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.
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: November 2021), das anhand von umfangreichen Online-Recherchen und Dokumentanalysen ermittelt wurde. Zusätzlich zu länderspezifischen Strategie- und Roadmap-Prozessen bzw. entsprechenden vorbereitenden Untersuchungen sind auch bundeslandübergreifende Aktivitäten zu beobachten. Beispiele sind 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, Hessen, Sachsen-Anhalt, Thüringen sowie im Saarland sind im Jahr 2021 landesspezifische Wasserstoffstrategien publiziert worden, und auch für die Sächsische Wasserstoffstrategie ist dies vorgesehen. Die drei bevölkerungsreichsten Bundesländer Bayern, Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen haben ihre Wasserstoff-Roadmaps bzw. -strategien 2020 fertiggestellt. Rheinland-Pfalz hat im Sommer 2021 eine Wasserstoffstudie mit Roadmap in Auftrag gegeben, die eine landesspezifische Wasserstoffstrategie einschließlich konkreter Maßnahmen zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft entwickeln wird.
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 in der Wasserstoffelektrolyse und in 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.
Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte treiben oft die Entwicklung neuer Technologien voran (z. B. die nachhaltige Wasserstofferzeugung via Elektrolyse). Die Teilnahme an solchen Projekten hilft bei der Identifikation relevanter Akteure und ihrer Beziehungen untereinander. Daher analysieren wir öffentlich verfügbare Daten über relevante Forschungsprojekte. Die nachfolgenden Ergebnisse stellen die involvierten industriellen Akteure in Deutschland besonders heraus. Sie zeigen deren Beteiligung an staatlich geförderten Forschungsprojekten und die in diesem Rahmen erzielte Vernetzung.
Wir unterscheiden zwischen drei großen Zweigen der Elektrolyse-Technologie:
Es gilt zu beachten, dass diese Gruppen weiter in spezifischere Elektrolyseverfahren unterteilt werden können, wobei hybride Varianten (z. B. Hochtemperatur-PEM-Elektrolyseure) durchaus vorkommen.
Die weiter unten gezeigten Netzwerke basieren auf Recherchen in der EnArgus-Datenbank. Diese sammelt Daten zu staatlich geförderten Forschungsprojekten im Bereich der Energieforschung in Deutschland. Wir definieren und kombinieren mehrere Stichwortsuchen für jedes Feld der Elektrolysetechnologie. Die Ergebnisse werden von uns bereinigt und ergänzt (vgl. Abschnitt Methoden weiter unten), bevor wir die Netzwerk-Visualisierungen mittels Gephi generieren.
Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Ergebnisse, die für unsere weiteren Netzwerkanalysen berücksichtigt wurden. Wir nutzten sekundäre Analysetechniken (vgl. Abschnitt Methoden [DH1] weiter unten), um die Ergebnisse der einzelnen Suchanfragen (nach relevanten Schlüsselwörtern, sprachlichen Entsprechungen und Projektklassifikationen) zu kombinieren. Wir finden insgesamt 1253 Datenbankeinträge, die generell mit Elektrolyse in Verbindung gebracht werden. Diese betrachten wir gewissermaßen als natürliche Obermenge für unsere Analysen. Ebenso sind bei der Identifikation der mit den drei spezifischen Technologiefeldern (wie oben definiert) verbundenen Datenbankeinträge vorgegangen. In vielen Fällen sind die Überschneidungen technischen Ursprungs (z. B. bei HT-PEM-Elektrolyseuren). Auffällig war, das spezifischere Suchanfragen gelegentlich Ergebnisse lieferten, die mit allgemeineren Stichworten nicht gefunden wurden. Das signifikanteste Beispiel bilden als "Hochtemperatur-Elektrolyse" klassifizierte Datenbankeinträge, die bei Suchen nach "Elektrolyse" nicht erfasst wurden. In Abbildung 1 ist nur diese Abweichung dargestellt, ähnliche Effekte traten auch für die anderen Technologiefelder auf, allerdings in einem geringeren Umfang.
Abbildung 2 veranschaulicht die bereinigten und von uns vervollständigten Daten zu 40 Verbundforschungsprojekten, die über EnArgus-Suchen zu membranbasierten Elektrolysetechnologien ermittelt wurden.
Um die Interpretation zu erleichtern, haben wir einen Farbcode eingeführt, um die verschiedenen Arten von Akteuren zu unterscheiden:
Das Netzwerkdiagramm visualisiert insbesondere die Beziehungen zwischen den Akteuren (Kanten) und den öffentlich geförderten Projekten, die mit einer Zahl dargestellt werden. Diese gibt den Grad des Knotens (Gesamtzahl der direkten Verbindungen) an und drückt damit also die Anzahl der involvierten Fördermittelempfänger im Projektkonsortium aus. Zur Vereinfachung der Darstellung in Abbildung 2 wurden alle Akteure der Kategorien „FuE“ oder „Sonstige“ mit einem Grad unter zwei (d. h. nur eine Projektbeteiligung) in der Visualisierung ausgeblendet.
