Auf dem Weg zu einer Wasserstoffwirtschaft in den USA und darüber hinaus

Während die Verwendung von kohlenstoffarmem Wasserstoff heute in den meisten Märkten keine rentable wirtschaftliche Option darstellt, werden die Räder für Wasserstoff in Bewegung gesetzt, um die Dekarbonisierung der weltweiten Energieversorgung zu unterstützen. Es ist ein Weg, der einige Zeit in Anspruch nehmen wird, aber notwendig ist, wenn wir bis zur Mitte des Jahrhunderts CO2-Neutralität erreichen wollen. Dieser Artikel gibt einen Ausblick darauf, wie sich die Wasserstoffwirtschaft sowohl regional in den USA als auch weltweit entwickeln kann.

Auch wenn es vielleicht nicht das goldene Zeitalter des Wasserstoffs ist, ist seine Zeit sicherlich gekommen. Schauen Sie sich nur die USA an. Dort wurden mit dem 2021 verabschiedeten Infrastructure Investment and Jobs Act 9,5 Milliarden US-Dollar für sauberen Wasserstoff bereitgestellt, während im folgenden Jahr mit dem Inflation Reduction Act (IRA) zusätzliche Richtlinien und Anreize geschaffen wurden.

Auch andere Länder drängen auf kohlenstoffarmen Wasserstoff und andere saubere Kraftstoffe. Beispielsweise gibt es in der Europäischen Union mehrere Programme zur Unterstützung von Wasserstoff, etwa die Clean Hydrogen Partnership und die European Clean Hydrogen Alliance. Ebenso plant China, bis 2035 50.000 Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge auf die Straße zu bringen. Darüber hinaus wird China Wasserstoff zur Energiespeicherung, Stromerzeugung und Industrie nutzen. Insgesamt gibt es weltweit 25 Länder, die nationale Wasserstoffinitiativen gestartet haben.

Die Kraft des am häufigsten vorkommenden Elements im Universum

Dahinter steckt eine einfache Einschätzung. Vor allem grüner Wasserstoff, aber auch andere saubere Kraftstoffe wie Bioethanol, Biodiesel und E-Ammoniak werden entscheidende Erfolgsfaktoren für die Energiewende der Weltwirtschaften sein. Sie sind notwendig für die Dekarbonisierung von Volkswirtschaften, die bis heute stark auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung für die Bekämpfung des Klimawandels. Gleichzeitig ist Wasserstoff ein wesentlicher Baustein, um die Energiesicherheit der Länder in den kommenden Jahren zu gewährleisten. Während Wasserstoff eine umfangreiche Infrastruktur benötigt, um ihn in großen Mengen in reiner Form zu konzentrieren, ist er auch das am häufigsten vorkommende Element auf der Welt und praktisch überall verfügbar.

Doch wie wird im Allgemeinen eine Wasserstoffwirtschaft entstehen, in den USA und anderswo? Und genauer gesagt: Wie können wir erwarten, dass grüner Wasserstoff verschiedene Bereiche der Wirtschaft dekarbonisiert, etwa den Transport, die Schwerindustrie und insbesondere die Stromerzeugung?

Neue Gasturbinen müssen bereit sein, Wasserstoff zu verbrennen

Was den aktuellen Stand von Wasserstoff angeht, gibt es gute Nachrichten. Während der Großteil der neuen Energieerzeugung auf erneuerbaren Energien basiert, werden wir weiterhin Gaskraftwerke benötigen, um regelbare Energie für die Zeiten bereitzustellen, in denen der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint. Obwohl Gas ein kohlenstoffarmer Kraftstoff ist, ist er nicht kohlenstofffrei. Damit ist Wasserstoff in Kraftwerken eine CO2-freie Alternative zu Erdgas.

