Update: 23. April 2022 

Obwohl die Umsätze mit grünem Wasserstoff noch überschaubar sind, ist die Dynamik der Entwicklung enorm. Auch der Ukraine-Krieg schiebt die Debatte um den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft noch einmal deutlich an. Ergebnis ist auch eine große Zahl von Aktualisierungen im Wasserstoff-Dossier von ContextCrew Neue Energie:

Den Zugriff auf sämtlich im Dossier hinterlegten Berichte, Übersichten und Analysen ermöglicht der Digitalpass Wasserstoff. Auch Kunden mit Premium-Abonnement oder Digitalabonnement haben Zugriff auf alle Inhalte des Wasserstoff-Dossiers von ContextCrew Neue Energie.

Das Thema Wasserstoff – insbesondere in seiner Ausprägung als grüner Wasserstoff – hat in den vergangenen Jahren enorm an Fahrt aufgenommen. Ging es in einer frühen Phase der Debatte insbesondere um die Funktion von grünem Wasserstoff als Energiespeicher über Power-to-Gas-Lösungen, um Ungleichgewichte an den Strommärkten auszugleichen, ist der Horizont der Wasserstoffwirtschaft inzwischen deutlich weiter gezogen. Die Sektorkopplungs-Technologie eignet sich in besonderer Weise etwa auch zur Dekarbonisierung von Industrieprozessen, beispielsweise in der Stahl- oder der Chemieindustrie. (Nachweis für Beitragsbild: Malp – stock.adobe.com)

Noch ist grüner Wasserstoff teuer – das Bonmot vom Champagner der Energiewende machte wiederholt die Runde. Allerdings sind die Kostenprognosen schon heute deutlich günstiger als noch vor wenigen Jahren, als Zeiträume bis 2040 erwartet wurden, bis der aus erneuerbaren Energien bereitgestellte Strom einen wettbewerbsfähigen Wasserstoff erzeugen kann. Auch ist die Zahl an Interessenten am Thema Wasserstoff stark gestiegen, vom kleineren Stadtwerk, das auf dezentrale Wasserstofflösungen setzt, bis hin zu Großkonzernen mit fossiler Provenienz, die im grünen Wasserstoff etwa aus großen Offshore-Windenergieanlagen ein geeignetes Geschäftsmodell für eine Post-fossile Energieära sehen.

Das vorliegende Dossier Grüner Wasserstoff: Hochlauf, Technologien und Geschäftsmodelle ist die Plattform für den Digitalpass Wasserstoff, den ContextCrew Neue Energie ohne Abonnementbindung im Einzelverkauf anbietet.

Die Inhalte des Wasserstoff-Dossiers im Überblick

  1. Wirtschaftlichkeit
    – Welche Alternativen gibt es zur langfristigen Speicherung von Strom?
    – Spezifische Investitionskosten für Wasserstoff- und Power-to-Gas-Anlagen
    – Kostenwettbewerb zwischen grünem, grauem und blauem Wasserstoff
    – Wann wird grüner Wasserstoff wirtschaftlich?
    – In welchen Anwendungen wird grüner Wasserstoff zuerst wirtschaftlich?

  2. Die Akteure beim Aufbau einer grünen Wasserstoffwirtschaft
    – Unternehmen der Gaswirtschaft
    – Stahlindustrie hat bei Dekarbonisierung keine andere Wahl
    – Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen
    – Energieversorger und sonstige Unternehmen

  3. Technologische Fortschritte
    – Wirkungsgrad der Herstellung von grünem Wasserstoff
    – Welche Forschungsprojekte könnten den Wirkungsgrad steigern?
    – Vergleich verschiedener Elektrolyse-Verfahren
    – Wichtige Forschungsstandorte

  4. Rahmenbedingungen
    – Diskussion über geeignete Flankierung des Markthochlaufs
    – Deutsche und europäische Wasserstoffstrategie
    – Fairer Wettbewerb am entstehenden Markt für grünen Wasserstoff gefordert
    – Reallabore setzen regulatorische Hemmnisse außer Kraft

  5. Ausbaupotenzial
    – Welche Projekte für Wasserstoff und Power-to-Gas entstehen?
    – Was spricht für einen zentralen und was für einen dezentralen Ansatz?
    – Welche Regionen wollen die Wasserstofferzeugung aus grünem Strom fördern?
    – Kann der zukünftige Gasbedarf komplett durch Grüngas gedeckt werden?

  6. Internationaler Handel mit Wasserstoff und Importbedarf
    – Weltweite Potenziale für den Export von grünem Wasserstoff
    – Aufbau einer Infrastruktur für den Wasserstofftransport
    – Heimischer Wasserstoff versus Importe

     

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I. Wirtschaftlichkeit

Mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien gewinnt die Energiespeicherung immer mehr an Bedeutung. Kurzzeitige Schwankungen können durch viele Speicherarten wie beispielsweise Batteriespeicher ausgeglichen werden. Zum Ausgleich von saisonalen Schwankungen in Stromnachfrage und -angebot eignen sich prinzipiell verschiedene Speicherarten, allerdings sind bestimmte technische Voraussetzungen zwingend zu erfüllen. Dazu zählt, dass saisonale Speicher eine hohe Speicherkapazität aufweisen müssen. Des Weiteren dürfen die Energieverluste auch bei der Speicherung über längere Zeiten nicht sehr hoch sind. >> Grüner Wasserstoff, Pumpspeicher und Batterien

Spezifische Investitionskosten für Power-to-Gas-Anlagen

In den nächsten Jahren wird der Wirkungsgrad von Elektrolyseuren steigen und die Investitionskosten werden mit der Kommerzialisierung der Technologie sinken. In dieser Prognose stimmen alle Studien überein, doch die Prognosen für 2030 bzw. 2050 variieren deutlich.