In unserer Darstellung skaliert die Knotengröße mit dem Verknüpfungsgrad, um die Relevanz von Akteuren, die in mehreren Projekten aktiv sind, hervorzuheben. Im Gegensatz dazu werden andere Faktoren (z. B. die Höhe der erhaltenen Fördermittel) in unseren Darstellungen nicht hervorgehoben. Außerdem haben wir die Darstellung der FuE-Akteure erheblich vereinfacht: Kleine blaue Punkte repräsentieren Universitäten und ähnliche Bildungseinrichtungen; große blaue Punkte stehen für nationale Forschungsverbünde; mittelgroße blaue Punkte kennzeichnen unabhängige Forschungsinstitute. Alle drei Kategorien erscheinen in Standardgrößen (skalieren also nicht mit dem Grad ihrer Projektbeteiligung).
Im Bereich der Elektrolyse sind drei Bundesministerien die wichtigsten Finanzierungsquellen:
Das BMWi ist eindeutig der häufigste Fördergeber für Projekte im Bereich der membranbasierten Elektrolyseverfahren in Deutschland. Das BMBF förderte eine geringere Anzahl an Projekten in diesem Bereich. Darunter waren jedoch auch umfangreichere Vorhaben, wie an der Größe der Konsortien in Abbildung 2 ablesbar. Aus diesen Projekten sticht P2X mit seinem Konsortium aus 53 Mitgliedern hervor.
Das Augenmerk der Visualisierung unserer Netzwerkanalysen liegt besonders auf industriellen Akteuren. Unter den Projekten, die sich mit membranbasierter Elektrolyse befassen, erkennen wir die Firmen Fumatech BWT, Heraeus, Siemens, Greenerity, H-TEC SYSTEMS und AREVA H2Gen als häufige Förderempfänger. Das SME Fumatech BWT ist auf die Herstellung von Membranen und Anlagentechnik spezialisiert[1]. Heraeus ist ein multinationaler Technologiekonzern, der sich auf die Lieferung von Schlüsselmaterialien für verschiedene Branchen[2] konzentriert. Siemens bezeichnet sich selbst als Technologiekonzern mit einer Fülle von Geschäftsbereichen weltweit (darunter auch Energieversorgung)[3]. Das KMU H-TEC Systems konzentriert sich auf PEM-Elektrolyseure und Stacks[4]. AREVA H2Gen (jetzt Elogen) ist ebenfalls auf die PEM-Elektrolyse spezialisiert[5].
Es ist zu beachten, dass Namensänderungen relativ häufig vorkommen, insbesondere bei industriellen Akteuren, die oft durch Fusionen und Übernahmen entstehen. So wurde beispielsweise SolviCore 2006 als Joint Venture von Solvay und Umicore gegründet. Nach der Übernahme durch Toray im Jahr 2015 wurde es in Greenerity umbenannt[6]. Wir stellen die Unternehmen grundsätzlich nach ihrer Bezeichnung im jeweiligen Projektkontext dar.
Wenn uns jedoch Vorgänge bekannt sind, die zu einer mehrfachen Darstellung der (essentiell) selben Einheit in der Visualisierung eines Forschungsnetzwerks führen, haben wir diese gruppiert und markiert (durch eine gestrichelte Umrandung). Allerdings haben wir Kenntnisse über diese und ähnliche Veränderungen nur beiläufig im Rahmen komplementärer Recherchen erlangt. Daher ist es möglich, dass andere (uns derzeit unbekannte) Fälle in unseren Diagrammen nicht dargestellt sind.
Abbildung 3 visualisiert die bereinigten und von uns vervollständigten Daten zu 21 Verbundforschungsprojekten, die im Rahmen von EnArgus-Recherchen zu Hochtemperatur-Elektrolyse ermittelt wurden. Die Darstellung folgt den zu Abbildung 2 (weiter oben) erläuterten Prinzipien hinsichtlich Farbkodierung und Skalierung der Knotengröße. Aufgrund des geringeren Umfangs des Netzwerks können wir hier jedoch alle Knoten unabhängig von ihrem Verknüpfungsgrad darstellen. Daher kann hier auf die (nun redundante) Angabe des Knotengrads der Projekte verzichtet werden.
