Veröffentlicht am08 May 2023
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Für das Jahr 2022 prognostiziertedie US-Energieinformationsbehörde (EIA) einen rekordhohen Strombedarf von 4.027 Milliarden kWh. Erdgas und Kohle sollten etwa 37 % bzw. 22 % dieses beispiellosen Energiebedarfs decken, dicht gefolgt von der Kernenergie mit 19 %. Der Rest entfiel auf erneuerbare Energien.
Da das weltweite Angebot an fossilen Brennstoffen durch die veränderten Nachfragemuster der Wirtschaft nach der Pandemie und den wachsenden Drang nach Nachhaltigkeit zunehmend unter Druck gerät, stehen erneuerbare Energiequellen im Fokus. Das derzeitige Paradigma der erneuerbaren und alternativen Energien ist jedoch nicht ohne seine ganz eigenen Fallstricke.
Nehmen wir das Beispiel Wasserstoff.
Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass sich der weltweite Wasserstoffbedarf zwischen 1975 und heute verdreifacht hat. Zwar ist Wasserstoff ein sauberer Brennstoff, doch wird er derzeit vorwiegend industriell genutzt und fast ausschließlich durch Dampfreformierung von Methan, Vergasung oder die Elektrolyse von Wasser unter Einsatz von mit fossilen Brennstoffen erzeugter Energie gewonnen. Berichten zufolge werden etwa 6 % der weltweiten Erdgasvorräte und etwa 2 % aller Kohlevorräte für diesen Zweck genutzt.
Dies führt zu CO₂-Emissionen in Höhe von 830 Millionen Tonnen – das entspricht den Emissionen des Vereinigten Königreichs und Indonesiens zusammen.
Der Schlüssel liegt daher darin, unseren Ansatz für das derzeitige Paradigma der wasserstoffbasierten Energieversorgung neu zu gestalten.
Grüner Wasserstoff, auch als erneuerbarer Wasserstoff bekannt, wird durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie zur Elektrolyse von Wasser hergestellt. Der Einsatz erneuerbarer Energien in diesem Prozess beseitigt somit die potenziellen Umweltauswirkungen herkömmlicher Wasserstoffquellen und ermöglicht eine unbedenkliche Nutzung in Schlüsselbereichen wie Verkehr, Stromerzeugung und Heizung.
Der Markt für grünen Wasserstoff befindet sich jedoch noch in den Anfängen und benötigt für sein Wachstum erhebliche technische und technologische Unterstützung. Dies gilt insbesondere angesichts von Schätzungen, wonach der weltweite Wasserstoffmarkt bis 2030 einen Wert von über 300 Milliarden US-Dollar erreichen undab 2022 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von mehr als 9,3 % wachsen soll. Es wird erwartet, dass sich dieser Trend aufgrund einer Vielzahl von Faktoren verstärken wird, darunter sinkende Kosten für erneuerbare Energien, eine steigende Nachfrage nach Dekarbonisierung sowie unterstützende politische Maßnahmen und Vorschriften.
Allerdings trüben weiterhin Herausforderungen den Ausblick. Dazu gehören die im Vergleich zu konventionellem, aus fossilen Brennstoffen hergestelltem Wasserstoff höheren Produktionskosten. Dieser Kostenunterschied ist auf die höheren Investitionskosten für Elektrolyseure sowie den anhaltenden Mangel an Infrastruktur für die Speicherung, den Transport und die Verteilung von grünem Wasserstoff zurückzuführen.
Die Welt braucht heute die Entwicklung effizienterer und kostengünstigerer Elektrolyseure, die Konzeption und Umsetzung einer Infrastruktur für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff sowie die Optimierung der Systeme zur Wasserstoffproduktion und -nutzung.
Elektrolyseure und Brennstoffzellen sind die Schlüsselkomponenten der Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff. Auf sie entfällt ein erheblicher Teil der Investitionskosten. Die Verbesserung der Effizienz von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen sowie die Senkung ihrer Kosten sind unerlässlich, um grünen Wasserstoff gegenüber konventionellem Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig zu machen.
Globale Forschungs- und Entwicklungsunternehmen können hier eine Schlüsselrolle spielen, indem sie zur Entwicklung alternativer Materialien für Elektroden und Membranen beitragen, die im Elektrolyseprozess zum Einsatz kommen. Diese können wiederum dazu beitragen, den Gesamtertrag der Elektrolyse zu verbessern, was zu einer Verringerung des Energiebedarfs bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff führt. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Konstruktion und den Betrieb von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen zu optimieren, um deren Investitions- und Betriebskosten zu senken – wodurch sie einfacher herzustellen sind, weniger Wartung erfordern und eine längere Lebensdauer aufweisen.
Um den Herstellungsprozess effizienter Produkte zur Wasserstofferzeugung und -nutzung weiter zu stärken und zu optimieren, können F&E-Unternehmen unter Nutzung ihrer Erfahrung im Bereich Simulationen und Tests auch dabei helfen, das System- und/oder Produktverhalten vorherzusagen und vor der Fertigung eine erste Sicherheitsprüfung sowie einen Machbarkeitsbericht zu erstellen. Diese Simulationsergebnisse lassen sich durch strenge Tests am Produkt und/oder System, die ebenfalls in den Aufgabenbereich von E&RD-Unternehmen fallen, in die Praxis umsetzen. Die daraus resultierenden Systeme lassen sich zudem in ein maßgeschneidertes Paket in Form einer containerisierten Lösung für die Erzeugung von grünem Wasserstoff umwandeln, die direkt in erneuerbare Energiequellen integriert werden kann. Solche containerisierten Wasserstoffnutzungssysteme sind besonders in abgelegenen Gebieten zur Stromerzeugung oder als Notstromversorgung nützlich.
Ein weiterer entscheidender Bereich ist die Infrastruktur für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff. Grüner Wasserstoff muss in gasförmiger Phase unter hohem Druck oder in kryogener flüssiger Phase gespeichert und auf sichere und effiziente Weise transportiert werden. Derzeit mangelt es an Infrastruktur für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff, was den Einsatz von grünem Wasserstoff in verschiedenen Anwendungsbereichen einschränkt. Forschungs- und Entwicklungsunternehmen weltweit prüfen zudem alternative Optionen wie die Umwandlung von grünem Wasserstoff in grünes Ammoniak oder grünes Methanol, um die Komplexität und die Risiken zu verringern, die mit dem direkten Wasserstofftransport verbunden sind. Dieses grüne Ammoniak oder Methanol kann dann bei Bedarf wieder in Wasserstoff umgewandelt werden. Durch die Ermöglichung einer sichereren Speicherung und die Entwicklung verbesserter Verwendungsanlagen wie beispielsweise Brennstoffzellen mit höherem Wirkungsgrad können wir eine stärkere Verbreitung dieser sauberen Energiequelle in verschiedenen Bereichen vorantreiben, insbesondere im Verkehrs- und im Industriesektor.
Auch für die Optimierung und Konzeption von Anlagen zur Erzeugung und Nutzung von grünem Wasserstoff ist ingenieurtechnische Unterstützung erforderlich. Optimierte Nutzungsmodelle, die über verschiedene Anwendungsfälle hinweg Skaleneffekte erzielen, würden dazu beitragen, die Verbreitung voranzutreiben und bessere Ergebnisse zu erzielen. Auch die Hybridisierung ist ein vielversprechender Ansatz, bei dem grüne Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Batterien kombiniert werden, um eine höhere Zuverlässigkeit und eine breitere Akzeptanz zu erreichen.
Die Zukunft gehört, wie man so schön sagt, den Mutigen: Durch die Nutzung der verfügbaren Technologiebausteine und den Aufbau neuer Partnerschaften mit weltweit führenden ER&D-Großunternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, können Unternehmen weltweit darauf abzielen, durch die Übernahme des aufkommenden Paradigmas des grünen Wasserstoffs erheblichen Mehrwert zu erschließen. Ein neuer Blick auf die erneuerbaren Energien, kombiniert mit einem innovationsorientierten Ansatz, würde daher dazu beitragen, die Situation viel schneller zu verändern, als derzeit erwartet wird.
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