Wie entwickeln sich die Investitionskosten von Elektrolyseuren?

Kosten von grauem und blauem Wasserstoff noch deutlich geringer

Noch sind die spezifischen Investitionen für die Gewinnung von Wasserstoff durch die Erdgasreformierung mit rund 650 € je kW installierter Leistung deutlich geringer. Allerdings wird die Technologie bereits großtechnisch genutzt, so dass keine signifikanten Kostensprünge erwartet werden. Nach einer Prognose des Wuppertal Instituts für Klima, Umwelt, Energie aus dem Jahr 2018 werden die spezifischen Investitionskosten der Elektrolysetechnologie zwar aufgrund der geringen Marktpenetration auch 2020 noch hoch sein, bis zum Jahr 2050 jedoch durch Skalen-, Lern- und technologische Entwicklungseffekte deutlich sinken.

Wann wird grüner Wasserstoff wettbewerbsfähig mit Wasserstoff aus fossilen Quellen?
Lesen Sie hier mehr zu den Kostenprognosen verschiedener Studien.

In einer Studie von Ende 2020 sagt Aurora Energy Research für Europa bis 2050 einen Bedarf an Wasserstoff von 2.500 TWh voraus, was einem Marktvolumen von 120 Mrd. € entspräche. Dabei sei Deutschland am attraktivsten für Investitionen in grünen Wasserstoff.

Wann werden grüner Wasserstoff und Power-to-Gas wirtschaftlich?

Gegenwärtig ist grüner Wasserstoff ohne Förderung wirtschaftlich noch nicht darstellbar. Eine Analyse der AEE vom Dezember 2019 macht deutlich, dass die Produktionskosten bei „ökologisch sinnvollem, netzdienlichen Anlagenbetrieb“ um ein Vielfaches über den Preisen für fossiles Erdgas liegen, rechnet man EEG-Umlage und Netzentgelte mit ein, wird der Faktor 10 weit übertroffen. Die politische Entwicklung geht indes in die Richtung, die externen Kosten für fossile Energien in den Preisen abzubilden, was den grünen Energien – auch dem grünen Wasserstoff – in die Karten spielt.

Wann Power-to-Gas die Wirtschaftlichkeitsschwelle erreicht, ist dennoch schwer abschätzbar. Die Entwicklung der Jahre 2020 und 2021 zeigt, dass Skaleneffekte beim Ausbau der Wasserwirtschaft in Verbindung mit Preissignalen und der Internalisierung externer Kosten bei fossilen Energieträgern wichtige Faktoren für die Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff sind. Die Dynamik der Entwicklung beschleunigt hier Vieles.

PtG-Experte Marc Grünewald von MAN Energy Solutions sagte in einem Interview, dass auch industrielle Anlagen erst wirtschaftlich werden, wenn alle CO2-Emissionen einen Preis bekommen. Das Augsburger Maschinenbau-Unternehmen bietet bereits industrielle PtG-Anlagen an und rechnet mit sinkenden Kosten durch Skaleneffekte.

Experten, die von der Strategieberatung nymoen im Auftrag der Initiative Zukunft Erdgas befragt wurden, können sich eine Wirtschaftlichkeit bis etwa 2030 vorstellen. Andere Beobachter wie der ehemalige RWE-Vorstandschef Rolf Martin Schmitz gingen vor wenigen Jahren davon aus, dass PtG-Anlagen frühestens 2040 wirtschaftlich zu betreiben sein werden. Energy Brainpool prognostizierte 2019 in einer für Greenpeace Energy erstellten Studie, dass Elektrolyseure mit einer Leistung von bis zu 115 GW um das Jahr 2040 in Deutschland wirtschaftlich werden können.

In welchen Anwendungen wird grüner Wasserstoff zuerst wirtschaftlich?

Wasserstoff kann in den unterschiedlichsten Sektoren zum Einsatz kommen. Im Stromsektor kann grüner Wasserstoff als Speicher dienen, wenn die Menge an dargebotsabhängiger Stromerzeugung deutlich gestiegen ist. Eine große Bedeutung spielt grüner Wasserstoff insbesondere in der Industrie, etwa bei der Stahlerzeugung oder in der chemischen Industrie. Auch im Verkehr gibt es vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wobei der Fokus hier auf den Bereichen Schwerlastverkehr und Schiffsverkehr liegt. Anwendungen im Flugverkehr befinden sich noch in einer frühen Entwicklungsphase. Im Individualverkehr auf den Straßen punktet die batterieelektrische Elektromobilität mit deutlich höherer Effizienz.

Die „Potenzialstudie Wasserstoff“ von dem Ingenieurunternehmen IPP ESN Power Engineering hat die Wirtschaftlichkeit von verschiedenen Anwendungen untersucht. Dabei kommen die Forscher zu dem Ergebnis, dass Anwendungen im Bereich der Mobilität zuerst wirtschaftlich werden. Das sei vor allem bei wasserstoffbetriebenen Zügen und Abfallsammelfahrzeugen sowie Bussen mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor der Fall. Unter den derzeitigen regulatorischen Rahmenbedingungen und angesichts der aktuellen Kosten sei jedoch aktuell noch keine der untersuchten Wasserstoff-Anwendung wirtschaftlich.

