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Wasserstoff-Transformation Teil 2 – Infrastrukturelle Voraussetzungen

Andreas Kötter
02. Aug. 2023
capgemini-engineering

Damit die Wasserstoff-Transformation gelingt, müssen infrastrukturelle Voraussetzungen geschaffen werden, die wir in Teil 2 unserer Blogreihe zu Wasserstoff aufgreifen:
 
1.      Aufbau der Produktionskapazität
2.      Ausbau der Transportinfrastruktur

Produktion

Nur Wasserstoff, der mit erneuerbaren Energien hergestellt wird, ermöglicht es, sich von der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu lösen. Von einer Kostensenkung zur klimafreundlichen Wasserstofferzeugung bis 2040 gehen 54 % der Energieunternehmen in Deutschland aus. Voraussetzung dafür ist allerdings eine intelligente Wasserstoffwertschöpfungskette.

Eine globale Wasserstoffwirtschaft, ähnlich zu der auf fossilen Rohstoffen fußenden Wirtschaft, existiert derzeit nicht. Es gibt bis dato keine globalen Wertschöpfungsketten oder größere Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff.

Um das Net Zero Ziel bis 2050 zu erreichen, ist es unerlässlich, dass solche Anlagen aufgebaut und betriebsfähig sind. Intelligente Lösungen ermöglichen es, den Markthochlauf zu beschleunigen.

Dazu zählen beispielsweise der Einsatz digitaler Zwillinge und die Umsetzung intelligenter, nachhaltiger Produktionsketten auf der Basis ganzheitlicher ökonomischer und ökologischer Analysen. Gleichzeitig sind Innovation und Detailwissen in den einzelnen Bereichen unabdingbar, um die Engineering-Herausforderungen in der Skalierbarkeit der Produktionssysteme zu überwinden (s. dazu auch Teil 3 dieser Blogserie).

Laut der internationalen Energieagentur wird weltweit eine Elektrolyseurkapazität von 720 GW im Jahr 2030 benötigt, um das Net Zero Ziel 2050 zu erreichen. Aktuell sind jedoch nur ca. 5,5 GW installiert. Das sind weniger als 1% der bis 2030 erforderlichen Leistung. Wenn alle Projekte, die derzeit in Planung sind, realisiert werden, kann die globale Elektrolyseurkapazität bis 2030 134 – 240 GW erreichen. Dieses Defizit muss einerseits mit intelligenten Lösungen überbrückt werden, die den Markthochlauf der Wasserstoffproduktion beschleunigen, aber auch mit Wasserstoffimporten und dem dafür notwendigen Netz zur Verteilung.

Transport

In der aktualisierten Nationalen Wasserstoffstrategie 2023 geht die Bundesregierung davon aus, dass 50 – 70% des Wasserstoffs nach Deutschland importiert werden müssen. Um die dadurch notwendige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb Deutschlands zu gewährleisten, arbeiten die Fernleitungsnetzbetreiber (FNB) an einem 13.000 km langem Wasserstoffnetz, dass bei moderaten Investitionskosten volkswirtschaftlich effizient und verlässlich bis zum Jahr 2050 errichtet werden kann und Deutschland klimaneutral machen soll.

Abb. 1 Geplantes Wasserstoffnetz im Jahr 2050. Quelle: FNB Gas

Um den Wasserstoffbedarf Europas zu decken, wurde zudem 2020 der European Hydrogen Backbone (EHB) gegründet. In diesem arbeiten verschiedene europäische Gasnetzbetreiber am Aufbau einer pan-europäischen Wasserstoffinfrastruktur.

Dabei werden bestehende Erdgasfernleitungen soweit möglich auf Wasserstoff umgestellt, nicht für Wasserstoff geeignete Netzkomponenten wie z. B. Verdichter ausgetauscht, und das Netz durch Neubauten ergänzt. Es sind fünf Korridore geplant, entlang derer der Wasserstoff gasförmig unter hohem Druck nach Zentraleuropa transportiert werden sollen (s. dazu auch Abb. 2):

