Projekt

H₂ D – Eine Wasserstoffwirtschaft für Deutschland

Hier entsteht sukzessive eine technologiezentrierte Roadmap für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft in Deutschland. Initial fokussieren wir dabei die Elektrolyse als zentrale Technologie zur Synthese von grünem Wasserstoff und damit der essentiellen Voraussetzung für die Vollendung der Energiewende, dem Wechsel zu einem nachhaltigen Energie- und Wirtschaftssystem und damit dem Erreichen der Klimaziele.

Wasserstoffstrategien der deutschen Bundesländer – ein Überblick

Mit der Veröffentlichung der Nationalen Wasserstoffstrategie im Juni 2020 hat (grüner) Wasserstoff eine zentrale Bedeutung im Kontext der Energiewende und der Verringerung der CO2-Emissionen erhalten. Der Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energieträger erfordert neben wissenschaftlichen und technologischen Lösungen zu Erzeugung, Transport und Nutzung des grünen Wasserstoffs Ansätze zur Entwicklung neuer Netzwerke und Wertschöpfungszusammenhänge, neuer regulatorischer Rahmenbedingungen und Qualifikationsprofile, neue Steuerungsstrukturen und Anschubfinanzierungen. Zusätzlich zur Bundesebene engagieren sich die Bundesländer in der Strategieentwicklung, um ihre spezifischen Stärken und Potenziale für den Auf- und Ausbau der Wasserstoffwirtschaft in ihren Regionen zu nutzen und umsetzungsrelevante Rahmenbedingungen zu schaffen.

Unterschiedliche Aktivitäten finden gegenwärtig in den Bundesländern statt, die von Projekten und Initiativen über (Potenzial- oder Machbarkeits-) Studien zu Strategien und Roadmaps zum Aufbau einer (regionalen) Wasserstoffwirtschaft reichen. Abbildung 1 gibt einen Überblick über das bestehende Spektrum (Stand: Januar 2021), das anhand von umfangreichen online-Recherchen und Dokumentenanalysen ermittelt wurde. Zusätzlich zu länderspezifischen Strategie- und Roadmap-Prozessen bzw. entsprechenden vorbereitenden Untersuchungen sind auch bundeslandübergreifende Aktivitäten zu beobachten, so beispielsweise das auf Strukturwandel und Kohleausstieg in Ostdeutschland ausgerichtete Eckpunktepapier der ostdeutschen Kohleländer Brandenburg, Sachsen-Anhalt und Sachsen zur Entwicklung einer regionalen Wasserstoffwirtschaft oder die Norddeutsche Wasserstoffstrategie (Mecklenburg-Vorpommern, Schleswig-Holstein, Hamburg, Bremen, Niedersachsen), die die spezifischen Alleinstellungsmerkmale und Standortfaktoren Norddeutschlands adressiert. Zusätzlich zur Norddeutschen Wasserstoffstrategie hat Schleswig-Holstein ein landesspezifisches Strategiedokument und einen entsprechenden Handlungsrahmen für grünen Wasserstoff erstellt. In Brandenburg und Sachsen sind landesspezifische Wasserstoffstrategien auf der Basis partizipativer Prozesse für das Jahr 2021 vorgesehen, während Sachsen-Anhalt nach einem Grün- auch ein Weißbuch publiziert und Thüringen das Gutachten »Wasserstoff in Thüringen« publiziert hat. Die drei bevölkerungsreichsten Bundesländer Bayern, Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen haben ihre Wasserstoff-Roadmaps bzw. -strategien 2020 fertiggestellt. Rheinland-Pfalz hat im Januar 2021 eine Wasserstoffstudie mit Roadmap ausgeschrieben, deren Ergebnisse Anfang 2022 vorliegen dürften.

Abbildung 1:	Überblick der Wasserstoffstrategien in Deutschland. Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Dokumentenanalysen. Karte erstellt mit ArcMap 10.4, Geodaten: © GeoBasis-DE / BKG (2020).
Abbildung 1: Überblick der Wasserstoffstrategien in Deutschland. Quelle: Eigene Darstellung basierend auf Dokumentenanalysen. Karte erstellt mit ArcMap 10.4, Geodaten: © GeoBasis-DE / BKG (2020).

Die vorliegenden Dokumente adressieren sowohl bestehende Kapazitäten, Kompetenzen und Infrastrukturen in Forschung und (Technologie-) Entwicklung, Speicherung und Transport als auch potenzielle Anwendungen und bestehende Herausforderungen. Weitere Schwerpunkte liegen in der Erzeugung regenerativer Energien sowie der Wasserstoffelektrolyse und der Sektorenkopplung. Auch bestehende Netzwerke, Verbünde, Cluster und Reallabore stellen spezifische Standortvorteile dar. Basierend auf den landesspezifischen Ist-Situationen können zukunftsorientierte Schwerpunkte entwickelt und dargestellt werden. Diese werden bereits in zentralen Projektvorhaben beispielsweise in Reallaboren, Forschungs- und Kooperationsvorhaben (auch bundeslandübergreifend und auf europäischer Ebene) sowie in anwendungsnahen Verbundprojekten realisiert; weitere Vorhaben sind in Planung. Das Spektrum der Anwendungen reicht von Verkehr und Mobilität (z.B. Schienen- und Lastverkehr) über Industrie (z. B. Kraftwerke, Chemie, Stahl) bis hin zur Wärmeerzeugung.