Auch das Bundesverkehrsministerium sieht in der Wasserstoffmobilität viel Potenzial und fördert folglich sechs Projekte mit insgesamt 23,5 Mio. €. „Wasserstoff, Brennstoffzelle und Strom bewegen die Zukunft. Wir haben in den vergangenen Jahren viele Studien und Pilotprojekte gesehen. Die brauchen wir jetzt real auf der Straße“, sagte Bundesverkehrsminister Andreas Scheuer (CSU).

Sie wollen wissen, ob die Nutzung von grünem Wasserstoff wirtschaftlich für Sie wäre? Hier können Sie mit dem Wasserstoffrechner von PwC die Wirtschaftlichkeit Ihres Projekts abschätzen.

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II. Die Akteure beim Aufbau einer grünen Wasserstoffwirtschaft

Die Akteure, die derzeit den jungen Markt für grünen Wasserstoff betreten, sind vielfältig. Dazu zählen insbesondere Stadtwerke, Gasunternehmen, Stahlwerke und Elektrolyseurhersteller.

Unternehmen der Gaswirtschaft

Bisher genutzte Erdgasspeicher lohnen sich nicht mehr, da sich die Erdgaspreise zwischen Sommer und Winter nicht mehr erheblich unterschieden. In der Folge werden Erdgasspeicher zunehmend zur Speicherung von grünem Wasserstoff genutzt, der im Rahmen der Energiewende als langfristige Speichermöglichkeit benötigt wird.

Eine Vorreiterrolle nimmt dabei der Energiedienstleister EWE ein, der derzeit eine Wasserstoff-Testkaverne im brandenburgischen Rüdersdorf baut. Im Rahmen des Projekts erhofft sich das Unternehmen Erkenntnisse darüber, welchen Reinheitsgrad der Wasserstoff aus der Kaverne hat, wenn er eine Zeitlang in der Kaverne gespeichert wurde. Dieses Kriterium sei besonders wichtig für die Wasserstoffanwendung im Mobilitätssektor. Auch in anderen Projekten wird die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen untersucht, etwa im Projekt H2Cast.

Projekte zur Speicherung von Wasserstoff
Hier finden Sie eine Übersicht mit Projekten zur Speicherung von Wasserstoff.

Auch in den Erdgasnetzen kann Wasserstoff gespeichert werden, Forschungsprojekte sollen zeigen, wie hoch der Anteil von Wasserstoff ist, der dem Erdgas problemlos zugemischt werden kann. Eine Anlage von Linde in Dormagen zeigt, wie einem Erdgas-Wasserstoff-Gemisch wieder reiner Wasserstoff entnommen werden kann.

Projekte zum leitungsgebundenen Transport von Wasserstoff

Gasunternehmen spielen jedoch nicht nur bei der Speicherung von Wasserstoff eine Rolle, sie wollen sich auch als Erzeuger und Projektentwickler zukunftsfähig aufstellen. Gasnetz-Betreiber OGE hat beispielsweise gemeinsam mit dem Tüv Süd und der Unternehmensberatung Horváth & Partners den Projektentwickler evety gegründet. Evety wird die Kompetenzen der drei Partner bündeln und Lösungen für die verschiedenen Anwendungsbereiche von grünen Wasserstofftechnologien anbieten.

Stahlindustrie hat bei Dekarbonisierung keine andere Wahl

Die Stahlproduktion ist für rund 30 Prozent der CO2-Emissionen in der Industrie verantwortlich und kann nicht elektrifiziert werden. Deswegen soll grüner Wasserstoff in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung der Strahlproduktion spielen. Das betonte das Bundeswirtschaftsministerium bei der Vorlage des “Handlungskonzepts Stahl“, das Mitte Juli 2020 vom Bundeskabinett beschlossen wurde. In dem Konzept werden nicht nur geplante Maßnahmen ausgeführt, sondern es wird auch ein Überblick über bestehende Förderprogramme für den Einsatz von Wasserstoff in der Stahlindustrie geschafft.

Um künftig grünen Wasserstoff für die Stahlproduktion nutzen zu können, sind einige Stahlhersteller bereits Kooperationen mit anderen Akteuren eingegangen. Damit wollen sich die Stahlwerke grünen Wasserstoff für die Stahlproduktion sichern.

Stahlhersteller setzen auf grünen Wasserstoff
Die Stahlindustrie setzt zunehmend auf grünen Wasserstoff, um die Stahlherstellung der Zukunft klimafreundlich realisieren zu können. Hier finden Sie Wasserstoff-Projekte der Stahlindustrie.

Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen

Die Fraunhofer-Gesellschaft geht in ihrer Wasserstoff-Roadmap davon aus, dass deutsche Hersteller im Jahr 2050 bei Elektrolyse und Brennstoffzellen eine Wertschöpfung von etwa 32 Mrd. € erreichen könnten.

Die Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen stehen dafür bereits in den Startlöchern, die Produktionskapazitäten werden ausgebaut und die Kosten reduziert. Hier finden Sie einen Überblick von Neuigkeiten aus der Branche:

Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen stehen in den Startlöchern
In dieser Übersicht finden Sie Neuigkeiten rund um Elektrolyseur-Hersteller.