  • Südwest-Korridor:
    Verbindet Spanien und Portugal als Wasserstoff-Erzeugerländer mit Frankreich, als potenziellen Wasserstoffspeicherstandort
  • Nordafrika-Italien-Korridor:
    Liefert große Mengen an kostengünstigen grünen Wasserstoff aus Marokko und Süditalien nach Europa
  • Südosteuropäischer Korridor:
    Verbindungsstrecke potenzieller südosteuropäischer Wasserstoff-Erzeugerländer mit Mitteleuropa
  • Nordisch-baltischer Korridor:
    Verbindung potenzieller Wasserstoff-Produktionsstätten auf Off- und Onshore-Windenergiebasis in der Ostsee und den baltischen Ländern mit Zentraleuropa
  • Nordsee-Korridor:
    Schließt potenzielle Wasserstoff-Produktionsstätten, z. B. mittels Offshore-Windenergie, aus der Nordsee an Mitteleuropa, v.a. die Niederlande an, bei gleichzeitigem Ausbau der niederländischen Gas- und Hafeninfrastruktur für Wasserstoff-Derivate

Die Investitionskosten für diesen Ausbau bis 2040 werden auf 80 – 143 Mrd. EUR geschätzt, wobei im Jahr 2040 mit 1,6 – 3,2 Mrd. EUR an operativen Kosten pro Jahr gerechnet wird. Für den Onshore-Transport von 1kg Wasserstoff pro 1000 km fallen voraussichtlich 0,11-0,21€ an.

Abb. 2: Geplante pan-europäische Wasserstoffinfrastruktur 2030 (links) und 2040 (rechts). Quelle: European Hydrogen Backbone 2022.

Für globale Wasserstoffimporte, z. B. aus Australien, ist wiederum ein Schiffstransport notwendig. Dafür sind verschiedene Transportformen denkbar. Auch wenn 2022 bereits der erste Schiffstransporter für flüssigen Wasserstoff getestet wurde, gestaltet sich der Transport von gasförmigen oder flüssigen Wasserstoff weiterhin als technisch aufwendig, weshalb Alternativen in Betracht gezogen werden.

Neben dem Transport mit LOHCs (engl. Liquid Organic Hydrogen Carriers) – bei denen Tanksysteme wie bei fossilen Brennstoffen verwendet werden können – und in Form von Methanol, ist eine vielversprechende Option Ammoniak. Sowohl Forschung als auch Industrie streben hier aktuell danach, die Ammoniaksynthese und auch die Wasserstoffrückgewinnung effizienter zu gestalten.

Die Vorteile: Bei der Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff wird bei einem Wirkungsgrad von 55% prozessbedingt kein CO2 erzeugt. Ammoniak besitzt zudem eine höhere Energiedichte (4,25 kWh/L) als flüssiger Wasserstoff (2,81 kWh/L), ist einfach handzuhaben und aufgrund der Düngemittelindustrie als eine der am häufigsten produzierten und verwendeten Chemikalien weltweit etabliert. Ein Nachteil ist jedoch die energieaufwendige Rückgewinnung des Wasserstoffs aus der Ammoniakzersetzung, da dieser Prozess endotherm ist und bei 500 °C stattfindet.

Viele Sektoren sind auf die Wasserstoff-Transformation angewiesen, allen voran die Stahl- und Chemieindustrie aber auch die Automobil-, Flug- und Bahnsektoren, die Schifffahrt und der Gebäudesektor. Um den Aufbau der Infrastruktur zur Erzeugung und Nutzung zu beschleunigen, werden auch intelligente digitale Technologien und Engineering-Lösungen eine zentrale Rolle spielen. Wie genau, das behandeln wir in Teil 3 dieser Blogserie zu Thema Wasserstoff.

Lesen Sie hier auch Teil eins, der die Frage behandelt, welche Sektoren aufgrund technologischer Innovationen und ihrer Treibhausgasemissionen vom Umstieg auf Wasserstoff profitieren.

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Autor

Andreas Kötter

Head of Research and Innovation, Capgemini Engineering Deutschland
Andreas Kötter arbeitet seit 14 Jahren für Capgemini. Er verfügt über langjährige Expertise in den Bereichen Prototypen- und Demonstratorenentwicklung sowie Innovationsmanagement. Mit mehr als 12 Jahren Erfahrung in der Koordination verschiedener Forschungs- und Innovationsprojekte, die von der Europäischen Kommission und der deutschen Regierung finanziert wurden, leitet er heute das Capgemini Center of Excellence für Forschung und Innovation.

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