Wasserstoff: Wertschöpfungsketten und Anwendungsfelder

Die im Juni 2021 beschlossene Verschärfung der Klimaschutzziele sieht eine Netto-Treibhausgas (THG)-Neutralität bis zum Jahr 2045 vor. Diese Vollendung der Energiewende setzt erhebliche Anstrengungen insbesondere beim weiteren Ausbau von Photovoltaik (PV) und Windkraft voraus. Nach dem Strommarktmodell der BET muss die installierte PV-Leistung mehr als verdreifacht werden, während sich die Windkraft an Land mehr als verdoppelt und auf See gar verneunfacht.

Mit dem Voranschreiten der Energiewende ergeben sich neue Herausforderungen. So sind die dominanten Technologien volatil. Um die Stromnetze nicht zu überlasten und stets ein ausgeglichenes Verhältnis von Angebot und Nachfrage an elektrischer Energie sicherstellen zu können, sind Flexibilität von Last und Erzeugung sowie Energiespeicher erforderlich.

Doch lassen sich nicht alle Anwendungsfälle problemlos auf erneuerbare Energien (EE) umstellen. Beispielsweise reichen die durch erneuerbare Wärmequellen wie Solarthermie oder Biomasse erreichbaren Temperaturniveaus nicht aus, um damit Hochtemperaturprozesse in der Industrie dekarbonisieren zu können. Weitere Beispiele sind Flug-, Schiffs- und Schwerlastverkehr. Während die Neuzulassungen elektrischer Pkw rapide steigen, wird eine EE-basierte Elektrifizierung den Anforderungen in den drei genannten Transportsektoren nicht gerecht. Insbesondere hinsichtlich der Reichweite und des Masseverhältnisses zwischen Batteriespeicher und Fahrzeug stößt die Elektrifizierung hier an ihre Grenzen. Alternative klimafreundliche Energieträger sind zwingend erforderlich.

Tätigkeitsfelder und Anwendungsfälle für Unternehmen

Wasserstoff lässt sich technisch in zahlreichen Anwendungsfällen in der Industrie, dem Verkehrssektor, dem Gebäudebereich und der Energiewirtschaft einsetzen. Aufgrund der in der ersten Phase des Markthochlaufs noch vergleichsweise hohen Kosten grünen Wasserstoffs und der beschränkten Verfügbarkeit wird das Gas jedoch auch als der „Champagner unter den Energieträgern“ bezeichnet [2; 3], mit dem vor allem Anwendungen dekarbonisiert werden sollten, für die andere EE-Lösungen technisch nicht geeignet sind.

Insbesondere im Verkehr und in der Industrie ist laut verschiedenen Studien mit einem hohen Einsatz von Wasserstoff in Deutschland zu rechnen (Bild 1) [4].

Neben dem heimischen Markt bieten zukünftig auch internationale Kunden signifikante Absatzchancen. Bis 2050 könnte die weltweite Wasserstoffnachfrage pro Jahr bei förderlichen politischen Rahmenbedingungen auf 27 500 TWh Wasserstoff und damit knapp um den Faktor 13 steigen. Dies würde bis 2050 weltweit Investitionen in die Wasserstoffinfrastruktur in Höhe von über 9 Bio. € erfordern [5; 6].

Zur Verdeutlichung des bestehenden Potenzials für Unternehmen wurden in der Studie drei Tätigkeitsfelder und sieben Anwendungsfälle in der Wasserstoffwirtschaft ausgewählt und beleuchtet. Während die Tätigkeitsfelder Chancen für Hersteller und Zulieferer von Materialien und Komponenten entlang der Wertschöpfungskette adressieren, beschreiben die Anwendungsfälle Möglichkeiten der Wasserstoffnutzung in den Sektoren Industrie, Verkehr, Gebäude und Energieerzeugung (Bild 2).

Über die verschiedenen Anwendungsfelder hinweg ergeben sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette Potenziale für bestehende und zukünftige Hersteller von Komponenten für den Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur. In verschiedenen Anwendungsgebieten benötigte Komponenten sind beispielsweise Turbinen zur Stromerzeugung, Brenner (unter anderem zur Wärmeerzeugung), diverse Materialien und Komponenten zum Bau von Brennstoffzellen und Wasserstoffsensoren (unter anderem für Mobilitätsanwendungen).