Energieversorger und weitere Player

In Mainz hat der Papierhersteller Essity ein Pilotprojekt, um eine Papiermaschine mit grünem Wasserstoff CO2-frei zu betreiben. Mit dem Projekt, das das erste dieser Größenordnung in der Papierindustrie ist, will Essity zeigen, dass auch eine energieintensive Produktion CO2-frei möglich ist. Kooperationspartner von Essity sind die Mainzer Stadtwerke.

Unter dem Strich gibt es immer mehr Akteure, die sich dem Thema Wasserstoff zuwenden, Technologien weiterentwickeln und Marktchancen nutzen wollen. Bis 2021 sind die tatsächlichen Umsätze mit grünem Wasserstoff in Deutschland aber noch gering. Dessen ungeachtet entwickeln sich zunehmend neue Anknüpfungspunkte, wie der Markt für grünen Wasserstoff betriebswirtschaftlich schlüssig adressiert werden kann. Einige Schlaglichter bietet unsere Übersicht:

Geschäftsmodelle im Bereich Wasserstoff und Power-to-Gas

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III. Technologische Fortschritte

Gründe für den prognostizierten Rückgang der LCOS sind die erwartete Kommerzialisierung der Produktion, mit der die Investitionskosten sinken werden, sowie ein durch technologische Fortschritte steigender Wirkungsgrad.

Wirkungsgrad der Herstellung von grünem Wasserstoff

Bei der Umwandlung von Solar- oder Windstrom in Wasserstoff über die Elektrolyse geht nämlich ein Teil der eingesetzten Energie als Abwärme verloren. Wird der Wasserstoff dann zu synthetischem Methan aufbereitet, um in beliebiger Menge in das Netz eingespeist zu werden, muss erneut Energie aufgebracht werden, was die Nettobilanz der Umwandlung weiter verschlechtert. Wird das Methan dann wieder etwa über Gaskraftwerke zurückverstromt, bleibt unter dem Strich nur eine geringe Nutzung der ursprünglich eingebrachten Energie übrig.

Die Übersicht Welche Wirkungsgrade werden bei der Wasserstofferzeugung erreicht? gibt einen Überblick über die Berichte von ContextCrew Neue Energie mit Schwerpunkt auf dem Thema Wirkungsgrad. Die Übersicht wird im Zuge der weiteren Berichterstattung ergänzt. (Letztes Update: April 2022)

Nach einer im April 2018 präsentierten Meta-Studie der Agentur für Erneuerbare Energien (AEE) könnte der Wirkungsgrad der Elektrolyse bis 2030 von heute 59 bis 82 Prozent auf immerhin 70 bis 93 Prozent ansteigen. Bis 2050 wird in den Studien ein Wirkungsgrad zwischen 76 und 93 Prozent prognostiziert. Der Prozessschritt der Methanisierung erreiche heute schon einen Wirkungsgrad zwischen 70 und 83 Prozent. Bis 2030 werden zwischen 84 und 89 Prozent erwartet, bis 2050 bis zu 90 Prozent.

Im Rahmen des rSOC-Projekts soll bis 2021 eine reversible Festoxid-Brennstoffzelle in den Markt eingeführt werden, die im Testbetrieb einen Wirkungsgrad von über 80 Prozent aufgewiesen hat. Damit lässt sich nicht nur mit Hilfe von erneuerbarem Strom Wasserstoff herstellen, sondern auch wieder in Strom und Wärme umwandeln. Lesen Sie hier mehr über das sogenannte Power-to-Gas-to-Power (PtGtP).

Welche Forschungsprojekte könnten den Wirkungsgrad steigern?

Die Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Power-to-Gas-Prozesses sind vielfältig – und der Forschungsbedarf erheblich. Es gibt eine Vielzahl von großen und kleinen Forschungsvorhaben, die sich mit Technologie und Perspektiven von Power-to-Gas im Rahmen von Energiewende und Sektorkopplung befassen.

Wichtige Forschungsprojekte
Lesen Sie hier mehr zu den Forschungsprojekten, die den Wirkungsgrad der Power-to-Gas-Technologie steigern sollen.

Vergleich verschiedener Elektrolyse-Verfahren

Einen Überblick über die unterschiedlichen Power-to-X-Technologien hat das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie veröffentlicht. Das Institut zeigt dabei auf, welcher Forschungsbedarf bei den einzelnen Verfahren noch besteht.

Einen weiteren Überblick über die Entwicklung der Systemkosten bietet auch folgender Artikel: Wasserelektrolyse: Welche Technologie wird sich bei der Herstellung von Wasserstoff durchsetzen? Diese chemischen Verfahren zur Produktion von grünem Wasserstoff kommen jedoch nur in Frage, wenn eine Solar- oder Windkraftanlage in der Nähe errichtet werden kann. Es gibt auch Verfahren, die auf den Einsatz von Biomasse setzen. Ein fermentatives Verfahren wird beispielsweise im Rahmen des Projekts „HyPerFerMent“ getestet.

Wichtige Forschungsstandorte

Deutschland bekommt ein Innovationszentrum für Wasserstofftechnologie (ITZ) – mit mehreren Standorten. Den Zuschlag bekommen Chemnitz (Sachsen), Duisburg (Nordrhein-Westfalen) und Pfeffenhausen (Bayern) sowie ein Konsortium in Norddeutschland. Bis Ende 2024 stehen bis zu 290 Mio. € für die Standorte des Wasserstoffzentrums zur Verfügung.

