Wasserstoff – Stoff der Zukunft

Ob grün, blau oder gelb – Unternehmen und Regierungen werden ihre immer anspruchsvolleren Netto-Null-Ziele nur mit dem umfangreichen Einsatz von sauberem Wasserstoff erreichen können. Das erste und kleinste Element im Periodensystem dürfte in den nächsten Jahrzehnten grossen Auftrieb erhalten. Der Megatrend „Wasserstoff“ erfordert milliardenschwere Investitionen und bietet Anlegern langfristig interessante Chancen.

Wasserstoff-Farbenlehre

Klein, vielseitig und energetisch, leicht entzündlich und ein Lebenselixier – dem Wasserstoff werden viele Eigenschaften zugeschrieben. Im Periodensystem der Elemente hat es den ersten Platz inne. Und auch in der öffentlichen Wahrnehmung hat Wasserstoff in den letzten Jahren an Prominenz gewonnen. Dies kommt nicht von ungefähr. Auf dem Weg der Dekarbonisierung und zur Erreichung anspruchsvoller Netto-Null-Ziele dürfte der Einsatz von „sauberem“ Wasserstoff unerlässlich werden. Besondere Bedeutung wird dabei dem grünen Wasserstoff zukommen. Dieser entsteht, indem Wasser durch den Einsatz von Strom aus erneuerbaren Quellen per Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Er gilt als CO2-arm. Allein die Produktion der nötigen Vorrichtungen – beispielsweise Elektrolyseure, Leitungen, Tanker – hat nach wie vor einen gewissen CO2-Fussabdruck. Als CO2-neutral gelten aber auch viele andere Farbvarianten von Wasserstoff. Zur Produktion von blauem Wasserstoff wird das CO2, welches bei der Herstellung von klimaschädlichem grauem Wasserstoff mittels Dampfreformierung aus Erdgas entsteht, abgeschieden und gespeichert. Türkiser Wasserstoff wird mittels thermischer Spaltung von Methan (Methanpyrolyse) hergestellt. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs. Weisser Wasserstoff kommt natürlich vor und fällt bei bestimmten Prozessen in Chemieanlagen als Nebenprodukt an. Oranger/gelber Wasserstoff basiert auf organischen Stoffen wie Biomasse, Biogas und Biomethan. Roter/violetter Wasserstoff wird wiederum aus Atomstrom-Elektrolyse hergestellt.

Vielseitig einsetzbar

Wasserstoff ist vielfältig einsetzbar und kann als Energieträger sowie als Rohstoff für chemische und industrielle Prozesse verwendet werden. Auch als Energiespeicher zur saisonalen oder temporären Speicherung lässt sich Wasserstoff theoretisch verwenden. Da bei der Rückverwandlung von Wasserstoff in Strom aber nur 40% der Energie wieder zurückgewonnen wird, dürfte dieser Verwendungszweck begrenzt bleiben. Andere Speicher haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad (Pumpspeicherkraftwerk: 80%, Batterie: 100%). Prädestiniert ist sauberer Wasserstoff hingegen im Verkehrs- und Transportwesen – überall dort, wo der Einsatz einer Batterie teurer oder nur schwer realisierbar ist. So setzt die Luftfahrtbranche ihre Hoffnungen auf Wasserstoff, der Kerosin ersetzen könnte. Noch sind Wasserstoffflugzeuge zwar Zukunftsmusik, Airbus forscht aber intensiv an der Technologie. Bis 2035 will der europäische Konzern einen mit Wasserstoff betriebenen Passagierjet mit 100 bis 200 Sitzplätzen auf den Markt bringen. Viel früher könnten wasserstoffbetriebene Schwerlaster Verbreitung finden: In einer Brennstoffzelle werden Sauerstoff und Wasserstoffatome zu Wasser verschmolzen. Dabei wird ein Elektron frei, elektrische Energie entsteht. Das amerikanische Truck-Start-Up Nikola entwickelt gemeinsam mit Bosch einen 40 Tonnen schweren Wasserstofftruck mit einer Reichweite von bis zu 800 Kilometern. Die ersten Kunden testen den Truck bereits, darunter die Brauerei Anheuser-Busch. Auch in der Industrie ist sauberer Wasserstoff zukünftig unverzichtbar, um Prozesse zu Dekarbonisieren und die Pariser Klimaschutzziele zu erreichen. Für energie- und kohlendioxidintensive Industrien wie Stahl oder Chemie stellt er die einzige Möglichkeit dar klimaschädliche Prozesse, die heute noch auf dem Einsatz von Erdgas oder Kohle basieren, klimaneutral zu gestalten. Unternehmen der Stahlindustrie haben milliardenschwere Investitionen beschlossen, um die klassische und CO2-intensive Hochofenroute zur Stahlherstellung durch das wasserstoffbasierte Direktreduktionsverfahren zu ersetzen. Die Chemieindustrie steht vor ähnlichen Schritten.