Auch im Bereich der Hochtemperaturelektrolyse hat das BMWI die meisten Projekte gefördert. Es folgt das BMBF mit mehreren Projekten, während das BMVI nur ein einziges Projekt mit einem einzigen Akteur (Audi/VW) in diesem Bereich gefördert hat. Mit SunFire und KERAFOL identifiziert die Grafik zwei wichtige industrielle Akteure für die HT-Elektrolyse in Deutschland, die beide an mehreren Verbundforschungsprojekten beteiligt waren. SunFire ist ein Anbieter von industriellen Elektrolyseuren und hat sich rasant aus einem Start-Up entwickelt. Jüngst ist das Unternehmen auch der SME-Kategorie entwachsen. Das Unternehmen KERAFOL stellt keramische Folien und technische Keramiken her[7].
Die Mehrheit der in Abbildung 3 gezeigten Projekte zielen auf Festoxid-Elektrolyseure ab, aber auch andere Hochtemperatur-Elektrolyseverfahren kommen vor. Insbesondere werden auch HT-PEM-Prozesse entwickelt, die zu einer systematischen Überschneidung zwischen Abbildung 2 und Abbildung 3 führen.
Abbildung 4 visualisiert die bereinigten und von uns vervollständigten Daten zu 19 Verbundforschungsprojekten, die über EnArgus-Suchen zur alkalischen Elektrolyse-Technologie ermittelt wurden. Die Visualisierung folgt den gleichen Prinzipien wie die Grafiken weiter oben. Auch hier erkennen wir das BMWi als wichtigste Förderquelle für Projekte zur alkalischen Elektrolyse in Deutschland. Das BMBF hat ebenfalls eine Reihe von Projekten in diesem Bereich gefördert. Der traditionelle Stahlproduzent und Industriekonzern ThyssenKrupp ist der bedeutendste industrielle Akteur in Bezug auf die alkalische Elektrolyse in Deutschland. Die Beteiligung wird zumeist über die Anlagenbausparte ThyssenKrupp Uhde abgewickelt. Auch die auf Oberflächentechnologien spezialisierte Holzapfel Group ist an zwei Projekten zur alkalischen Elektrolyse beteiligt.
Zusammengenommen geben unsere Analysen der Forschungsnetzwerke zu den verschiedenen Elektrolysetechnologien (wie oben dargestellt) einen Einblick in die Innovationslandschaft zur Erzeugung von grünem Wasserstoff in Deutschland. Offensichtlich umfasst das umfangreiche Netzwerk zu membranbasierten Elektrolysetechniken (insbesondere PEM) die größte Anzahl von Projekten und Akteuren. Im Vergleich zu Hochtemperatur- und alkalischen Verfahren scheint hier also ein besonderes Augenmerk der als Fördergeber aktiven deutschen Bundesministerien zu liegen.
Dabei unterscheidet sich aber auch der Innovationskontext dieser Technologiebereiche erheblich. Alkalische Elektrolyseure stellen die etablierte Alternative dar und erfordern daher möglicherweise weniger intensive Grundlagenforschung. Membranbasierte Verfahren (insbesondere die PEM-Elektrolyse) gewinnen aktuell eine immer breitere Marktdurchdringung. Hochtemperatur-Elektrolyseure versprechen vor allem großes Anwendungspotenzial im industriellen Maßstab. Natürlich variieren die Fördermittel, die für individuelle Projekte gewährt werden nach Thema, Umfang, Größe und Zielsetzung. Die aggregierten Informationen zur Verteilung der Fördermittel (dargestellt in Abbildung 5 und Abbildung 6 unten) können dennoch einen zusätzlichen Blickwinkel erschließen.
Abbildung 5 vergleicht die Verteilung des Finanzierungsvolumens auf die einzelnen Bereiche der Elektrolysetechnologie. Im Allgemeinen bestätigen die Daten die hohe Aufmerksamkeit, die den membranbasierten Elektrolyseuren gewidmet wird.
Insbesondere erkennen wir gewisse Unterschiede hinsichtlich des durchschnittlichen Fördervolumens pro Projekt, das je nach Technologiebereich 3,60 Mio. €, 3,35 Mio. € bzw. 2,75 Mio. € für Projekte zu membranbasierten, Hochtemperatur- bzw. alkalischen Elektrolyseuren beträgt. Die Beobachtung könnte mit Unterschieden in der Art der geförderten Projekte (Technologieentwicklung vs. Umsetzung im großen Maßstab) und der Größe beteiligter Projektkonsortien zusammenhängen. Wir vergleichen die Aktivitäten der Fördergeber als ein weiteres Indiz.
Abbildung 6 differenziert die Verteilung der Projektförderung durch deutsche Bundesministerien auf Bereiche der Elektrolysetechnologie. Sie bestätigt BMBF und BMWi als wichtigste Fördergeber in diesem Bereich. Beide haben bislang in etwa vergleichbare Gesamtbudgets (von 117,2 bzw. 127,6 Mio. €) in Elektrolyseprojekte investiert. Es ist eine relative Präferenz für die Förderung der Hochtemperaturelektrolyse durch das BMWi zu erkennen, die sich gut mit dem industriellen Anwendungspotenzial deckt, während sich das BMBF insbesondere auf membranbasierte Verfahren konzentriert.