Wichtig für die Wasserstoffforschung wird zukünftig auch der Standort Görlitz sein, an dem Siemens und die Fraunhofer-Gesellschaft ein Labor für die Wasserstoffforschung aufbauen wollen. Dort soll die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff untersucht werden.

Im südthüringischen Sonneberg ist zudem das Hyson-Institut eingeweiht worden. Zunächst geht es in drei Forschungsprojekten um Beschichtungsverfahren für Erdgasleitungen für den Wasserstofftransport, die Nutzung von Elektrolysenebenprodukten (wie z.B. Sauerstoff) in der Medizin und um neue Reinigungsverfahren für Wasserstoff-Produkte vor dem Brennstoffzellen-Einsatz.

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IV. Rahmenbedingungen

Die Wirtschaftlichkeit von Windgas oder Power-to-Gas wird nicht nur durch Fragen der Anlageneffizienz und -auslastung bestimmt, sondern ist auch abhängig von den regulatorischen Rahmenbedingungen.

Diskussion über geeignete Flankierung des Markthochlaufs

Dass grüner Wasserstoff auch für die neue Regierung aus SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP eine wichtige Rolle spielt, zeigt sich im Koalitionsvertrag. Bis 2030 soll Deutschland ein Leitmarkt für Wasserstofftechnologien werden, dafür wollen die Koalitionspartner ein ambitioniertes Update der Nationalen Wasserstoffstrategie erarbeiten. Im Dezember 2022 hat das BMWi 900 Mio. € für das Förderinstrument H2Global bewilligt, das den internationalen Hochlauf unterstützen soll. Bundeswirtschaftsminister Robert Habeck (Grüne) machte deutlich, dass in Sachen grüner Wasserstoff angesichts der erforderlichen Entwicklungszeiträume kein Tag verschwendet werden dürfe. Den Verzicht auf Anwendungsbeschränkungen beim Einsatz von grünem Wasserstoff begrüßt ein großer Teil der Stakeholder.

Fördermittel für Projekte im Wasserstoffbereich
Die Zahl der Projekte, aber auch der Förderinstrumente zur Mobilisierung privaten Kapitals nehmen stetig zu. In einer neuen Übersicht fassen wir die wichtigsten Entwicklungen zusammen.

Nationale Wasserstoffstrategie und europäische Wasserstoffstrategie

Die Bundesregierung, deren Amtszeit Ende 2021 endete, hat in der Nationalen Wasserstoffstrategie bis 2030 einen Wasserstoffbedarf von ca. 90 bis 110 TWh festgelegt. Um einen Teil dieses Bedarfs zu decken, sollen bis zum Jahr 2030 in Deutschland Erzeugungsanlagen von bis zu 5 GW Gesamtleistung einschließlich der dafür erforderlichen Offshore- und Onshore-Energiegewinnung entstehen. Dies entspricht einer grünen Wasserstoffproduktion von bis zu 14 TWh und einer benötigten erneuerbaren Strommenge von bis zu 20 TWh. Für den Zeitraum bis 2035 werden nach Möglichkeit weitere 5 GW zugebaut, spätestens bis 2040. Die neue Bundesregierung will die Ziele anheben.

Die EU-Wasserstoffstrategie sieht vor, dass bis 2024 die Installation von Elektrolyseuren mit mindestens sechs Gigawatt Leistung zur Produktion von bis zu einer Million Tonnen grünen Wasserstoffs gefördert werden. Bis 2030 sollen 40 Gigawatt installiert sein und bis zu zehn Mio. Tonnen erneuerbaren Wasserstoff erzeugen. Das soll der Dekarbonisierung der vorhandenen Wasserstoffproduktion, dem industriellen Bereich wie Chemie und vielleicht noch im Schwerlasttransport dienen. Das EU-Gasmarktpaket adressiert den Aufbau der erforderlichen Transportinfrastruktur.

Sowohl die Ziele Deutschlands als auch der EU sind ambitioniert. Doch welche Unterschiede gibt es in den beiden Strategien? Das haben Silke Goldberg und Marius Boewe von der Sozietät Herbert Smith Freehills in einer Fachbeitrag herausgearbeitet.

Fairer Wettbewerb am entstehenden Markt für grünen Wasserstoff gefordert

Rund um die Verabschiedung des Netzausbaubeschleunigungsgesetzes (Nabeg) im Jahr 2019 wurden erstmals auch Bedenken geäußert, dass die Chancen an einem entstehenden Markt für „grünen Wasserstoff“ nicht fair verteilt sein könnten. Im Fokus steht das Engagement von Strom- und Gasnetzbetreibern, die Großelektrolyseure errichten und selbst betreiben wollen. „Die Großelektrolyseure könnten, über die von allen Stromkunden zu zahlenden Netzentgelte subventioniert, Wasserstoff zu Preisen produzieren, mit denen andere Markteilnehmer nicht konkurrieren können“, lautet die Sorge, die eine Gruppe von Unternehmen im November 2019 formuliert hat. Hier hat eine Entscheidung der Bundesnetzagentur im Frühjahr 2021 für Erleichterung gesorgt. Die Netzbehörde lehnte Anträge für die Projekte Hybridge und Element Eins ab – auch mit Hinweis auf die Gefahr von Marktverzerrungen.

Power-to-Gas: Aktuelle Urteile und Gesetzesänderungen
Sehen sie in unserer Liste, welche aktuellen Urteile und Gesetzesänderungen das Thema Power-to-Gas und grüner Wasserstoff adressieren.