Multitalent (1/2) | Wasserstoff als Grundlage vieler Produkte

Produktion und Verwendung von sauberem Wasserstoff

Quelle: Kaiser Partner Privatbank

Multitalent (2/2) | Wasserstoff ist vielseitig einsetzbar

Anteil von Wasserstoff am Endenergieverbrauch im Jahr 2050

Quellen: Bloomberg, Kaiser Partner Privatbank

Wasserstoff-Partnerschaften…

Der Weg in eine sauberere Energiezukunft ist allerdings ein Marathon, kein Sprint – dazu noch mit Hürden. Denn grüner Wasserstoff hat viel Konkurrenz – auch Elektroautos, Wärmepumpen und die Industrie benötigen in Zukunft viel Wind- und Solarenergie. Zudem werden künftig viele Länder auf Wasserstoffimporte angewiesen sein. So dürfte beispielsweise der Industrieriese Deutschland langfristig nur circa 30% des Bedarfs an grünem Wasserstoff selbst decken können. Entsprechend intensiv war in jüngster Zeit die Wasserstoff-Diplomatie. Inzwischen hat Deutschland Wasserstoffpartnerschaften mit Australien, Marokko, Chile, Saudi-Arabien, Norwegen, Kanada und der Türkei geschlossen. Insbesondere für Schwellenländer bietet die Wasserstoff-Zukunft Chancen. Aufgrund ihrer geografischen Lage bieten sie oft ideale Bedingungen zur Produktion von sauberem Wasserstoff. Indien will eine regelrechte Wasserstoff-Grossmacht werden und bis 2030 „mindestens 10%“ des weltweiten Bedarfs an grünem Wasserstoff decken. Aber auch Afrika rückt in den Fokus. Beispielsweise Namibia, welches mit der Namib-Wüste an seiner 2‘000 Kilometer langen, kaum besiedelten Atlantikküste klare Standortvorteile für die Produktion von Wind- und Solarstrom bietet.

…und -Infrastruktur

Absehbar ist, dass Wasserstoff in Zukunft in riesigen Volumina zwischen Ländern und Kontinenten transportiert werden muss. Der Schiffstransport von „reinem“ Wasserstoff stellt allerdings hohe technische Anforderungen und dürfte nur ein Teil der Lösung sein. Im Gegensatz zu verflüssigtem Erdgas (LNG) muss Wasserstoff zur Verflüssigung nicht „nur“ auf -162 Grad, sondern auf -253 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Die tiefen Temperaturen und der hohe Druck von rund 700 bar stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialen und sind bisher nur schwer umsetzbar. Zudem müssen in die Verflüssigung von Wasserstoff etwa 40% seines Energiegehalts gesteckt werden. Je länger die Transportdistanz bzw. die Speicherdauer ist, desto grösser der Aufwand und desto weniger effizient. Einfacher umsetzbar ist im Vergleich der Transport von Wasserstoffderivaten wie grünem Ammoniak und grünem Methanol. Diese können mit heute bereits bestehender Infrastruktur verschifft werden und müssen am Ankunftsort nicht zwingend wieder aufgespalten werden. Für Prozesse in der Chemieindustrie oder auch als Energiequelle sind sie nämlich auch direkt nutzbar. Eine Alternative könnte schliesslich auch der Transport in speziellen Speichermedien werden, den „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC). Dabei wird Wasserstoff in einer schwer entflammbaren Trägerflüssigkeit auf Kohlenstoffbasis gespeichert und bei Bedarf wieder ausgespeichert. Die Technologie ist aktuell in Pilotanlagen in Erprobung. Eine Skalierung ist aber erst nach dem Jahr 2030 zu erwarten.

Wasserstoff-Boom in Sicht | Rasant wachsende Nachfrage

Nachfrage nach Wasserstoff im Netto-Null-Szenario, in Millionen Tonnen

Quellen: Bloomberg, Kaiser Partner Privatbank

Hoffnungsträger mit Risiken

Neben der Übersee-Infrastruktur bedarf es in den nächsten Jahren auch auf dem Land massiver Investitionen, um die nötigen Transportkapazitäten für sauberen Wasserstoff zu schaffen. Grundlage für ein künftiges Wasserstoffnetz könnten heutige Erdgaspipelines sein. Im Beispiel von Deutschland sieht der „Netzentwicklungsplan“ vor, dass bis 2032 ein 8‘000 Kilometer langes Netz entsteht – 80% davon bestünde aus umgewidmeten Erdgasleitungen. Bis zum Jahr 2045 soll das deutsche Wasserstoffnetz auf 13‘000 Kilometer Länge anwachsen. Die Gesamtkosten werden auf 18 Milliarden Euro veranschlagt. Ähnlich wie beim Wasserstofftransport über See gibt es auf dem Weg via Pipeline indes ebenfalls Hürden bzw. Forschungs- und Investitionsbedarf. Der Hoffnungsträger birgt nämlich auch Risiken: Wenn Wasserstoff in die Atmosphäre entweicht, schadet er dem Klima deutlich stärker als Kohlendioxid. Wasserstoff hat zwar keine direkte Klimawirkung, weil er aber die Zusammensetzung der Atmosphäre verändert, gibt es eine indirekte Wirkung. Der Wasserstoff reagiert dort mit Hydroxid-Molekülen zu Wasser, so dass weniger Hydroxid für Reaktionen mit Treibhausgasen vorhanden ist. Dadurch steigt der Ozongehalt in der Atmosphäre, auch das klimaschädliche Methan wird langsamer abgebaut. Die indirekte Klimawirkung von Wasserstoff ist auf einen Zeitraum von 20 Jahren um den Faktor 33 höher als die Klimawirkung von Kohlendioxid. Noch gibt es keinen Konsens in der Frage, welche Standards nötig sind, um das Entweichen von Wasserstoff in die Atmosphäre zu verhindern. Weil Wasserstoff selbst kein Treibhausgas ist, sind die Effekte bis vor Kurzem ignoriert worden. Noch fehlen auch die Instrumente, um entweichenden Wasserstoff präzise zu messen.

Massiver Investitionsbedarf

Die Internationale Agentur für regenerative Energien (Irena) erwartet, dass grüner Wasserstoff bis zum Jahr 2050 rund 12% des weltweiten Energiebedarfs decken und in die Chemie-, Stahl- und Zementindustrie, in Brennstoffzellen und den Luft- und Schwerlastverkehrs fliessen wird. Die notwendigen Investitionen in die grüne Wasserstoffinfrastruktur bestehend aus Erzeugung, Umwandlung, Transport, Lagerung und Verteilung wird auf gigantische 4 Billionen US-Dollar geschätzt. Das Hydrogen Council, ein Zusammenschluss von 150 Unternehmen – darunter BP, Airbus, Microsoft und Clariant –, die den Einsatz von Wasserstoff in Industrie und Transport beschleunigen wollen, listet per September 2022 insgesamt 534 Projekte für grünen Wasserstoff mit einem Investitionsvolumen von insgesamt 240 Milliarden US-Dollar auf. Bis 2030 sollen diese in Betrieb gehen und 26 Millionen Tonnen Wasserstoff liefern – ein Drittel der nötigen Menge um auf dem Netto-Null-Pfad zu bleiben. Dieser Pfad sieht für das Jahr 2050 einen Bedarf von 660 Millionen Tonnen vor. Zählt man alle Projektankündigungen bis 2050 zusammen, so addieren sich diese bisher nur auf 6% der benötigten Produktionskapazitäten. Dies zeigt eindrücklich auf wie massiv der Investitionsbedarf, aber auch die damit einhergehenden Anlagechancen sind. Viel Geld muss und wird in den kommenden Jahrzehnten in die Wasserstoffindustrie fliessen. Profitieren dürften davon unweigerlich die Hersteller von Elektrolyseuren – die Anlagen, welche Wasser mithilfe von (grünem) Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Weitere Zahlenreihen verdeutlichen das Potential: In Europa sind aktuell Elektrolyseure mit einer Kapazität von lediglich rund 200 Megawatt in Betrieb. Laut Bloomberg wurde die Kapazität zur Herstellung von Elektrolyseuren im vergangenen Jahr weltweit um 1 Gigawatt erhöht. Im Jahr 2030 sollen die Hersteller Elektrolyseanlagen mit einer Leistung von insgesamt 85 Gigawatt liefern können. Zur Erreichung von Netto-Null müssen bis 2050 weltweit allerdings bis zu 4‘000 Gigawatt Elektrolyseleistung installiert werden.

Investitionsbedarf… | …bietet Anlagechancen

Investitionen in grünen Wasserstoff bis 2030, in Milliarden US-Dollar

Quellen: Hydrogen Council, McKinsey, Kaiser Partner Privatbank