Der weltweite Vorstoss zur Dekarbonisierung hat Wasserstoff als potentielle Lösung ins Spiel gebracht. Als sauberer und vielseitiger Energieträger hat er das Potenzial, Teile der Schwerindustrie zu dekarbonisieren, den CO2-freien Transport von Gütern zu ermöglichen, dort wo Batterie-elektrische Systeme an ihre Grenzen stossen und CO2-frei erzeugte Energie aus volatilen Quellen zu speichern. Wasserstoff kann auf verschiedene Arten produziert werden. Um sein Potenzial zu verstehen, müssen wir zuerst verstehen, wie Wasserstoff mit tiefen oder keinen CO2 Emissionen hergestellt wird und was seine Produktion kostet.
Die Industrie verwendet oft ein Farbspektrum, um Wasserstoff basierend auf seiner Produktionsmethode und dem damit verbundenen CO2-Fussabdruck zu klassifizieren. Sich in diesem Spektrum zurechtzufinden, ist der erste Schritt für jede Organisation, die in Wasserstofftechnologien investieren oder diese übernehmen möchte. Die Serie „Die Wasserstoffwirtschaft“ wird in die verschiedenen Wasserstoffproduktionsprozesse eintauchen und die nivellierten Kosten von Wasserstoff (LCOH) analysieren, die die kommerzielle Rentabilität jedes Weges bestimmen.
Grüner Wasserstoff
Grüner Wasserstoff wird durch Wasserelektrolyse produziert, ein Verfahren, das Elektrizität nutzt, um Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu spalten. Wenn dieser Prozess mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind oder Solar betrieben wird, ist er praktisch frei von Treibhausgasemissionen.
Die Produktionskosten: Grüner Wasserstoff
Die Kosten für grünen Wasserstoff hängen überwiegend von der Verfügbarkeit grosser Mengen an erneuerbarem Strom, den Stromkosten und dem Zugang zu ausreichenden Mengen an Frischwasser ab.
Die Elektrolyse ist energieintensiv und benötigt etwa ~45-60 kWh Strom, um ein Kilogramm Wasserstoff zu produzieren. Wie die untenstehende Tabelle zeigt, besteht eine direkte Korrelation zwischen den Strompreisen und den minimalen Kosten für Wasserstoff, noch bevor Kapital- und Betriebsausgaben (CAPEX / OPEX) berücksichtigt werden.
Vorteile
- Die Produktion von grünem Wasserstoff erzeugt keine Kohlenstoffemissionen.
- In Regionen mit überschüssiger erneuerbarer Energie kann die Produktion von grünem Wasserstoff überschüssige Kapazitäten aufnehmen - effektiv überschüssige Energie speichern, die sonst ungenutzt bliebe, vorausgesetzt, die Elektrolyseanlage arbeitet mit ausreichend Volllaststunden.
Nachteile
- Der hohe Stromverbrauch macht es nur in Regionen mit reichlich vorhandener und kostengünstiger erneuerbarer Energie kommerziell rentabel.
- Die Wasserelektrolyse steht potenziell in Konkurrenz zu knappen Süsswasserressourcen.
Grauer und blauer Wasserstoff
Heutzutage wird der Grossteil des weltweiten Wasserstoffs durch Dampfreformierung von Methan (SMR) hergestellt. In diesem ausgereiften Verfahren reagiert Methan (CH4 - der Hauptbestandteil von Erdgas) mit Dampf, um Wasserstoff zu erzeugen. Grosse Mengen Kohlendioxid (CO2) entstehen hier als Nebenprodukt. Grauer Wasserstoff bezieht sich auf die Wasserstoffproduktion, bei der CO2 in die Atmosphäre freigesetzt wird und dadurch zur globalen Erderwärmung beiträgt.
Blauer Wasserstoff ist eine Weiterentwicklung dieses Prozesses. Er verwendet die gleiche SMR-Methode, integriert jedoch die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS), um die CO2-Emissionen aufzufangen und allenfalls dauerhaft zu speichern, bevor sie in die Atmosphäre gelangen.
Die Produktionskosten: Blauer Wasserstoff
Bei blauem Wasserstoff sind die wichtigsten Kostentreiber der Preis für Erdgas sowie die Kosten für die Kohlenstoffabscheidung, den Transport und die Speicherung.
| Metrik | Vereinigte Staaten | Europa |
|---|---|---|
| Methan-Kostenbasis | $4 / mmBTU (z.B. Henry Hub) | €32.92 / MWh (z.B. TTF) |
| Kosten für Kohlenstoffabscheidung und -speicherung | €33 / Tonne H2 | €33 / Tonne H2 |
| Geschätzte Gesamtkosten für Wasserstoff | ~ €1.26 / kg H2 | ~ €2.97 / kg H2 |
Die niedrigsten geschätzten Kosten für Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCUS) betragen ungefähr 33 EUR pro Tonne CO2, was 0.33 EUR pro Kilogramm Wasserstoff entspricht (basierend auf 10 kg CO2 pro kg H2 bei 33 EUR/t CO2).
Allerdings befinden sich CO2-Speicherstätten oft nicht in der Nähe von SMR-Produktionsanlagen. Die damit verbundenen logistischen Herausforderungen; CO2-Verflüssigung, Transport per Zug, Schiff oder Pipeline und die Einspeicherung, können die Gesamtkosten erheblich erhöhen. Daher entwickelt sich die Implementierung von blauem Wasserstoff als kohlenstoffarmer Energieträger zunächst in Regionen, in denen sich SMR-Anlagen in der Nähe geeigneter CO2-Speicherstätten befinden, um sowohl wirtschaftliche als auch logistische Machbarkeit zu gewährleisten.