Reallabore setzen regulatorische Hemmnisse außer Kraft

Ein wichtiger Treiber hin zur Kommerzialisierung der PtG-Technologie sind die sogenannten Reallabore, in deren Rahmen neue Regelungen ausprobiert werden. Mit dem Förderprogramm „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ (Sinteg) hat das Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) ein sehr umfangreiches Reallabor im Energiebereich geschaffen, um mögliche neue Regelungen für die Energiewelt von morgen zu entwickeln. Seitdem sind bereits zahlreiche Anträge für Power-to-Gas-Projekte eingereicht worden.

Reallabore zur Kommerzialisierung der Power-to-Gas-Technologie
Hier finden Sie einen Überblick über Projekte, die sich im Ideenwettbewerb „Reallabore der Energiewende“ des Bundeswirtschaftsministerium durchgesetzt haben. Das BMWi hat aus den insgesamt mehr als 90 Vorschlägen im Juli 2019 insgesamt 20 Konsortien als Reallabore ausgewählt, 11 von ihnen widmen sich der Wasserstoffwirtschaft.

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V. Ausbaupotenzial

Trotz der bisher nicht förderlichen Rahmenbedingungen in Deutschland steigen Anzahl und installierte Leistung von Elektrolyse- und Power-to-Gas-Anlagen seit einigen Jahren stetig an. Das zeigt eine  Übersichtskarte des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW)

Welche Wasserstoff-Projekte gibt es bereits?

Sowohl die Anzahl der Power-to-Gas-Anlagen als auch deren installierte Leistung sind in den vergangenen Jahren stetig gestiegen. Mit Stand April 2019 verzeichnete die DVGW-Karte – neben 16 geplanten und elf abgeschlossenen Projekten – 35 in Betrieb befindliche Power-to-Gas- und Methanisierungs-Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 30 Megawatt in Deutschland. Die meisten von ihnen sind Pilot- oder Demonstrationsprojekte in kleinem Maßstab und dienen zu Forschungszwecken. In Hamburg jedoch erzeugt bereits die erste Industrieanlage fünf Megawatt grünes Gas in einer Raffinerie, und zwei ehemalige städtische Versuchsanlagen sind in den dauerhaften Betrieb übergegangen.

Die Strategieplattform Power-to-Gas der dena bietet ebenfalls eine umfangreiche Übersicht zu PtG-Projekten. Einen Überblick über laufende Power-to-X-Forschungsprojekte und Power-to-X-Industrieanlagen bietet eine interaktive Karte des Kopernikus-Projekts P2X. Die IHK Nord hat eine Übersichtskarte über Wasserstoffprojekte und Tankstellen in den Nordländern veröffentlicht, zudem zeigt eine Tabelle Details der einzelnen Projekte.

Laufende Power-to-Gas-Projekte
Hier findet sich eine Auswahl von richtungsweisenden Power-to-Gas-Projekten in und um Deutschland, über die ContextCrew Neue Energie in den vergangenen Monaten und Jahren berichtet hat.

Welche Regionen wollen die Wasserstofferzeugung aus grünem Strom fördern?

Nicht nur die Reallabore wirken sich positiv auf die Industrialisierung von Power-to-Gas-Anlagen auch. Immer mehr Städte, Regionen und Bundesländer entwickeln Ausbaukonzepte für grüne Wasserstofftechnologien. Vorne mit dabei sind vor allem Regionen, die einen hohen Anteil volatiler Stromerzeugung haben. Ein Beispiel dafür ist der Norden Deutschlands mit seinen vielen Windrädern. Aber auch Regionen, die unter der Energiewende leiden wie beispielsweise alte Kohlereviere, setzen auf Innovation.

Einen Schub für die Entwicklung von Wasserstoffstrukturen in Deutschland soll der Förderwettbewerb “Hyland” bringen. Im Rahmen des Hyland-Konzeptes werden Kommunen auf ihrem Weg in die Wasserstoffwirtschaft begleitet, je nach Wissensstand als HyStarter, HyExperts oder HyPerformer.

  1. Runde: Neun „HyStarter“-Regionen, die bisher über wenig Erfahrungen mit Wasserstoff verfügen, wurden bereits im September 2019 ausgewählt. Im Dezember verkündete das Bundesverkehrsministerium dann auch die Gewinner der Kategorien “HyExpert” und “HyPerformer”.
  2. Runde: Im September 2021 verkündete das BMVI die Gewinner der zweiten Wettbewerbsrunde in den Kategorien “HyStarter” und “HyExperts”.
Regionale Pläne

Die Mitgliedsstaaten der EU wollen ihre Kräfte bündeln, um weltweit die Nummer 1 bei Wasserstofftechnologien zu werden. Gelingen soll dies durch ein Wasserstoff-IPCEI. Im Rahmen dieses gemeinsamen Vorhabens hat das Bundeswirtschaftsministerium 62 Projekte in Deutschland ausgewählt, die gefördert werden sollen:

Die konkreten Projekte hinter den Ziffern finden Sie in der IPCEI-Standortkarte, die das BMWi veröffentlicht hat.