Aus der Dokumenten- und Strategieanalyse lassen sich unterschiedliche Schwerpunkte im Hinblick auf die Wasserstoffelektrolyse ableiten. Generell liegt der Fokus auf der technologischen Weiterentwicklung insbesondere im Hinblick auf Serientauglichkeit, Skalierung und Markthochlauf (z. B. Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen) sowie Pilotierung und Betrieb, so beispielsweise im Testfeld für elektrische Eigenschaften (Bremen), im Heizkraftwerk Marzahn (Berlin), bei der Salzgitter AG und Audi im Emsland (Niedersachsen), in Hamburg oder in einem Stadtquartier in Schleswig-Holstein. In Nordrhein-Westfalen ist der Aufbau von Elektrolyseleistung im Rheinischen Revier und im Ruhrgebiet, in Saarland in der Völklinger Hütte geplant. Bereits gegenwärtig bestehen umfangreiche Kompetenzen in der Produktion von Elektrolyseuren, beispielsweise in Sachsen, während andere Bundesländer günstige Ansiedlungsbedingungen auf der Basis bestehender Infrastrukturen und/ oder der Verfügbarkeit erneuerbarer Energien hervorheben (Mecklenburg-Vorpommern, Sachsen-Anhalt, Brandenburg). Thüringen verweist auf Pilotprojekte insbesondere in dezentraler Dimension, und Bayern sowie Brandenburg heben den Aufbau von Regelungen, regulativen Rahmenbedingungen einschließlich Abschreibungen für Elektrolyseure sowie das Einbringen der Landespositionen in nationalen und europaweiten Kommunikationen hervor.

Wasserstoff-Elektrolyse – Forschungsnetzwerk in Deutschland

Öffentliche Förderprojekte treiben häufig die initiale Entwicklung neuer Technologien an. Daher kann die Teilnahme an solchen Projekten zur Identifikation relevanter Akteure und deren Wechselwirkungen herangezogen werden. Neben der etablierten alkalischen Elektrolyse gelten vor allem Verfahren mit Protonenaustauschmembran (PEM) oder bei hohen Temperaturen betriebene Feststoff-Zellen (SOEC) als aussichtsreich. Beispielhaft haben wir selektiv Daten zu Projekten, die mit dem Schlüsselwort ›PEM Elektrolyse‹ (und Varianten davon) versehen sind, aus der ENARGUS Datenbank ausgewählt und aufbereitet. Diese Datenbank sammelt öffentlich geförderte Forschungsprojekte mit Energiebezug in Deutschland. Abbildung 1 visualisiert die aufbereiteten und ergänzten Daten aus 124 Einträgen zur oben beschriebenen Suchstrategie.

Netzwerkgraph für öffentlich geförderte Projekte mit Bezug zur PEM-Elektrolyse in Deuschland.
Abbildung 1: Netzwerkgraph für öffentlich geförderte Projekte mit Bezug zur PEM-Elektrolyse in Deuschland.

Abbildung 1 unterscheidet zwischen verschiedenen Akteursgruppen: (a) Fördergeber (grün), (b) Industrie (Konzerne, rot), (c) Mittelstand (kleine und mittlere Unternehmen, gelb), (d) Forschungsakteure (Universitäten und Forschungseinrichtungen, blau) sowie andere (Netzwerke, Verbände etc., weiß). Die Netzwerkgrafik visualisiert deren Beziehung (Kanten) zu den identifizierten Forschungsprojekten (grau). In der Abbildung ist der Vernetzungsgrad industrieller Akteure durch die Größe des jeweiligen Symbols hervorgehoben, da er in gewisser Weise deren Relevanz reflektiert. Andere Faktoren (wie etwa das Fördervolumen) werden in dieser Darstellung nicht betont. Zudem wurde die Darstellung von Forschungsakteuren grob vereinfacht (Universitäten als kleine Punkte, Forschungsinstitute gruppiert nach Verbünden). Abgesehen davon werden nur Akteure mit Verbindungen zu mindestens zwei Forschungsprojekten explizit dargestellt. Alle anderen (die nur in einem Projekt aktiv waren oder sind) werden ausschließlich in Summe (als Zahl im Projektsymbol) erfasst.

Wir erkennen das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) als häufigsten Fördergeber für Projekte mit Bezug zur PEM Elektrolyse. Dagegen fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine kleinere Zahl von häufig aber recht großen Projekten (erkennbar an der jeweiligen Zahl der Fördernehmer). Auf industrieller Seite treten besonders Umicore, FuMa-Tech BWT, Siemens, Greenerity, H-TEC SYSTEMS und AREVA H2GEN als Schlüsselunternehmen für die PEM-Elektrolyse in Deutschland hervor, da sie regelmäßig an relevanten Projekten beteiligt sind.

Die Qualität der Netzwerkanalyse hängt besonders von der Einbeziehung komplementärer Daten und deren Verarbeitung ab. Nicht alle Projekte (gerade ältere) pflegen einen öffentlichen Auftritt (Webseite o.ä.), so dass die Datenlage in einigen Fällen nicht zwingend immer vollständig ist. Auch sind Namensänderungen gerade bei industriellen Akteuren (z. B. im Zuge von Übernahmen oder Zusammenschlüssen) nicht unüblich und erschweren deren kontinuierliche Identifikation.

Wasserstoff-Elektrolyse – Patent-Analyse

Elektrolyse hat das Potential Wasserstoff emissionsfrei zu erzeugen und ist damit eine Schlüsselvoraussetzung für eine künftige nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Die Fraunhofer-Gesellschaft treibt unter anderem besonders die Erforschung von Elektrolysetechniken basierend auf Membranen, die durchlässig für Protonen (PEM, engl. für proton exchange membrane) bzw. Anionen (AEM, engl. für anion exchange membrane) sind, voran. Wir setzen Patentanalysen ein, um die internationalen Aktivitäten in diesem Feld zu vergleichen (Abbildung 1) sowie Schlüsselakteure in Forschung und Entwicklung dieses Themas zu identifizieren. Restriktive Suchstrategien zielen darauf ab, ausschließlich die Patente mit höchster Relevanz für das Thema zu betrachten. Die Online-Datenbank World Patent Index (WPI) liefert dafür einen besseren Textzugang, da hier die offiziellen Zusammenfassungen in sinnvolle technische Beschreibungen überführt werden. Mit der Beschränkung auf transnationale Patente kann eine selektive Bevorzugung (im Vergleich zu Abfragen bei nationalen Patentämtern) verhindert werden. Gleichzeitig bewirkt diese Einschränkung eine Fokussierung auf Patente mit hohem ökonomischen Wert (während Patentierungen aus anderen Motiven sich angesichts der hohen Kosten meist auf einen Markt beschränken).

Abbildung 1 zeigt die Resultate von Schlüsselwortsuchen in der relevanten Patentklasse für Elektrolyseure (C25B/IPC) nach PEM- und AEM-Technologien. In den letzten Jahren ist die transnationale Patentierung in diesem Feld deutlich gewachsen. Die regionale Verteilung der Ursprungsländer zeigt eine vergleichsweise starke Stellung deutscher Akteure. Deren Anteil von 21 transnationalen Patentanmeldungen in den Jahren von 2010 bis 2018 ist nahezu vergleichbar mit Japan (24) und den USA (23). Andere europäische Akteure tragen weitere 20 Treffer bei, so dass Europa insgesamt durchaus eine Führungsrolle für die Technologie einnimmt. Nennenswerte Aktivitäten sind zudem in Korea und China (unter Asien) sowie in Kanada und Australien (unter Rest der Welt) zu verzeichnen.

Abb. 1: Analyse transnationaler Patente für Wasserstoffherstellung mittels membran-basierter Elektrolyse. [Transnationale Patente; (a) Zeitreihe; (b) regionale Verteilung (Jahre 2010-2018)].
Abbildung 1: Analyse transnationaler Patente für Wasserstoffherstellung mittels membran-basierter Elektrolyse.

Wasserstoff-Elektrolyse – Meta-Markt-Analyse

Zahlreiche Marktstudien behandeln das Thema Wasserstoff und seine Erzeugung. An dieser Stelle liegt der Fokus auf Elektrolyse als zentrale Herstellungsmethode für grünen Wasserstoff. Marktstudien sind gewöhnlich kostenintensiv in der Beschaffung, die Anbieter veröffentlichen jedoch zumeist einen begrenzten Informationsumfang kostenfrei. Unsere Meta-Analyse basiert auf dem Vergleich solcher Daten, die wir von 23 einschlägigen Marktstudien gesammelt haben. Sie liefert einen ersten Einblick in das Volumen und die erwartete Entwicklung des Elektrolysemarkts als auch eine Übersicht der wichtigsten Akteure.

Abb.1: Umsatzprognose für den Weltmarkt für Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung. [Globaler Markt für Elektrolyseure; Umsatz in Mio. US$]
Abbildung 1: Umsatzprognose für den Weltmarkt für Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung.

Alle Studien erwarten ein kontinuierliches Wachstum des Weltmarkts für Elektrolyseure mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate zwischen 3 und 14 Prozent über die kommende 5 bis 10 Jahre. Damit werden Umsätze zwischen 230 und 365 Millionen US$ für das Jahr 2025 erwartet (Abbildung 1).

Die meisten Marktstudien benennen in der kostenfreien Vorschau zudem Schlüsselunternehmen, die im Volltext näher behandelt werden. Die Anzahl dieser Nennung bestimmter Unternehmen (Tabelle 1) liefert erste Indizien hinsichtlich deren Bedeutung im Markt für Elektrolyseure.

Tabelle 1: In den analysierten Marktstudien erwähnte Unternehmen.
Tabelle 1: In den analysierten Marktstudien erwähnte Unternehmen.