Vorteile
- Blauer Wasserstoff ist eine kohlenstoffarme Energieoption, die heute im grossen Massstab produziert werden kann, indem die bestehende Erdgasinfrastruktur genutzt wird. Er ist ein Eckpfeiler der emissionsarmen Energieversorgung, während die Kapazität erneuerbarer Energien und die Produktion von grünem Wasserstoff weiter ausgebaut werden.
- Wenn biogenes Methan im SMR verwendet wird, kann die Kombination von SMR und CCUS potenziell zu negativen CO2-Emissionen beitragen.
Nachteile
- Blauer Wasserstoff ist nach wie vor auf fossile Brennstoffe angewiesen, und Technologien zur Kohlenstoffabscheidung sind in der Regel nicht zu 100 % effizient, was bedeutet, dass einige Emissionen bestehen bleiben.
- Seine Kostenwettbewerbsfähigkeit ist sehr empfindlich gegenüber volatilen Erdgaspreisen und der jeweiligen lokalen CO2-Steuerpolitik.
Türkis Wasserstoff
Ein vielversprechender neuer Weg ist türkiser Wasserstoff. Produziert durch Methanpyrolyse, erhitzt dieser Prozess Methan in Abwesenheit von Sauerstoff und spaltet es in Wasserstoffgas und festen industriell nutzbaren Kohlenstoff.
Die Produktionskosten: Türkiser Wasserstoff
Diese Methode bietet ein interessantes Geschäftsmodell. Sie benötigt deutlich weniger Energie als die Elektrolyse (~10-15 statt 40-60 kWh/kg H2) und vermeidet die Entstehung von gasförmigem CO2. Gebühren für CO2 Emmissionen oder die an vielen Standorten teuren Transportkosten um CO2 zu einem Speicherort zu transportieren, können dadurch vermieden werden. Darüber hinaus kann der Kohlenstoff als Industrierohstoff neben dem Wasserstoff zusätzliche Einnahmen generieren. Kohlenstoff wird heute z.B. in der Herstellung von Reifen, Beschichtungen, Batterien und Elektronik verwendet.
Der Hauptkostentreiber bei der Erzeugung von Türkisem Wasserstoff sind das Methan und die Kosten für die grün erzeugte Energie.
| Metrik | Vereinigte Staaten | Europa |
|---|---|---|
| Grundlage der Methankosten | $4/mmBTU (z.B. Henry Hub) | €32.92 / MWh (z.B. TTF) |
| Erneuerbare Energiekosten | ~ €1.08 / kg H2
| ~ €0,96 / kg H2
|
| Geschätzte Gesamtkosten für Wasserstoff (inkl. CAPEX & OPEX) | €2.00 / kg H2 | €3.10 / kg H2 |
Vorteile
- Diese innovative Methode vermeidet direkte CO2-Emissionen während der Produktion durch die Entfernung des Kohlenstoffs vor der Nutzung des Wasserstoffs.
- Im Gegensatz zur Elektrolyse benötigt die Methanpyrolyse kein Wasser, was sie für Regionen mit begrenzten Süsswasserressourcen geeignet macht.
- Das feste Kohlenstoff kann verkauft werden und trägt potenziell als Einnahmequelle der Pyrolyseanlagenbetreiber bei.
- Wenn Biogenes Methan verwendet wird, trägt die Methanpyrolyse zu negativen CO2-Emissionen bei.
- Methan als Grundstoff für die CO2 freie Wasserstofferzeugung ist an vielen Orten verfügbar.
- Die Methanpyrolyse verbraucht deutlich weniger grüne Energie im Vergleich zur Wasserelektrolyse.
Nachteile
- Die Technologie befindet sich noch in der Entwicklung und hat noch nicht das industrielle Niveau von SMR oder Elektrolyse erreicht.
- Der kommerzielle Erfolg hängt stark von den schwankenden Kosten des Methans ab.
Der endgültige Kostenvergleich: Europa und die Vereinigten Staaten
Das untenstehende Diagramm zeigt die Kosten für die Produktion von drei Arten von Wasserstoff: grünem, blauem und türkisfarbenem Wasserstoff in Europa und in den Vereinigten Staaten.
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Während die Farbe von Wasserstoff seinen CO2-Fussabdruck und die Rohstoffe bestimmt, bleiben seine physikalischen Eigenschaften über die Produktionsmethoden hinweg konstant. Ob er durch Elektrolyse, SMR oder Pyrolyse hergestellt wird, der nächste Schritt bei der Aufbereitung des Wasserstoffs für die nachgelagerte Nutzung ist die Verdichtung. Diese anfängliche Druckerhöhung ist das Tor zur gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette, wo er auf hohe Drücke komprimiert wird, um eine effiziente Speicherung, den Transport und die Lieferung an den Endverbraucher zu ermöglichen.
Da die Wasserstoffwirtschaft wächst, wird sichere und effiziente Verdichtungstechnologie das Rückgrat sein, das ihr Wachstum ermöglicht, die Betriebskosten minimiert und die Rentabilität von Wasserstoffprojekten weltweit maximiert.
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Als Nächstes in der Serie "Die Wasserstoffwirtschaft"
In unserem nächsten Artikel werden wir über die Kosten der Wasserstoffproduktion hinausgehen und die entscheidenden Erfolgsfaktoren wie Wasserverfügbarkeit, Energieinfrastruktur und Politik untersuchen, die bestimmen, welche Farbe von Wasserstoff wirklich die richtige strategische Wahl für einen bestimmten Standort ist.