Das pro Projekt gewährte Fördervolumen weicht dabei zwischen den Ministerien voneinander ab: Das BMBF bewilligt im Durchschnitt etwa 4,7 Mio. €, während die Projekte des BMWi etwa 3,0 Mio. € erhalten. Diese Beobachtung könnte mit dem unterschiedlichen Charakter der Projekte zusammenhängen (Schwerpunktlegung auf Forschung bzw. Implementierung). So kann es sein, dass bei BMWi-Projekten oft industrielle Akteure (die einen hier nicht erfassten Eigenanteil der Kosten tragen) eine größere Rolle spielen.
Die aktuelle Version der EnArgus-Datenbank unterstützt nur einfache Suchen ohne logische Operatoren. Aus diesem Grund haben wir eine sekundäre Datenbank mit den Suchergebnissen aufgebaut, die wir zur weiteren Kombination und Differenzierung der Ergebnisse nutzen. Unser Ziel war es, übergreifende Suchstrategien zu definieren, die alle relevanten Datenbankeinträge kombinieren. Dabei haben wir alle Ergebnisse berücksichtigt, die mit relevanten Schlüsselwortversionen und Synonymen verbunden sind. So enthält die allgemeine Obermenge für "Elektrolyse"-Projekte auch Datenbankeinträge für "Elektrolyseure" (da die Ergebnisse dieser Suchen nicht kongruent sind). Natürlich haben wir systematisch auch englischsprachige Entsprechungen einbezogen.
In ähnlicher Weise haben wir die Suchstrategien für jeden Technologiebereich aufgebaut, dabei auch technologisch relevante Suchanfragen kombiniert. Technisch gesehen besteht der Bereich membranbasierter Techniken insb. aus "PEM-Elektrolyseuren" und "AEM-Elektrolyseuren". Unsere Suchanfragen umfassen dabei sowohl denkbare (sprachliche) Varianten als auch relevante Langfassungen der Akronyme (z. B. sowohl "Polymerelektrolyt-" als auch "Protonenaustausch-" für PE-Membran). Für die Hochtemperaturelektrolyse haben wir ausdrücklich "Festoxidelektrolyseure" als wichtigsten Zweig in diesem Bereich einbezogen. Darüber hinaus haben wir alle Suchstrategien mit einschlägigen Ziffern der Leistungsplansystematik ergänzt.
Die Ergebnisse haben wir nach manueller Prüfung der Metadaten der Datenbankeinträge (insb. Abstracts) weiter bereinigt. Ausführliche Recherchen zu den Projekten und beteiligte Akteuren (in Sekundärdatenbanken) tragen sowohl zur Ergänzung der Daten als auch zu unserem Verständnis der Inhalte bei. Diese Schritte zielen dabei besonders darauf ab, die Zuordnung von Projekten zu einer oder mehreren der ermittelten Technologien zu bestätigen, sowie weniger relevante Treffer auszusieben, bevor wir die Ergebnisse mithilfe von Gephi visualisieren.
Letzteres ist ein Open-Source-Programm zur Visualisierung und Bearbeitung von Netzwerk-Graphen. Wir haben das Programm verwendet, um die Verbindungen (oder Kanten) zwischen Akteuren und Projekten darzustellen. Insbesondere erlaubt es uns, Unterkategorien für jede Art von Akteur zu bilden (wie in den Legenden erklärt).
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[1] https://www.fumatech.com/en/
[2] https://www.heraeus.com/en/group/about_heraeus/about_heraeus_at_a_glance/about_heraeus.html
[3] https://new.siemens.com/global/en/company/about/technology-to-transform-the-everyday.html
[4] https://www.h-tec.com/en/company/
[5] https://elogenh2.com/en/discover-elogen/about-us/
[6] https://chemicalparks.eu/companies/greenerity
[7] https://www.kerafol.com/en/ueber-kerafol
Die Elektrolyse als potenziell kohlenstoffneutrale Erzeugungsmethode ist eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft. Die sich entwickelnde Wasserstoffindustrie – aufstrebende Nischenanbieter wie etablierte Anbieter von Energietechnik – strebt daher nach geistigem Eigentum an fortschrittlichen Elektrolysetechnologien. Die Analyse öffentlich verfügbarer Patentunterlagen kann daher Aufschluss über den Stand und die Entwicklung des Wettbewerbs auf aktuellen künftigen Märkten für Elektrolyseure geben – sowohl auf nationaler wie auf Unternehmensebene.
