Europa und China kämpfen um die weltweite Vorherrschaft bei der Herstellung von Elektrolyseuren
Von Davine Janssen | EURACTIV.com
28. Aug. 2020 (aktualisiert: 13. Okt. 2020)
Blick auf die Baustelle des Refhyne-Projekts in der Nähe von Köln, Deutschland. Nach seiner Fertigstellung wird Refhyne die weltweit größte PEM-Wasserstoff-Elektrolyse-Anlage sein. [Europäische Union, 2020 Quelle: EC - Audiovisueller Dienst]
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Während China derzeit die billigsten Elektrolyseure der Welt herstellt, ist Europa führend bei innovativen Technologien, die besser geeignet sind, grünen Wasserstoff zu erzeugen, der von vielen als Königsweg zur Dekarbonisierung des Energiesystems angesehen wird.
Mit der Veröffentlichung ihrer Wasserstoffstrategie im Juli dieses Jahres gab die Europäische Kommission auch den Startschuss für einen Wettlauf um die Massenproduktion von Elektrolyseuren auf dem alten Kontinent.
Bis 2030 will die EU-Exekutive mindestens 40 Gigawatt an Elektrolyseuren in der EU installieren, die bis zu 10 Millionen Tonnen erneuerbaren Wasserstoff produzieren.
Elektrolyseure - Technologien, bei denen Wasserstoff und Sauerstoff durch die Anwendung von elektrischem Strom zur Aufspaltung von Wassermolekülen erzeugt werden - sind eine etablierte Methode zur Herstellung von "erneuerbarem" oder "sauberem" Wasserstoff, den die Kommission als grundlegenden Baustein zur Dekarbonisierung der Wirtschaft betrachtet.
EU-Kommission zeigt Weg zu 100% erneuerbarem Wasserstoff auf
Die Europäische Kommission stellte am Mittwoch (8. Juli) Pläne zur Förderung von Wasserstoff vor, der vollständig auf erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenenergie basiert, sagte aber auch, dass kohlenstoffarmer Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, unterstützt wird, um die Produktion kurzfristig zu steigern.
"Die Priorität für die EU liegt in der Entwicklung von erneuerbarem Wasserstoff, der hauptsächlich aus Wind- und Sonnenenergie erzeugt wird", heißt es in der Strategie, und weiter: "Die Entscheidung für erneuerbaren Wasserstoff baut auf der industriellen Stärke Europas in der Elektrolyseurproduktion auf.
"Europa ist bei der Herstellung von sauberen Wasserstofftechnologien äußerst wettbewerbsfähig und gut positioniert, um von einer weltweiten Entwicklung von sauberem Wasserstoff als Energieträger zu profitieren", heißt es in dem Dokument weiter, und Investitionen in den Sektor werden auch eine grüne Erholung von der COVID-19-Krise unterstützen.
Auf der Grundlage dieser Überzeugung reiste Energiekommissar Kadri Simson letzten Monat nach Deutschland, um die Baustelle der weltweit größten Wasserstoff-Elektrolyseanlage mit Protonenaustauschmembran (PEM) in Refhyne zu besuchen.
Der 10-MW-Elektrolyseur, der von der EU im Rahmen des Gemeinsamen Unternehmens Fuel Cell Hydrogen, einer öffentlich-privaten Partnerschaft, finanziert wird, soll Anfang 2021 in Betrieb gehen und mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen etwa 4 Tonnen sauberen Wasserstoff pro Tag oder etwa 1 300 Tonnen pro Jahr erzeugen.
"Projekte wie Refhyne sind genau das, was wir brauchen, um die Produktion von sauberem Wasserstoff in Europa auszubauen - sie sind innovativ, basieren auf erneuerbaren Energien und bringen den öffentlichen und den privaten Sektor zusammen, um die weltweite Technologieführerschaft der EU zu sichern", sagte Simson in einer Erklärung vor ihrem Besuch.
Die Herstellung von Elektrolyseuren wird auch durch eine europäische "Wasserstoff-Allianz" unterstützt, in der führende Vertreter der Industrie, der Regierungen und der Zivilgesellschaft zusammenkommen, um "eine Investitionspipeline für die Ausweitung der Produktion" und die Nachfrage nach sauberem Wasserstoff in der EU aufzubauen.
LEAK: "Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff" bereit zum Abheben
Die Europäische Kommission wird versuchen, Europa mit einer neuen, von der Industrie geführten Allianz, die am Mittwoch (8. Juli) vorgestellt werden soll, als weltweit führend im Bereich Wasserstoff zu positionieren.
Ein globaler Technologiewettlauf
Mit diesen Initiativen scheint die EU entschlossen zu sein, ihre industrielle Führungsposition bei der Herstellung von Elektrolyseuren zu erhalten und auszubauen. Doch wie sieht es im Rest der Welt aus?
Heute gibt es im Wesentlichen drei Arten von Elektrolyseurtechnologien: Protonenaustauschmembran (PEM), Alkali und Festoxid (SO). Sie alle spalten Wasser durch Anlegen von elektrischem Strom, verwenden aber unterschiedliche Materialien, Aufbauten und Betriebstemperaturen, was zu individuellen Stärken und Schwächen führt.
Die billigste und am weitesten verbreitete Elektrolyseurtechnologie ist der alkalische Typ, der erstmals im 19. Nach Schätzungen von BloombergNEF können chinesische Hersteller alkalische Elektrolyseure für 200 USD/kW verkaufen - das sind 80 % weniger als europäische Maschinen desselben Typs.
Besonders beliebt ist diese Technologie in China selbst, das mehr als 50 % des Weltmarktes für alkalische Elektrolyseure ausmacht, sagt Michela Bortolotti von Hydrogen Europe, einem Branchenverband.
"Da der chinesische Markt so groß ist, profitieren die chinesischen Hersteller in viel größerem Maße von Größenvorteilen, Automatisierung usw. als die Hersteller in der EU und den USA", erklärte sie in einer E-Mail an EURACTIV.
Europäische Hersteller haben jedoch die Führung bei "innovativen Technologien" wie PEM, Solid Oxide oder druckbeaufschlagten alkalischen Elektrolyseuren übernommen, so Mirela Atanasiu, Referatsleiterin beim Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU).
Diese sind zwar teurer, haben aber auch ihre relativen Vorteile. Ein PEM-Elektrolyseur ist zum Beispiel viel kompakter als ein herkömmlicher alkalischer Elektrolyseur.
PEM-Elektrolyseure sind auch besser für den Betrieb mit erneuerbaren Energiequellen geeignet, erklärte Atanasiu in einem Telefoninterview mit EURACTIV. Das liegt daran, dass sie "dynamisch" arbeiten können, indem sie unterschiedliche Stromlasten nutzen, so dass PEM-Elektrolyseure dann betrieben werden können, wenn die Wind- und Solarenergieerzeugung am günstigsten ist.
"Der PEM-Elektrolyseur kann dynamisch betrieben werden und dem Netz Dienste anbieten", sagte sie. "In diesem Bereich sind wir weltweit führend". Und das sei ein wichtiger Vorteil gegenüber der herkömmlichen alkalischen Technologie. "Die alkalische Technologie benötigt aufgrund ihrer Funktionsweise mehr Zeit zum Ein- und Ausschalten als die PEM-Technologie. Die PEM schaltet leichter".
Die Fähigkeit der Elektrolyseure, mit wechselnden Stromlasten umzugehen, ist auch für die EU von besonderer Bedeutung, die Wasserstoff als einen "Schlüssel" für die Integration der Energiesysteme und die kosteneffiziente Dekarbonisierung betrachtet.
Mit Elektrolyseuren, die leicht ein- und ausgeschaltet werden können, wird es möglich, Geschäftsmodelle zu entwickeln, die den intermittierenden Charakter erneuerbarer Energiequellen nutzen und Strom dann verwenden, wenn er am billigsten ist, erklärte Atanasiu. "Wir sollten den Strom dann nutzen, wenn er am günstigsten ist. Wenn zu viel Strom im System ist, nehmen wir ihn zum Nulltarif - möglicherweise sogar zu negativen Kosten - und produzieren so kostengünstig Wasserstoff."
Die Möglichkeit, billigen Strom zu nutzen, wird als entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit von Wasserstoff angesehen, da die Auswirkungen weiterer Kostensenkungen bei Elektrolyseuren voraussichtlich begrenzt sein werden, so Atanasiu. "Und das ist es, was wir in Europa mit der Technologie versucht haben: nicht nur Wasserstoff zu produzieren, sondern auch billigen Wasserstoff aus erneuerbaren Energien".
In der Tat sind die Stromkosten der wichtigste Faktor für die Kosten der elektrolytischen Wasserstofferzeugung", schreibt die Internationale Energieagentur (IEA) in ihrem im Juni letzten Jahres veröffentlichten Bericht "the future of hydrogen".
Die Produktionskosten hängen aber auch stark von Faktoren wie Stromsteuern, Netzgebühren und der Auslastung der Elektrolyseure ab, die je nach Region stark variieren", erklärt die IEA.
In der Tat können andere Technologien für andere politische Ziele besser geeignet sein. Wenn die Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff keine Priorität hat, können Elektrolyseure einfach an das Stromnetz angeschlossen werden, um eine "konstante" Wasserstoffmenge zu erzeugen. Und das würde mit der billigeren alkalischen Technologie genauso gut funktionieren.
Für industrielle Anwendungen könnten sich jedoch weder die alkalische noch die PEM-Technologie als die bevorzugte Technologie erweisen. Stattdessen haben Festoxidelektrolyseure - eine weitere "innovative Technologie", bei der Europa führend ist - das Potenzial, dieses Segment zu erobern, so Atanasiu.
Bei einer Betriebstemperatur von etwa 900 °C könnten Festoxidtechnologien die überschüssige industrielle Wärme nutzen, um die für den Elektrolyseprozess benötigte Strommenge zu reduzieren. "Je nach Geschäftsmodell der einzelnen Branchen könnten sie sich für eine Anlage interessieren, die ebenfalls Hochtemperaturwärme nutzt und viel Sauerstoff produziert", so Atanasiu.
In Bezug auf die Anzahl der entsprechenden Patente und Veröffentlichungen weltweit betonte Atanasiu, dass Europa bei den PEM- und Festoxidtechnologien weltweit führend ist, nicht jedoch bei den herkömmlichen alkalischen Elektrolyseuren.
Gesamtzahl der weltweiten Veröffentlichungen und Patente von 1996 bis 2019, Daten des FCH-JU.
Ein Vorsprung für europäische Hersteller
Laut Atanasiu liegt der Hauptgrund für den Vorsprung Europas bei "innovativen" Elektrolyseuren darin, dass sich der Schwerpunkt der Industrie unter dem FCH-JU bereits vor sechs Jahren von der Brennstoffzellen- auf die Elektrolyseurproduktion verlagert hat.
"Als wir vor zwölf Jahren anfingen, machten Elektrolyseure nur 10 % unserer Finanzmittel aus", erinnert sich Atanasiu, der sagt, dass "damals die Brennstoffzellen im Vordergrund standen". Das änderte sich jedoch, als die Vorteile der Wasserstofferzeugung aus erneuerbarem Strom deutlich wurden, so Atanasiu. "Dann begannen wir, uns mehr mit Elektrolyseuren zu beschäftigen."
Viele Unternehmen, die sich mit der PEM- und Festoxidtechnologie auskennen, nutzten ihr Wissen über Brennstoffzellen, um Elektrolyseure herzustellen - denn die Elektrolyse ist im Grunde genommen die umgekehrte Funktionsweise einer Brennstoffzelle.
"Wir dachten uns, warum nicht Elektrolyseure mit diesen Materialien anstelle der alten und bekannten alkalischen, weil diese besser funktionieren", erklärte Atanasiu. "Und das war die Umstellung, die Europa weit vor den anderen Regionen der Welt vorgenommen hat."
Tatsächlich hat das FCH-JU diese Technologien "aggressiv vorangetrieben", fügte Atanasiu hinzu und nannte als Beispiele einen 6-MW-PEM-Elektrolyseur in Linz, einen 10-MW-PEM-Elektrolyseur in Köln und Pläne für einen 2-MW-Festoxid-Elektrolyseur in Rotterdam.
EU-weite Innovationsförderung ist der Schlüssel zur Elektrolyse in Europa
Die deutsche Regierung sollte die Schaffung eines EU-weiten Rahmens für grünen Wasserstoff unterstützen, um die Wettbewerbsfähigkeit der Elektrolyseproduktion zu erhalten, schreiben Matthias Deutsch und Andreas Graf.
Matthias Deutsch ist Senior Associate bei Agora Energiewende, einem deutschen Think ...
Import von grünem Wasserstoff aus dem Ausland
Aber selbst wenn die innovativsten Elektrolyseure in Europa hergestellt werden, können große Mengen grünen Wasserstoffs nur dann produziert werden, wenn ausreichend erneuerbarer Strom zur Verfügung steht.
Heute werden nur 32 % des Stromverbrauchs in der EU aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt, so dass sich die Frage stellt, ob Europa grünen Wasserstoff aus Ländern importieren sollte, in denen Strom aus erneuerbaren Energiequellen billig und im Überfluss produziert werden kann.
Aus diesem Grund hat der Industrieverband Hydrogen Europe in seiner so genannten "2×40-GW-Initiative" vorgeschlagen, 40 GW Elektrolyseure innerhalb der EU zu bauen und die gleiche Menge aus den europäischen Nachbarländern zu importieren.
Deutsche Industrie will massiv "grünen Wasserstoff" aus Australien importieren
Um die deutsche Wirtschaft vollständig zu dekarbonisieren, werden riesige Mengen an synthetischen Kraftstoffen aus erneuerbaren Energien benötigt. Der Branchenverband BDI rechnet bis 2050 mit jährlichen Importen von 340 Terawattstunden (TW/h) - das entspricht dem gesamten deutschen Kraftwerkspark.
Die Öl- und Gasindustrie argumentiert hingegen, dass die Wasserstoffproduktion zunächst schnell hochgefahren werden sollte, um einen EU-weiten Markt für Wasserstoff zu schaffen. Dies kann ihrer Meinung nach bereits jetzt mit Erdgas als Ausgangsstoff und in Verbindung mit der Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) geschehen, um sicherzustellen, dass der Wasserstoff kohlenstofffrei ist.
Eine aktuelle Studie des Branchenverbands Eurogas hat ergeben, dass die EU bis 2050 4,1 Billionen Euro einsparen kann, wenn sie einen Mix von Energieträgern einsetzt, um Kohlenstoffneutralität zu erreichen" - einschließlich dekarbonisierter fossiler Gase.
"Die Eurogas-Studie zeigt, dass Europa jetzt mit der Wasserstoffwirtschaft beginnen muss, um bis 2050 Kohlenstoffneutralität zu erreichen. Es gibt keine Zeit für Verzögerungen", sagte James Watson, Generalsekretär von Eurogas, in einer Erklärung zur Studie.
"Dies schließt alle Optionen für sauberen Wasserstoff ein: die Reformierung von Erdgas durch CCS, die Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien sowie die Mischung mit Methan. Die Notwendigkeit von CCS ist keine Option, sondern eine Notwendigkeit, wenn wir unsere Klimaziele erreichen wollen.
Die Gegner von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen warnen vor der Gefahr eines Lock-in-Effekts bei Investitionen in Technologien, die fossile Brennstoffe im Energiesystem halten.
(Herausgegeben von Frédéric Simon)
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https://www.euractiv.com/section/energy/news/...olyser-manufacturing/
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