Um auf diesen Übergang vorbereitet zu sein, benötigt jedes neue Gaskraftwerk wasserstofffähige Gasturbinen, die in der Lage sind, Wasserstoffmischungen und schließlich 100 Vol.-% (100 Vol.-% Wasserstoff) zu verbrennen, um emissionsfreie Energie zu erzeugen. Industriegasturbinen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden können, wie die SGT-800 und SGT-400 von Siemens Energy, seien bereits „in Sicht“. Darüber hinaus haben Erstausrüster wie Siemens Energy angekündigt, dass sie daran arbeiten, ab 2030 alle Gasturbinengehäuse zu 100 % wasserstofffähig zu machen.

Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur

Dennoch bilden wasserstofffähige Gasturbinen allein noch keine vollständige Wasserstoffwirtschaft. Was fehlt, ist Infrastruktur (Abbildung 1) und insbesondere Produktionskapazitäten für Wasserstoff. Aufgrund dieser Knappheit sind die Preise immer noch hoch. Ebenso fehlen vielerorts ausreichende Wasserstoffleitungen, Transportkapazitäten und Speichermöglichkeiten. Und wo Unternehmen auf den Aufbau der notwendigen Infrastruktur drängen, besteht eine weitere Hürde: Der Genehmigungsprozess ist in den USA und in anderen Ländern langwierig und schwierig.

1. Um die Vorteile von grünem und blauem Wasserstoff voll auszuschöpfen, ist eine zusätzliche Wasserstoffinfrastruktur erforderlich. Mit freundlicher Genehmigung: Siemens Energy

Das heißt aber nicht, dass die Branche untätig ist. Im Gegenteil: Nahezu überall auf der Welt wird zukunftsweisende Wasserstoff-Infrastruktur aufgebaut. In den USA wird beispielsweise die bestehende Wasserstoffinfrastruktur ausgebaut. Dazu gehört der Aufbau von sechs bis zehn Hubs für sauberen Wasserstoff, der von der Bundesregierung mit bis zu 7 Milliarden US-Dollar unterstützt wird. Ein Teil dieser Erweiterung umfasst Arbeiten am bestehenden Wasserstoffnetz an der US-Golfküste, einem der größten der Welt, das sich über etwa 300 Meilen von Freeport, Texas, bis Lake Charles, Louisiana, erstreckt.

Es gibt weitere bestehende Wasserstoffinfrastruktur, beispielsweise im Chemiedreieck in Sachsen-Anhalt. Weitere sind in Arbeit, etwa H2Benelux oder das Hydrogen Valley in Großbritannien. Regierungen auf der ganzen Welt erwägen auch den Umbau bestehender Erdgaspipelines für den Transport von Wasserstoff, wie dies auch bei Terminals für Flüssigerdgas (LNG) der Fall ist. Der Schlüssel zu all diesen Projekten sind jedoch große H2-Abnehmer wie die Stahl-, Düngemittel-, Mobilitäts- und Energieindustrie.

Infrastruktur als Enabler

Ein Ziel dieses Aufbaus ist der starke Einsatz fossiler Brennstoffe für Prozesse, die nicht einfach elektrifiziert werden können. Dazu gehört unter anderem die Wärmeerzeugung in schwer zu reduzierenden Industrien wie der Stahl- und Zementindustrie. Das Salcos-Projekt beispielsweise zielt darauf ab, mithilfe von grünem Wasserstoff nahezu auf den Einsatz von Erdgas zu verzichten.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Ersatz fossiler Rohstoffe in der chemischen Industrie, beispielsweise die Nutzung von grünem Wasserstoff zur Herstellung von Methanol. Schließlich kann grüner Wasserstoff auch zur Herstellung verschiedener Arten synthetischer Kraftstoffe wie E-Kerosin, E-Methanol und E-Benzin verwendet werden, was die Dekarbonisierung der Luftfahrt-, Schifffahrts- und Schwertransportindustrie unterstützt. Ein Beispiel ist Haru Oni ​​in Chile, die weltweit erste integrierte Wasserstoffanlage im industriellen Maßstab zur Herstellung synthetischer klimaneutraler Kraftstoffe. All dies ist attraktiv für Unternehmen, die sich gemeinsam mit Regierungen öffentlich verpflichtet haben, bis zur Mitte des Jahrhunderts CO2-Neutralität zu erreichen, wie General Motors, Cemex (ein Zementhersteller) und Honeywell, um nur einige von vielen zu nennen.