Handlungsfelder zur Unterstützung des Markthochlaufs

Um das aufgezeigte Potenzial für einheimische Unternehmen nutzbar zu machen, ist jedoch ein ambitionierter Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft erforderlich, um Unternehmen die Entwicklung und Erprobung innovativer Technologien und Dienstleistungen zu ermöglichen und einen technologischen Vorsprung im internationalen Wettbewerb zu erlangen. Vor diesem Hintergrund identifizierte die Studie zehn Handlungsfelder:

1) Markthochlauf am Ziel der Klimaneutralität ausrichten

Bisherige Studien zeigen, dass signifikante Mengen an Wasserstoff vor allem dann benötigt werden, wenn – wie mit der Novellierung des Klimaschutzgesetzes gesetzlich verankert – die Klimaneutralität angestrebt wird. Dafür sind ein rascher Ausbau und Hochlauf der Wasserstofftechnologie zwingend erforderlich. Die geplanten Änderungen sollten hierzu von konkreten Maßnahmen zur Förderung des EE- und H₂-Hochlaufs sowie zur Schaffung der notwendigen Rahmenbedingungen begleitet werden. Diese sollten auch Unternehmen des industriellen Mittelstandes ermöglichen, an der Wertschöpfung der Wasserstoffwirtschaft teilzuhaben.

2) Ambitionierten Ausbau der erneuerbaren Energien vorantreiben

Der Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung sollte dem Ziel der Klimaneutralität entsprechen und dabei den zusätzlichen Bedarf, der durch die inländische Produktion von grünem Wasserstoff entsteht, berücksichtigen. Die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) jüngst korrigierte Strommengenprognose für das Jahr 2030 (645 bis 665 TWh) geht bereits in die richtige Richtung. BET prognostiziert mit ihrem Strommarktmodell mit 653 TWh eine ähnliche Größenordnung. Notwendig sind jedoch auch eine Anhebung der Ausbauziele aus dem EEG 2021 sowie ein kontinuierliches Monitoring der Stromnachfrage, um bei Bedarf den Strommengenpfad anpassen zu können.

3) Technologieoffenheit gewährleisten

Für einen schnellen und kosteneffizienten Markthochlauf in der Anwendung sind blauer und türkiser Wasserstoff mögliche Übergangslösungen. Auch Wasserstoff als Nebenprodukt der chemischen Industrie, der heute bereits kostengünstig verfügbar ist, sollte berücksichtigt werden.

4) Politische Debatte zu blauem Wasserstoff als Übergang anregen

Die große Mehrheit energiewirtschaftlicher Studien geht davon aus, dass zur Erreichung der Klimaschutzziele von Paris die Abspaltung und Speicherung beziehungsweise Nutzung von Kohlenstoffdioxid eine erforderliche Technologie ist. Gleichzeitig ermöglicht sie auch die inländische Produktion von blauem Wasserstoff. Vor diesem Hintergrund sollte ein ergebnisoffener politischer und gesellschaftlicher Diskurs begonnen werden.

5) Internationale Partnerschaften und Märkte aufbauen

Selbst mit einem ehrgeizigen Ausbau der erneuerbaren Energien wird eine ausreichende Wasserstoffproduktion allein in Deutschland nicht gelingen. Eine sichere und kosteneffiziente Energieversorgung ist in Deutschland nur mit ausreichenden Importmengen zu erreichen. Das gilt insbesondere für Wasserstoff. Aus diesem Grund sollten internationale Partnerschaften frühzeitig aufgebaut und intensiviert werden, um den steigenden Wasserstoffbedarf durch dort entstehende Erzeugungskapazitäten bedienen zu können. Zusätzlich wird auch ein europäischer und außer-europäischer Markt für handelbare, klimaneutrale Rohstoffe vonnöten sein.

6) Transparente Förderprogramme für Wasserstoff einrichten

Entlang der Wertschöpfungskette fallen beachtliche Investitionsbedarfe für den Aufbau von Erzeugungs-, Transport-, Speicher- und Verteilkapazitäten an. Gleichzeitig müssen technische Anlagen auf der Verbraucherseite „Wasserstoff-ready“ gemacht werden. Um die Ziele für den Hochlauf des Wasserstoffs entsprechend den Strategien der Bundesregierung zu erreichen, sind Förderprogramme für alle Stufen der Wertschöpfungskette notwendig, die auch für kleine und mittelständische Unternehmen zugänglich sind und besonders in der Phase bis 2030 die nationale Erzeugung im Fokus haben müssen. Angesichts der mehrere Jahrzehnte umspannenden Investitionszyklen bei der Infrastruktur und in vielen Industriebereichen ist eine zeitnahe Förderung von Wasserstofftechnologien essenziell.

7) Genehmigungsverfahren vereinfachen

Beim Bau von Wasserstoffinfrastruktur stoßen heutige Vorhaben häufig auf Unsicherheit und (teilweise daraus resultierende) lange Bearbeitungszeiten bei der Genehmigung. Hier ist es wichtig, einen gemeinsamen Rahmen für die Genehmigung von Elektrolyseuren, Netzen, Speichern, Tankstellen usw. zu schaffen und die zuständigen Kommunen durch die transparente Aufbereitung von relevanten Vorschriften und Auslegungsgrundsätzen zu unterstützen.

