoff nach einer neuen Studie der Unternehmensberatung McKinsey im Auftrag des Hydrogen Council, ein Konsortium von zahlreichen Unternehmen aus der Automobil-, Öl- und Gas-, Industriegas- und Ausrüstungsindustrie, in zehn Jahren um bis zu 50% fallen! Durch die Skalierung von Wasserstoffproduktionen und -anwendungen sehen die Experten für eine Vielzahl der Anwendungsbereiche bis 2030 enorme Kostensenkungsmöglichkeiten. Zusätzlich sinken durch eine wachsende Infrastruktur Vertriebs- und Tankkosten. Produktionssteigerungen sorgen des Weiteren für geringere Preise bei Komponenten von Endanwendungsgeräten und Brennstoffzellen. So werden die zu erwartenden Kostensenkungen Wasserstoff im Vergleich zu anderen kohlenstoffarmen Alternativen konkurrenzfähiger und in einigen Fällen sogar wettbewerbsfähig gegenüber konventionellen Optionen machen. Hierzu seien Investitionen in Höhe von 70 Milliarden USD nötig, so die Studie. Zur Einordnung der Summe: Allein VW musste aufgrund der Dieselaffäre Strafzahlungen in Höhe von ca. 30 Mrd. USD verkraften. Die Investitionssumme ist ferner nur ein Bruchteil der jährlichen Energieausgaben in Europa und man wird langfristig somit auch unabhängiger von Öl- und Gasimporten (allerdings vermutlich im Gegenzug abhängig von Energieimporten beispielsweise aus Spanien etc.). Vor allem aber ist der Betrag geradezu lächerlich niedrig im Vergleich zu den durch den Klimawandel prognostizierten Folgekosten!

Grün(er Wasserstoff) ist die Hoffnung, Grün(er Wasserstoff) ist die Zukunft
Es gibt in der Tat viele Herausforderungen, doch der Weg ist nun von der Politik vorgezeichnet und bietet u. E. in der Summe große Chancen für Unternehmen, die hier proaktiv agieren. Die Wahrscheinlichkeit ist sehr groß, dass das allererste Element im Periodensystem eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Industrie spielen wird. Eine verlässliche Versorgung mit Wasserstoff dürfte dann schon innerhalb weniger Jahre ein bedeutsamer Standortfaktor sein. Manche Fachleute verkünden schon die dritte industrielle Revolution. Vieles spricht also dafür, dass rund 145 Jahre nach Jules Vernes Werk „Die geheimnisvolle Insel“ seine Romanfigur, der Ingenieur Cyrus Smith, mit seiner Prophezeiung recht behält: „Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Fazit

Fazit

Sinkende Kosten und eine damit zunehmende Wettbewerbsfähigkeit, steigende Nachfrage, technische Innovationen und eine Erweiterung der Anwendungen, gepaart mit politischen Vorgaben, sollten zu einem lang anhaltenden Boom beim Thema Wasserstoff führen. Wir sehen daher trotz der Herausforderungen insgesamt großes Potenzial für eine Wasserstoffwirtschaft. Der Einsatz im Bereich der Mobilität dürfte u. E. erst später an Intensität zunehmen, so dass aktuell Investments in Basistechnologien und Infrastruktur am aussichtsreichsten erscheinen.

Langfristig hervorragend positioniert sind die Industriegasehersteller Air Liquide (WKN: 850133) und Linde plc (WKN: A2DSYC), die beide ein nahezu komplettes „Ökosystem“ rund um H2 anbieten und die wir als eine Art Basisinvestment erachten. So hat Linde im Mai dieses Jahres ein neues Geschäftsfeld „Clean Hydrogen“ zur Bündelung der Ressourcen rund um das Thema Wasserstoff gegründet. Derzeit entfallen auf die Wasserstoffproduktion, den -Vertrieb, die -Speicherung und die Anwendung von Wasserstoff mehr als 2 Mrd. USD Umsatz (Konzern-Umsatz 2019: 28 Mrd. USD).


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