Blick nach vorn: Kraftwerke

Diese Industriemärkte haben kommerziell niedrigere Breakeven-Preise für Wasserstoff und sollten daher zuerst realisiert werden. Der Einsatz von Wasserstoff in Kraftwerken dürfte aber auch aufgrund des regulatorischen Drucks zur vollständigen Dekarbonisierung des Stromsektors zunehmen, wodurch konventionelle Kraftstoffe aufgrund von CO 2 -Strafen teurer werden. Mehrere Länder haben sich außerdem verpflichtet, bis 2050 klimaneutral zu werden. Schweden und Deutschland beispielsweise streben das Jahr 2045 an. Die Gruppe der Sieben (G7), die führenden Industrienationen, haben sich unterdessen dazu verpflichtet, ihren Stromsektor bis 2035 zu dekarbonisieren.

Und während die USA beabsichtigen, bis 2050 insgesamt Netto-Null-Emissionen zu erreichen, haben sie sich auch das Ziel gesetzt, bis 2035 kohlenstofffreien Strom zu produzieren. Darüber hinaus hat die US-Umweltschutzbehörde (EPA) eine neue Emissionsverordnung vorgeschlagen, die nahezu umgesetzt wird 100-Vol.-%-Mitverbrennung von kohlenstoffarmem Wasserstoff im Energiesektor bis 2038. Dementsprechend beobachtet Siemens Energy ein erhöhtes Interesse sowohl an Industrie- als auch an Hochleistungsturbinen, die 100 Vol.-% Wasserstoff verfeuern können.

Die Tür für wasserstofffähige Kraftwerke öffnen

Dieser Vorstoß zur Dekarbonisierung im Energiesektor legt den Grundstein für wasserstofffähige Gaskraftwerke. Heutzutage wird ein immer größerer Teil des weltweiten Strombedarfs durch erneuerbare Energien gedeckt. Darüber hinaus sehen viele Länder die Kernenergie immer noch als wichtigen Grundlastlieferanten. Allerdings können Gaskraftwerke für die Restlast eingesetzt werden, wenn die erneuerbare Leistung nachlässt oder die Nachfrage ihren Höhepunkt erreicht.

Das Erdgas, das diese Kraftwerke heute nutzen, sollte als Übergangsgas zu sauberen Kraftstoffen wie grünem Wasserstoff betrachtet werden. Tatsächlich wird erwartet, dass die Nachfrage nach Erdgas ihren Anteil am weltweiten Energiebedarf in den nächsten 10 bis 15 Jahren erhöhen wird, was es zum einzigen fossilen Brennstoff mit einem Aufwärtstrend macht. Um sich auf diesen Übergang vorzubereiten, ist es angesichts des Lebenszyklus einer Gasturbine sinnvoll, mit der Installation neuer wasserstofffähiger Gasturbinen zu beginnen oder bestehende Turbinen zu modifizieren, um sie wasserstofftauglich zu machen. Sie können schnell nachgerüstet werden, sobald kohlenstoffarmer Wasserstoff in großem Maßstab und zu angemessenen Kosten verfügbar ist.

Die Farbtöne des Wasserstoffs

Es ist erwähnenswert, dass nicht jeder Wasserstoff aus einem Guss ist. Wasserstoff wird je nach Produktionsweg in verschiedene Farben eingeteilt, von Blau über Gelb über Rosa bis Türkis. Derzeit werden mehr als 90 % des Wasserstoffs konventionell aus Erdgas mit Dampfgasreformierung (grau), Braunkohle (braun) oder Steinkohle (schwarz) mittels Kohlevergasung hergestellt. Diese Prozesse sind die kohlenstoffintensivsten.

