Wasserstoffwertschöpfungskette

[1]    T. von Unwerth et al., „Wertschöpfungspotenziale von Wasserstoff für Sachsen: Potenzialstudie mit Akteurs- und Marktanalyse zu Wasserstofftechnologien und Brennstoffzellen für Sachsen,“ 2021.

Die Wasserstoffwertschöpfungskette beschreibt die unterschiedlichen möglichen Pfade von der Primärenergieerzeugung beispielsweise mittels Erneuerbarer Energien (z.B. Solar- und Windenergie), Kernenergie oder fossiler Energieträger über die Wasserstoffgewinnung, den Transport und die Speicherung bis hin zur Endanwendung des Wasserstoffs. Aktuell wird ein Großteil des Wasserstoffs noch über fossile Energieträger beispielsweise mittels Pyrolyse (Aufspaltung von wasserstoffhaltigen Verbindungen unter hohen Temperaturen), Carbon Capture (Kohlenstoff wird unter hohen Energieaufkommen vom Ausgangsprodukt getrennt und gespeichert oder direkt für die Weiterverarbeitung genutzt) oder Dampfreformierung (Reaktion von Erdgas mit Wasserdampf unter Energiezufuhr zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid mit integrierter Shiftreaktion) gewonnen. Als zukünftige Alternative bietet sich die Elektrolyse zur Gewinnung des Wasserstoffs an, welche Wasser unter Zufuhr von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die elektrische Energie kann dabei aus den bereits genannten Primärenergieträgern gewonnen werden. Von besonderem Interesse ist dabei die Erzeugung der elektrischen Energie durch erneuerbare Energien. Dadurch kann ein Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase vermieden und Überhangsenergie aus erneuerbaren Energien genutzt werden.

Mit der Implementierung als Energieträger für eine Dekarbonisierung unterschiedlicher Anwendungsfelder müssen Transportwege geschaffen werden. Die drei erprobtesten Verfahren sind: Gastransport mit Fahrzeugen, Pipelines und Flüssigtransporte in so genannten Trailern. Der Transport mit Gasflaschen via LKW oder Schienenfahrzeugen ist aktuell der favorisierte Weg für die Erschließung der letzten Meile. Durch die Zustandsveränderung in Liquid Hydrogen – flüssiger Wasserstoff – kann die transportierte H2-Masse angehoben werden. Dagegen spricht der hohe Energieaufwand, da Flüssigwasserstoff auf -253 °C in Kryotanks (spezielle Isolierung) gespeichert werden muss. Die leitungsgebundene Variante ist der Transport über Pipelines. Insgesamt gilt der Pipeline Transport als effizienteste Transportmethode für längere Strecken.

Im erweiterten Sinn können Trailer oder Pipelines als vorübergehende Speichermedien bezeichnet werden. Eine Druckgasspeicherung geschieht per Überdruck; der Druck variiert je nach eingesetztem Behälter oder Tank nach Einsatzgebiet. Um auf Lastern Gewicht zu sparen sind die heutigen Gasdruckbehälter aus Verbundmaterialien (bspw. Aluminium und Kohle-Glasfasern) gefertigt. Für eine großskalige Speicherung wird aktuell z.B. die Nutzung von Salzkavernen untersucht. Die Flüssigwasserstoffspeicherung wurde im letzten Abschnitt im Rahmen der Kryotanks auf Trailern angesprochen. Metalllegierungen können ebenfalls zu Speicherung von Wasserstoff dienen, diese Speicherart wird als Metallhydridspeicher bezeichnet. Das Metall absorbiert den Wasserstoff, bei der anschließenden Trennung kann der Wasserstoff durch Wärmezufuhr wieder gelöst werden. Vorteile sind die Speicherkapazität, ein erheblicher Überdruck ist nicht nötig und die reinigende Wirkung auf H2. Nachteile sind das hohe Gewicht und die Materialkosten der Metalle.

Ist der Wasserstoff an die Endanwender transportiert können diese den Energieträger unterschiedlich nutzen.

In der Endanwendung kann Wasserstoff zur Energieversorgung industrieller Anlagen und Wohngebäuden genutzt werden, ebenso wie zur Rückverstromung, um Schwankungen im Stromnetz vor allem bei einem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien auszugleichen und zur Notstromversorgung in unterschiedlichen Anwendungen. Ein weiterer großer Anwendungsbereich, welcher im Fokus des cH₂ance Projektes liegt, ist der Mobilitätssektor, wo Wasserstoff als alternativer Treibstoff eingesetzt werden kann. Die Umsetzung kann als elektrisches Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, als verbrennungsmotorischer Antrieb mit Wasserstoffmotor oder als Hybride Lösung mit konventionellen Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle als Range Extender erfolgen, wobei die ersten beiden Varianten aktuell im Fokus der Entwicklung stehen. Des Weiteren kann der erzeugte Wasserstoff stofflich zur Herstellung von Folgeprodukten verwendet werden. Dazu zählen zum Beispiel synthetische Kraftstoffe, welche ebenso als Treibstoffe in Mobilitätsanwendungen eingesetzt werden können.

Entlang dieser Pfade von der Primärenergieerzeugung bis zur Endanwendung des Wasserstoffs ergeben sich Wertschöpfungspotentiale. Die Artverwandtschaft der erforderlichen Prozesse und Produkte von der Erzeugung bis zur Endanwendung im Vergleich zu konventionellen Produkten der Energietechnik eröffnet das Potenzial, vorhandene Kompetenzen auf die Wasserstoffwertschöpfungskette anzupassen. Es bilden sich so neue Zuliefererstrukturen und Netzwerke von Unternehmen heraus.