Zentraler versus dezentraler Ausbau der Wasserstoffvesorgung

Während viele IPCEI-Vorhaben auf zentrale Knotenpunkte der Wasserstoffinfrastruktur abzielen, gibt es auch gute Gründe, regionale und dezentrale Aspekte beim Ausbau der Elektrolyseleistung zu berücksichtigen. So kann durch die intelligente Positionierung von kleineren Elektrolyseanlagen der Netzausbaubedarf verringert und die Resilienz des Stromnetzes erhöht werden. Mit der Frage, inwieweit solche kleineren Projekte im Zuge des Hochlaufs der Wasserstoffwirtschaft wirtschaftlich betrieben werden können, befasst sich eine Studie des Reiner Lemoine Instituts im Auftrag des Ökoenergieversorgers Green Planet Energy aus dem März 2022.

Ein Beispiel für die Einbindung von Wasserstoffprojekten in die regionalen Strukturen bietet ein Projekt in Lübesse (Mecklenburg-Vorpommern), bei dem ein 4-MW-Elektrolyseur lokale Energieprodukte bereitstellt.

Kann der zukünftige Gasbedarf komplett durch Grüngas gedeckt werden?

Das Potenzial von aus erneuerbaren Energien erzeugtem Wasserstoff und Methan sowie von Biogas hat der DVGW im Februar 2019 in einer Studie untersucht. Bei einem Potenzial von bis zu 250 TWh Biogas könnten Power-to-Gas-Anlagen der DVGW-Studie zufolge zusätzlich 74 bis 164 TWh aus erneuerbaren Energien produzieren – je nach installierter Leistung der Ökostromanlagen. Das gesamte Grüngas-Potenzial von 414 TWh entspricht damit knapp der Hälfte des aktuellen Gasbedarfs in Deutschland. „Die Nutzung von Gasen und ihren Infrastrukturen ist zudem im Vergleich zu einer reinen Elektrifizierung der Energiesysteme deutlich kostengünstiger“, so der DVGW. 

Im März 2022 legte der DVGW mit einer weiteren Studie nach. Die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff sei schon 2030 weit höher, als dies die „gängigen Nachfrageprognosen“ nahelegten. Zu diesen gehört eine Metaanalyse, nach der der Wasserstoffbedarf 2030 ein „Vielfaches“ über der inländischen Erzeugung liegen wird.

Weiteres Kostensenkungpotenzial besteht, wenn der Anteil von Wasserstoff, der ins Erdgasnetz eingespeist wird, gesteigert werden kann. Denn die Aufbereitung von Wasserstoff zu Methan erhöht die Kosten der Speicherung. Bisher ging der DVGW davon aus, dass zehn Prozent Wasserstoff problemlos im Erdgasnetz gespeichert werden können. Im Jahr 2019 startet der Verband jedoch gemeinsam mit Avacon einen Versuch, ob nicht auch eine Beimischung von 20 Prozent technisch möglich ist.

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VI. Internationaler Handel mit Wasserstoff

Das Potenzial zur Erzeugung erneuerbarer Energien ist in Deutschland begrenzt und damit auch das Potenzial zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Bis 2030 sollen laut der Nationalen Wasserstoffstrategie Anlagen zur Produktion von bis zu 14 Terawattstunden grünen Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien in Deutschland entstehen. Der nationale Bedarf wird allerdings auf 90 bis 110 Terawattstunden geschätzt. Demnach wird eine große Menge an grünem Wasserstoff künftig importiert werden müssen.

Weltweite Potenziale für den Export von grünem Wasserstoff

Die Bundesregierung will vor diesem Hintergrund internationale Kooperationen und Partnerschaften rund um das Thema Wasserstoff aufbauen und intensivieren. In der Nationalen Wasserstoffstrategie sind zwei Mrd. € für den Ausbau internationaler Partnerschaften vorgesehen. Ein Potenzialatlas zum grünen Wasserstoff soll erarbeitet werden und als „Kompass für weitere Kooperationen“ fungieren. In welchen Ländern die Bundesregierung aktuell ein großes Potenzial für den Export grünen Wasserstoffs sieht und welche Partnerschaften sie schon angestoßen hat, schreibt sie in der Antwort auf eine Kleine Anfrage der Fraktion Die Linke.

Eine Studie von Wuppertal Institut und DIW ECON arbeitet jedoch mögliche Probleme des Imports heraus und zeigt auf, welche positiven Effekte auf Wertschöpfung und Arbeitsplätze auf der anderen Seite bei einer Produktion in Deutschland entständen. Auch gibt es wachsende Zweifel, ob potenzielle Wasserstofflieferanten bis 2030 überhaupt in der Lage sein werden, die benötigten Mengen bereitzustellen.

Wasserstoff-Partnerschaften
In Deutschland wird der Bedarf an grünem Wasserstoff aus heimischer Produktion nicht gedeckt werden, daher wird ein großer Teil importiert werden. Welche Partnerschaften Deutschland plant, lesen Sie in unserem Überblick über weltweite Kooperationen.

Einen guten Überblick über die voraussichtlichen Kosten von Wasserstoffimporten im Jahr 2050 liefert unser Interview mit Heidi Ursula Heinrichs vom Forschungszentrum Jülich. Heinrichs spricht sich in dem Interview dafür aus, dass Deutschland Wasserstoff anstelle von Power-to-Liquids importieren sollte. So bliebe die Wertschöpfung im Land und die Nutzungsoptionen wären vielfältiger.

Unabhängig von den Plänen der Bundesregierung sind im Ausland schon Projekte in Planung, die eine großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff vorsehen:

Power-to-X-Projekte im Ausland
In Deutschland wird der Bedarf an grünem Wasserstoff aus heimischer Produktion nicht gedeckt werden, daher wird ein großer Teil importiert werden. Welche Projekte im Ausland zukünftig für Deutschland interessant sein könnten, lesen Sie in unserem Überblick über weltweite Power-to-X-Projekte.