Wir verwenden Patentanalysen, um internationale Aktivitäten zu vergleichen und wichtige Akteure in Forschung und Entwicklung zu identifizieren. Vergleichsweise restriktive Suchstrategien zielen darauf ab, die Ergebnisse auf die relevantesten Patente zu beschränken. Die Online-Datenbank World Patents Index (WPI) bietet durch die Umwandlung der offiziellen Patent-Zusammenfassungen in nützliche technische Beschreibungen eine besseren Zugang für textbasierte Suchstrategien. Die Beschränkung auf transnationale Patente vermeidet regionale Verzerrungen (im Vergleich zu Recherchen in Datenbanken nationaler Patentämter) und konzentriert sich auf Anmeldungen mit hohem wirtschaftlichen Wert (aufgrund der erheblichen Kosten für transnationale Patentierung). Systematisch ergänzen wir die Resultate WPI-Recherchen durch detailliertere Analysen, für die wir mittels der Open Patent Services (OPS) des Europäischen Patentamts (EPA) auf Volltexte und umfangreiche Metadaten der relevanten Patente zugreifen.
In Analogie zu unseren Netzwerkanalysen identifizieren wir drei Technologiebereiche für Elektrolyseure:
Leider unterscheidet die Internationale Patentklassifikation (IPC) nicht zwischen verschiedenen Elektrolyse-Technologien, so dass wir uns bei der Differenzierung auf spezifische Stichwortsuchen beschränken müssen. Es gilt zu beachten, dass die oben genannten Kategorien nicht exklusiv sind und bestimmte Patente genau auf die Schnittmenge der Technologiebereiche abzielen können. Ein Bespiel dafür stellt die Hochtemperatur-PEM-Elektrolyse dar. Unsere textbasierte Stichwortsuche ist jedoch auch anfällig für systematische Fehler, z. B. wenn ein alternatives Elektrolyseverfahren im Patenttext prominent mit der alkalischen Elektrolyse als Referenz verglichen wird.
Abbildung 1 gibt einen Überblick über die aktuelle Patentlandschaft im Bereich der Elektrolyse, wobei wir einschlägige Datensätze den oben beschriebenen Verfahrenskategorien zugeordnet haben. Die Obermenge "Wasserstoff-Elektrolyse" enthält alle relevanten transnationalen Patente, die den folgenden Suchanfragen entsprechen: IPC-Klassifizierung für Elektrolyse (C25B), Schlüsselwortsuchen, die den Zweck auf die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser einschränken (Kombination mehrerer Suchbegriffe), und Beschränkung auf die letzten beiden Dekaden unter den bereits verfügbaren Prioritätsjahrgängen (2000 bis 2019). Viele der so identifizierten Patente fokussieren dabei eher die Peripherie von Elektrolyseuren (z. B. Verhinderung von Wasserstofflecks, Lösungen für die Wasserstoffspeicherung) oder die Nutzung der erzeugten Wasserstoffnutzung (z. B. Erzeugung synthetischer Kraftstoffe, Integration in das Stromnetz) abdecken als eine spezifische Elektrolysetechnik.
Ausgehend von dieser Obermenge von potenziell relevanten Elektrolysepatenten haben wir mit Hilfe von Stichwortsuchen technologiespezifische Untermengen für jede der drei Verfahrenskategorien (Membran, Hochtemperatur oder Alkali) gebildet, die in Abbildung 1 dargestellt werden. Die relative Fläche der dargestellten Kreise und Schnittmengen entsprechen dabei in etwa der Anzahl der enthaltenen Patente. Abbildung 2 stellt dann die Entwicklung der transnationalen Patentaktivität in den drei Technologiebereichen im Zeitverlauf (nach dem Jahr der ersten Priorität) dar.
Abbildung 2 zeigt eine steigende Tendenz für jeden betrachteten Technologiebereich, wobei eine Beschleunigung in den jüngsten Jahren zu verzeichnen ist. Es fällt auf, dass die Patentierungen zur alkalischen Elektrolyse (die als ausgereifteste unter diesen Technologien gelten kann) parallel zur Entwicklung alternativer Elektrolyseverfahren (wie der PEM-Elektrolyse) ebenfalls ansteigen. Diese Beobachtung zeigt, dass das steigende politische und öffentliche Interesse am Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung zunehmend zu einem wirtschaftlichen Interesse an der Entwicklung von geistigem Eigentum an Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff führt. Im Folgenden analysieren wir die globale Verteilung der transnationalen Patentaktivitäten. Für jeden der drei definierten Technologiebereiche untersuchen wir die Herkunft (regional/national) und identifizieren die zentralen industriellen Akteure.