Der nächste Schritt ist die Herstellung von blauem Wasserstoff aus Erdgas, wobei der Großteil des erzeugten CO2 aufgefangen und in unterirdischen Grundwasserleitern, erschöpften Öl- und Gasfeldern gespeichert oder in der Industrie verwendet wird. Schließlich wird grüner Wasserstoff ohne CO2-Emissionen hergestellt, beispielsweise durch Elektrolyse mit Strom aus 100 % erneuerbaren Quellen.

Laut dem Sonderbericht „Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector“ der Internationalen Energieagentur sind blauer und grüner Wasserstoff die Zukunft – und sie werden noch über einen beträchtlichen Zeitraum nebeneinander existieren. Bis 2050 wird voraussichtlich etwa die Hälfte der Wasserstoffproduktion aus der Reformierung fossiler Brennstoffe mit CCS (Carbon Capture and Storage, blau) und die Hälfte aus erneuerbaren Quellen (grün) stammen, wobei grüner Wasserstoff mit der Zeit wettbewerbsfähiger wird.

Ein Weg nach vorn für Wasserstoff

Offensichtlich gibt es nicht nur einen Weg für die industrielle Nutzung von Wasserstoff, sondern auch für Gaskraftwerke. Und obwohl aus rein kommerziellen Gründen in diesem Jahrzehnt nicht mit einer breiten Einführung von Wasserstoff zu rechnen ist, werden Regulierungsmaßnahmen und Programme wie die IRA dazu beitragen, in den nächsten Jahren positive Geschäftsszenarien zu erzielen.

2. Das Heizkraftwerk Donaustadt ist eines der größten Heizkraftwerke Österreichs. Ursprünglich mit Erdgas befeuert, wird es nun auf den Betrieb mit gemischtem Wasserstoff umgerüstet. Es handelt sich um eine der ersten derartigen Modernisierungen einer großen Hochleistungsgasturbine im kommerziellen Betrieb. Mit freundlicher Genehmigung: Wien Energie/Johannes Zinner

Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Grundlagen für die Wiederelektrifizierung von Wasserstoff bereits gelegt werden. Es gibt kleinere Demonstrations- und Pilotprojekte, wie zum Beispiel Hyflexpower, ein Industriekraftwerk in einer Papierfabrik in Saillat-sur-Vienne in Frankreich, das die Mitverbrennung von Wasserstoff erfolgreich getestet hat. Anfang 2023 wurde eine große Siemens Energy SGT6-6000G-Turbine mit nur geringfügigen Modifikationen auch in einem Kraftwerk in den USA mit einer Mischung aus 38 Vol.-% Wasserstoff betrieben und war damit die größte in Betrieb befindliche Gasturbine der Welt, die dies erreichte Prozent Mischung. Und schließlich fand im Juli 2023 im österreichischen Heizkraftwerk Donaustadt (Abbildung 2) der erste Testlauf mit einer Brennstoffmischung aus 15 Vol.-% Wasserstoff statt. Für die nächste Stufe wird der Test den Wasserstoffanteil auf 30 Vol.-% verdoppeln. .

Es wird einige Zeit dauern – aber es muss trotzdem beschleunigt werden

Auch wenn nichts, was wir in diesem Jahrzehnt erreichen, ausreichen wird, werden die heutigen Fortschritte entscheidend für den letztendlichen Erfolg der Wasserstoffeinführung sein. Und wir müssen geduldig sein. Heute sollten wir vom Status quo weder überrascht noch entmutigt sein. Wir stehen erst am Anfang der Nutzung von Wasserstoff zur Dekarbonisierung unserer emissionsintensiven Wirtschaft. Und so wie die Ölinfrastruktur über viele Jahrzehnte hinweg aufgebaut wurde, wird auch die Wasserstoffinfrastruktur Zeit brauchen. Dennoch ist es wichtig, dass wir seine Entwicklung beschleunigen.

—Chris Ferraro ist Leiter für Neue Produkte Nordamerika bei Siemens Energy.