Aufbau einer Infrastruktur für den Wasserstofftransport

Für Deutschland reicht es jedoch nicht, Partnerschaften zu forcieren. Auch in die Infrastruktur müsse investiert werden, forderte der Verband der Chemischen Industrie (VCI). „Aufgrund der riesengroßen Bedarfe an grünem Wasserstoff brauchen wir neben der forcierten Weiterentwicklung unseres Heimatmarktes dringend deutsche Importterminals“, sagte der Landesvorsitzende des Verbands der Chemischen Industrie (VCI), Detlev Wösten, am 29. Juni in Laatzen bei Hannover. Stahlwerke und Raffinerien auch in Norddeutschland bräuchten Wasserstoff „in Riesenmengen, nicht in Apothekenmengen“, betonte der Geschäftsführer des VCI Nord, Jochen Wilkens.

Auch die Unternehmensberatung Roland Berger kommt in einer Studie zu dem Schluss, dass neue und effiziente Transportlösungen der Schlüssel zur Wettbewerbsfähigkeit von grünem Wasserstoff sind. Es gebe nicht den einen überlegenen Wasserstoffträger, vielmehr müsse je nach Anwendungsfall entschieden werden. Klar sei jedoch, dass Ammoniak (NH3), verflüssigter Wasserstoff (LH2) und flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) signifikante Kostenreduktionen erfahren werden.

In den Niederlanden plant der Gasnetzbetreiber Gasunie mit dem Rotterdamer Hafen ein Großprojekt. Eine Wasserstoffleitung soll durch das Rotterdamer Hafen- und Industriegebiet gelegt werden, die mit einem niederländischen Wasserstoffnetz sowie einer deutschen Pipeline verbunden werden soll. Über die Leitungen soll dann importierter Wasserstoff sowie im Hafen erzeugter Wasserstoff transportiert werden.

Ausbaubedarf für Wasserstoff-Transportinfrastruktur auch in Deutschland 

Während im niederländischen Rotterdam und im belgischen Antwerpen schon entsprechende Projekte angeschoben wurden, besteht in Deutschland noch Handlungsbedarf. Eine Studie des Fraunhofer ISI bezeichnet den Aufbau einer H2-Transportinfrastruktur als No-Regret-Option, unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Transformationspfade des Energiesystems. Die Gasnetzbetreiber haben für eine Anbindung der Verteilnetze an die großen nationalen und internationalen Transportstrukturen einen Gasnetzgebietstransformationsplan entwickelt, der sich der regionalen Ausgestaltung von Wasserstoffnetzen bis zu den Endkunden befasst.

Dem VCI zufolge wären die norddeutschen Häfen für den Import von Wasserstoff wegen ihrer Erfahrung bei der Entladung von Gasen und vorhandener Pipelines ideale Standorte. Doch es gibt bereits erste Pläne: Hamburg will bis 2030 die größten Industriebetriebe im Hafengebiet mit einem eigenen Netz für grünen Wasserstoff versorgen. Dazu soll im ersten Schritt ein Leitungsnetz von zunächst 45 Kilometern Länge eingerichtet werden. Im zweiten Schritt könnten dann auch bereits bestehende Erdgasleitungen umgenutzt werden.

Im Chempark Dormagen entsteht zudem weltweit größte Anlage für die Einspeicherung von grünem Wasserstoff in flüssige organische Träger (LOHC). Die Projektleitung und den Anlagenbetrieb, der 2023 starten soll, übernimmt die Krefelder Tochtergesellschaft LOHC Industrial Solutions NRW. Mit Royal Vopak wird zudem eine Projekterweiterung mit möglichem Aufbau einer Lieferkette für den grünen Wasserstoff bis nach Rotterdam geplant. Dort würde der Wasserstoff aus dem LOHC freigesetzt und vor allem in den Bereichen Mobilität und Industrie genutzt werden.

Fernleitungsnetzbetreiber wollen „Europäischen Wasserstoff Backbone“ aufbauen

Der Transport innerhalb von Europa rückt zunehmend in den Fokus. Im Juli 2020 haben elf Fernleitungsnetzbetreiber das Konzept eines „Europäischen Wasserstoff Backbone“ vorgestellt, der hauptsächlich aus umgewidmeten Erdgasleitungen bestehen soll. Auch EWE und Gasunie wollen kooperieren, um ein deutsch-niederländisches Wasserstoffnetz zu initiieren. E.ON plant im Rahmen eines europäischen Kooperationsprojekts den Aufbau eines Verteilnetzes und entsprechender Infrastruktur für Wasserstoff und Ammoniak im Ruhrgebiet.

In Südeuropa soll Mallorca zum ersten Wasserstoffknotenpunkt werden. Ohnehin entwickelt sich Spanien angesichts der klimatischen Rahmenbedingungen zum Hot Spot der europäischen Aktivitäten im Bereich grüner Wasserstoff. Acciona kooperiert hier mit Plug Power zur Versorgung der Iberischen Halbinsel. Noch weiter spannen die Partner von HyDeal Ambition den geographischen Rahmen: Sie wollen Spanien und Frankreich – und in einer weiteren Ausbaustufe auch Deutschland mit grünem Wasserstoff versorgen.

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