Abbildung 3 zeigt die Verteilung geistigen Eigentums im Bereich membranbasierter Elektrolyseure. Insbesondere wird dabei der Ursprung der transnationalen Patente anhand der Herkunftsorte der Erfinder zugeordnet. Auf dieser Grundlage vergleicht Abbildung 3 die Anzahl der relevanten Erfindungen in Deutschland (hellgrün) und dem Rest der Europäischen Union (dunkelgrün) mit den USA (türkis) und Japan (gelb), zwei Ländern mit traditionell starkem Engagement in Elektrolysetechnologie. Zudem weisen wir einschlägige transnationale Patente aus den übrigen Länder grob nach deren Ursprung im Rest von Asien (orange) bzw. im Rest der Welt (grau) gruppiert aus. Dabei werden transnationale Patente mit Erfindern aus mehreren Weltregionen (wie oben unterschieden) ggf. mehrfach erfasst. Die Analyse der regionalen Verteilung beschränken wir bewusst auf das jüngste Jahrzehnt unter den zugänglichen Prioritätsjahren (2010 bis 2019), um einen guten Überblick über relativ aktuelle Aktivitäten zu geben.
Die Analyse zeigt die besondere Stärke Deutschlands bei der Entwicklung membranbasierter Elektrolysetechnologien in Europa. Zusammengenommen kontrolliert die Europäische Union (EU) mehr als ein Drittel des weltweiten Portfolios an geistigem Eigentum (IP) für diese Verfahren. Wir erkennen auch eine starke Position der USA, die das nationale Ranking anführen und nur in Bezug auf die Weltregionen hinter der EU zurückbleiben. Vom Rest der relevanten transnationalen Patente stammt ein Großteil aus Asien, wobei Japan die technologische Entwicklung in dieser Region anführt. Abbildung 4 löst den Ursprung des weltweiten IP-Portfolios zur membranbasierten Elektrolyse feiner (auf nationaler Ebene) auf, so dass auch Länder mit kleinerem Engagement in der Technologie dargestellt werden.
In Abbildung 4 zeigt sich, dass viele Länder in Europa transnationale Patentanmeldungen im Bereich membranbasierter Elektrolyseure generieren. Neben Deutschland leisten auch Frankreich und Italien einen signifikanten Beitrag zum Portfolio der EU. Auch Länder ohne EU-Mitgliedschaft wie Großbritannien, die Schweiz und Norwegen bringen transnationale Patente auf diesem Gebiet hervor. Abgesehen von den USA und Japan sind auch in China bedeutende Aktivitäten zu verzeichnen, während mehrere andere Ländern jeweils kleinere Aktivitäten auf diesem Gebiet (mit drei oder weniger transnationalen Patenten) verzeichnen.
Außerdem haben wir unseren gesamten Datensatz (für die Prioritätsjahre 2000 bis 2019) genutzt, um die führenden industriellen Akteure im Bereich der membranbasierten Elektrolyse zu ermitteln. In der Rangliste in Tabelle 1 sind alle Unternehmen aufgeführt, die mindestens zwei transnationale Patente in diesem Bereich angemeldet haben (ohne Berücksichtigung der von Universitäten oder Forschungsinstitutionen angemeldeten Patente). Siemens ist demnach gemessen am IP-Portfolio weltweit führend im Bereich der membranbasierten Elektrolyse. Gleichzeitig ist das Unternehmen auch für fast die Hälfte der transnationalen Patentanmeldungen aus Deutschland (insgesamt 15 im gleichen Zeitraum) auf diesem Gebiet verantwortlich. Insgesamt zeigt sich die starke Position der EU diesem Ranking, wo Unternehmen aus der EU vier Positionen unter den Top 10 einnehmen. Allerdings ist zu beachten, dass viele der für Tabelle 1 berücksichtigten Datensätze aus der Zeit vor 2010 stammen (und somit nicht in die Vergleiche auf regionaler und nationaler Ebene weiter oben eingeflossen sind). Insbesondere sind bei einigen Unternehmen alle oder die Mehrheit der zugeordneten Patente älter als zehn Jahre. Insofern kann darüber spekuliert werden, ob diese möglicherweise nicht mehr am Markt (für diese Technologie) aktiv sind. Unter den Top 10 fallen Acta, Giner, Hewlett Packard, Linde und Next Hydrogen in diese Kategorie.
In direkter Analogie zu Abbildung 3 vergleicht Abbildung 5 die Herkunft transnationaler Patente für Hochtemperatur-Elektrolyse zwischen den Weltregionen. Deutschland hat auch in diesem Bereich einige Beiträge geliefert, aber der Anteil am Portfolio der EU erscheint hier viel weniger stark ausgeprägt. Zusammengenommen kontrolliert die EU mehr als ein Drittel des weltweiten Patent-Portfolios im Bereich der Hochtemperatur-Elektrolyseure. Unter den Weltregionen kann nur Asien (inkl. Japan) mit der EU konkurrieren, wo vergleichbare Mengen an transnationaler Patente zu verzeichnen sind. Dagegen folgen die USA erst mit großem Abstand an dritter Stelle. Da die Patentierungen zur Hochtemperatur-Elektrolyse aus Deutschland, Japan und den USA weniger dominant ausfallen, löst die vollständige Aufschlüsselung der nationalen Zahlen in Abbildung 6 die globalen Schwerpunkte der Technologieentwicklung besser auf.