8) Regulierung von Wasserstoffnetzen weiterentwickeln

Mit der im Juli 2021 veröffentlichten EnWG-Novelle wird das „Wasserstoffnetz“ als eigenständiger Begriff im EnWG definiert. Dabei wurde eine Opt-In-Regelung geschaffen, bei der jeder Betreiber von Wasserstoffleitungen selbst entscheiden kann, ob er sich der Regulierung unterwerfen oder unreguliert bleiben möchte. Diese getrennte Betrachtung von Erdgas- und Wasserstoffnetzen erhöht jedoch den Bedarf zur Erarbeitung neuer Regulierung und führt zu Umstellungsaufwand bei den Netzbetreibern. Langfristig sollte geprüft werden, ob nicht über eine Ausweitung des bestehenden und erprobten Regulierungsrahmens für Erdgasnetze auf Wasserstoff eine zügigere und einfachere Lösung erreicht werden kann.

9) Informationsaustausch stärken

Deutschland zeichnet sich unter anderem durch eine leistungsstarke Forschungslandschaft aus. Die zahlreichen Institute, die bereits zu den verschiedenen Wasserstofftechnologien forschen, sollten gestärkt werden, um weitere Forschungsfelder erschließen zu können. Darüber hinaus sollten Querschnittsbereiche in der Energie- und Umweltwirtschaft enger verzahnt werden. Eine wichtige Grundlage für die Steuerung des Markthochlaufs ist zudem eine verlässliche Zahlenbasis hinsichtlich des energetisch und stofflich genutzten Wasserstoffs in Deutschlands. Hier sollten zentrale Kennzahlen wie jährliche Wasserstoffproduktion und -verbrauch systematisch erfasst, in die Energiestatistiken aufgenommen und zeitnah publiziert werden.

10) Zeitnah eine verbindliche Definition von grünem Wasserstoff festlegen

Als zehnte Maßnahme forderte das Impulspapier die zeitnahe Definition von „grünem Wasserstoff“, um Rechtssicherheit für die bereits geplante Befreiung von Elektrolyseuren von der EEG-Umlage zu schaffen. Auch die Bundesregierung hatte die Dringlichkeit dieses Themas offensichtlich erkannt. Eine entsprechende Definition trat im Juli 2021 mit der „Verordnung zur Umsetzung des Erneuerbare Energien Gesetzes 2021 und zur Änderung weiterer energierechtlicher Vorschriften“ in Kraft.

Literatur

1. Unruh, O. et al.: Wasserstoff – Chancen für die Wirtschaft in NRW – Impulspapier im Auftrag von IHK NRW. BET (2021): https://www.bet-energie.de/fileadmin/redaktion/PDF/Studien_und_Gutachten/IHK_Impulspapier_Wasserstoff_NRW.pdf (abgerufen am 13.9.2021).
2. Dönisch, A.: Wasserstoff ist der Champagner unter den Energieträgern. RNZ (2020): https://www.rnz.de/politik/hintergrund_artikel,-energiewende-wasserstoff-ist-der-champagner-unter-den-energietraegern-_arid,520151.html (abgerufen am 13.9.2021).
3. Staude, J.: Wasserstoff – teurer Champagner der Energiewende. Bizz energy (2020): https://bizz-energy.com/wasserstoff-der-teure-champagner-der-energiewende (abgerufen am 7.9.2021).
4. Seier, S.; Ottersbach, J.: BET-Metaanalyse Zukunft Gas: Ambitionierte Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie erforderlich. Pressemitteilung vom 18.6.2020: https://www.bet-energie.de/fileadmin/redaktion/PDF/Veroeffentlichungen/2020/BET-Pressemitteilung-Wasserstoffstrategie-Juni2020.pdf (zuletzt abgerufen am 7.9.2021; die Szenarien berücksichtigen nicht die bereits heute verwendeten 55 TWh Wasserstoff zur stofflichen Nutzung in der Industrie).
5. BloombergNEF: Hydrogen Economy Outlook. März 2020: https://data.bloomberglp.com/professional/sites/24/BNEF-Hydrogen-Economy-Outlook-Key-Messages-30-Mar-2020.pdf (zuletzt abgerufen am 7.9.2021).
6. Stolten, D.; Cerniauskas, S. et al.: Wissenschaftliche Begleitstudie zur Wasserstoff Roadmap Nordrhein-Westfalen. Forschungszentrum Jülich, 9.11.2020: https://www.in4climate.nrw/fileadmin/Veranstaltungen/2020/20201109_Wasserstoff-Roadmap_Duesseldorf/H2-Roadmap-NRW-wissenschaftliche-Begleitung-Vortrag-Detlef-Stolten-2020-11-09.pdf (zuletzt abgerufen am 7.9.2021).