Abbildung 6 zeigt auf, dass Frankreich im Bereich der Hochtemperatur-Elektrolyse besonders gut aufgestellt ist. Mit 17 transnationalen Patenten verzeichnet das Land hier mehr Anmeldungen als jede andere Nation weltweit. Zudem trägt Frankreich allein etwa die Hälfte zum gesamten geistigem Eigentum der EU in diesem Bereich bei. Sehr starke Aktivitäten sind auch in China zu verzeichnen (13 länderübergreifende Patente), das damit bereits Japan in Bezug auf die Technologieführerschaft in Asien überholt hat.
Tabelle 2 listet die wichtigsten industriellen Anmelder von transnationalen Patente im Bereich der Hochtemperatur-Elektrolyse (im Zeitraum 2000-2019) auf. Sie weist Toshiba mit großem Abstand als industrieller Technologieführer (mit 7 transnationalen Patenten) aus, während kein anderes Unternehmen weltweit mehr als zwei Patente in diesem Bereich angemeldet hat. Zu beachten ist, dass unsere Suchstrategie Patente fokussiert, die auf den Kern des jeweiligen Elektrolyseprozesses abzielen, so dass Akteure, die primäre Technologie in der Peripherie oder zur Nutzung des Elektrolyseurs patentieren (wie etwa die deutsche Firma SunFire), hier nicht erscheinen.
Abbildung 7 vergleicht die Herkunft transnationaler Patente für alkalische Elektrolyse zwischen den Weltregionen. Anders als bei den aufstrebenden Technologien (s. o.) ist das in Deutschland und der EU insgesamt entstehende geistige Eigentum in Bereich der am stärksten etablierten Verfahrenskategorie relativ überschaubar. Anders Japan und die USA, Länder, die in diesem Bereich jeweils die gesamte EU leicht übertreffen und zusammen fast die Hälfte des globalen Patent-Portfolios zur alkalischen Elektrolyse kontrollieren. Entsprechend verbleibt kaum mehr als ein Viertel der Gesamtanzahl transnationaler Patente, die außerhalb Japans, der USA und der EU erfunden wurden, wie in Abbildung 8 detaillierter dargestellt.
Bezüglich der Verteilung der Erfinder für alkalische Elektrolyseure innerhalb der EU zeigt Abbildung 8 Deutschland, Frankreich und Italien als aktivste Mitgliedstaaten. Abgesehen von Japan und den USA treten im weltweiten Vergleich zudem noch China, Südkorea, Kanada und Australien als Erfindernationen in diesem Bereich hervor.
Tabelle 3 listet die wichtigsten industriellen Anmelder von transnationalen Patente im Bereich der alkalischen Elektrolyse für den Zeitraum 2000-2019. Asahi Chemical führt diese Statistik mit großem Abstand an. Insgesamt konnten wir 17 Unternehmen zwei oder mehr der Erfindungen zuordnen. Immerhin vier davon haben ihren Sitz in der Europäischen Union, eines davon (Evonik) in Deutschland.
Zahlreiche Marktstudien befassen sich mit dem Themenbereich Wasserstoff, mit seiner Erzeugung und Nutzung sowie mit dem Wechsel zu einer nachhaltigen Erzeugung (oft unter der Bezeichnung „grüner Wasserstoff“). Mehrere Studien widmen sich insbesondere dem Elektrolyseur-Markt als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Letztere bilden die Grundlage für unsere nachstehende Analyse. Der Zugang zu kommerziellen Marktstudien ist in der Regel kostenintensiv, was insbesondere Möglichkeiten für vergleichende Analysen einschränkt. Viele Anbieter von Marktstudien stellen jedoch begrenzte Informationen zu Werbezwecken kostenlos zur Verfügung. Die öffentlich zugänglichen Informationen umfassen in der Regel aggregierte Daten zum Marktvolumen, Prognosen für Wachstumsraten sowie die Namen von Unternehmen, die in der vollständigen Studie ausführlicher behandelt werden. Wir haben relevante Vorschaudaten aus 21 Marktstudien zum Thema Wasserstoff-Elektrolyse gesammelt (Stand November 2021), um die folgende Meta-Analyse durchzuführen.
Die Vorhersagen für den globalen Markt für Wasserstoff-Elektrolyseure weichen erheblich voneinander ab. Es wird erwartet, dass der globale Markt in den kommenden fünf Jahren mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR = compound annual growth rate) zwischen 6 und 60 Prozent wächst und im Jahr 2025 einen weltweiten Jahresumsatz zwischen 230 Millionen und 4,2 Milliarden US$ erreicht (Abbildung 1). Wir führen die großen Unterschiede zwischen den Prognosen auf die hohe Dynamik der Energiewende zurück. Wasserstoff wird im nachhaltigen Energiesystem der Zukunft sicher eine wichtige Rolle spielen, aber es bestehen weiterhin große Unsicherheiten hinsichtlich (a) der Intensität künftiger Wasserstoffnutzung (im Vergleich zu anderen Energieträgern und (b) der Geschwindigkeit der Transformation. Unserer Meinung nach wird die Marktentwicklung in naher Zukunft stark von öffentlichen Mitteln und großen Initiativen abhängen. Daher bleiben die Prognosen derzeit sehr spekulativ und bieten nur eine grobe Einschätzung der kommenden Entwicklungen.
In Abbildung 2 werden die abweichenden Wachstumsszenarien der einzelnen Marktstudien näher dargestellt. Eine interessante Beobachtung ist, dass sechs Marktstudien ein Wachstumsraten (CAGR) im Bereich von 6 bis 9 Prozent prognostizieren, während zwei andere jeweils von 25 Prozent ausgehen und zwei weitere 60 und 65 Prozent ansetzen. Diese signifikanten Unterschiede und mehr noch deren Gruppierungen wirken überraschend. Erklärungen für die Gruppierung könnten stark unterschiedliche Szenarien sein, die auf ähnlichen oder gleichen Annahmen beruhen und daher zu ähnlichen Wachstumsraten führen − oder ggf. auch simple Copy&Paste-Effekte. Neben der Ungewissheit der künftigen Entwicklung wird auch das aktuelle Marktvolumen unterschiedlich bewertet, was wir auf unterschiedliche Methodiken der Marktstudienanbieter zurückführen. Aufgrund der hohen Dynamik des Marktes für Wasserstoff-Elektrolyseure und des entsprechend steigenden Interesses daran erwarten wir, dass in den nächsten Jahren viele weitere Studien veröffentlicht werden. Aufgrund der unsicheren Rahmenbedingungen (öffentliche Förderung, CO2-Regulierung etc.) gehen wir davon aus, dass die Prognosen noch eine Weile stark schwanken werden, bis der Markt in den Milliardenbereich oder sogar darüber hinaus wächst und Marktstudien in der Folge stärker konvergieren.
Marktstudien unterscheiden meist zwischen drei Feldern von Elektrolyse-Technologien: (a) Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM), (b) alkalische Elektrolyse und (c) Festoxid-Elektrolyse. Die Marktstudien prognostizieren, dass alle diese in Zukunft eine Rolle spielen werden, aber die Schätzungen unterschiedlicher Anbieter dazu divergieren erheblich (in Prognosen aber auch für aktuelle Marktvolumina). Eine gewisse Übereinstimmung besteht darin, dass die Festoxidelektrolyse den kleinsten Markt der drei Technologien darstellen wird.
Die meisten Marktstudien erwähnen Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind und für die Prognosen berücksichtigt wurden. Die Analyse der in den Studien genannten Unternehmen führt zu einer Rangfolge der Nennungen von Firmennamen (Tabelle 1). Bei dieser Analyse handelt es sich nicht um eine Bewertung, welches Unternehmen führend oder am aktivsten in dem Bereich ist, sondern sie soll vielmehr einen Eindruck davon vermitteln, welche Unternehmen von wie vielen Marktanalysten als relevant angesehen werden.
Im Unterschied zur Aktivität von Unternehmen bei der transnationalen Patentierung von Technologie, drückt Tabelle 1 eher deren Aktivität und Wahrnehmung am Markt für Elektrolyseure aus. Abgesehen vom globalen Charakter von Tabelle 1 (nicht differenziert nach Technologien), sind Unterschiede auch durch strategische Ausrichtungen zu erklären. Natürlich sind in Tabelle 1 auch viele der Technologieführer (mit transnationalen Patenten) enthalten. Andere Unternehmen versuchen unter Umständen eher (a) ihr technisches Wissen durch strikte Geheimhaltung zu schützen, operieren (b) hauptsächlich auf Basis frei zugänglichen Wissens oder (c) als Lizenznehmer anderer Anbieter oder von Forschungszentren und Universitäten.
Wir danken Dominic Stastny und Lorenzo Wormer für die tatkräftige Unterstützung bei der Erstellung dieser Webseite.
Die Arbeiten sind durchgeführt worden innerhalb des umfassenden H2D-Projekts
und in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Internationales Management und Wissensökonomie IMW.
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI