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Energie aus Wasserstoff – zwischen Hype und Hoffnung

Energie aus Wasserstoff – zwischen Hype und Hoffnung

22-03-2021 | Einblicke
Die Dekarbonisierung der Volkswirtschaften steht im Mittelpunkt staatlicher Vorhaben. Doch zwischen dem Potential von Wasserstoff und seinem Einsatz in verschiedenen Sektoren stehen erhebliche Herausforderungen. Im Bereich Straßenverkehr existieren bereits wirtschaftlichere und nachhaltigere Optionen.
  • Giacomo Melegati
    Giacomo
    Melegati
    SI Research Associate
  • Roland Hengerer
    Roland
    Hengerer
    Senior SI Analyst

In aller Kürze

  • „Grüner“ Wasserstoff ist umweltfreundlich und kann Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und transportieren
  • Die Herstellung, Speicherung und Bereitstellung grünen Wasserstoffs ist noch kostspielig
  • Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge sind für den Straßenverkehr die billigere und bessere Lösung
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Ein zentrales Element

Wasserstoff als Energiespeicher zieht vermehrt die Aufmerksamkeit von Unternehmen, Regierungen, Investoren und der Öffentlichkeit auf sich. Er wird als entscheidendes Element beim Übergang des Energiesektors weg von fossilen Kraftstoffen hin zu umweltfreundlichen und erneuerbaren Quellen angesehen. Infolgedessen investieren die Staaten und Unternehmen in großem Umfang in die Forschung, um Wasserstoff wirtschaftlich zu machen, speziell in energie- und emissionsintensiven Industrien.

Wasserstoff ist in der Industrie kein Novum. Vom Öl- und Stahlsektor bis hin zur Chemie- und Düngemittelproduktion nutzt die Industrie bereits die „graue“ Variante von Wasserstoff, um zur Deckung ihres hohen Energiebedarfs beizutragen. Die globale Wasserstoffnachfrage ist in den letzten Jahrzehnten stetig gestiegen und erreichte 2019 ein Volumen von 120 Millionen Tonnen. Dennoch liegt die Produktion weit unter dem Niveau, das zur Deckung des künftigen industriellen Bedarfs in einer CO2-armen Wirtschaft benötigt wird. Die Produktion muss erheblich ausgeweitet werden.

Hinzu kommt, dass sie „grün“ und sauber sein muss, nicht „grau“ und schmutzig wie die bisherige Wasserstoffproduktion, die für jährliche Emissionen von 830 Millionen Tonnen CO2 verantwortlich ist. Derzeit entfallen nur 4 % der Wasserstoffproduktion auf grünen Wasserstoff – der aus Strom aus erneuerbaren Quellen und Elektrolyse von Wasser gewonnen wird und der erforderlich ist, um bis 2050 das Ziel von netto null CO2-Emissionen zu erreichen. Die Ausweitung der Produktion ist also notwendig, aber kostspielig. Dabei bestehen entlang der Wertschöpfungskette eine Vielzahl technischer Herausforderungen.

Elektrisierendes Potential

Die Idee an sich ist einfach. Mithilfe elektrischen Stroms lässt sich Wasser in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle zerlegen. Sofern der dabei verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, ist der Prozess CO2-frei. Bei der Umkehrung des Prozesses in einer Brennstoffzelle (durch Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff) wird elektrischer Strom erzeugt (und Wasser als Nebenprodukt). Eine Skalierung des Prozesses führt allerdings zu zusätzlicher Komplexität.

In jeder Phase der Wasserstoff-Wertschöpfungskette – bei der Speicherung, der Übertragung und der Bereitstellung – steigen die Herausforderung bei zunehmender Skalierung. Die Erzeugung grünen Wasserstoffs in industriellem Ausmaß stellt nach wie vor das größte Hindernis dar. Das erklärt, weshalb die erzeugten Volumina bisher niedrig geblieben sind.

Die Verschärfung der Emissionsstandards, der Bedarf nach umweltfreundlichem Kraftstoff aus erneuerbaren Energien und ein im Übergang befindlicher Verkehrssektor würden implizieren, dass Fahrzeuge mit Wasserstoff- Brennstoffzellen die nachhaltige Lösung der Wahl bei der Verringerung der Emissionen im Transportbereich darstellen

Trotz der beträchtlichen technischen, wirtschaftlichen und logistischen Hürden sind sich die meisten Experten darin einig, dass diese binnen 5-10 Jahren überwunden werden und das Dekarbonisierungs-Potential von Wasserstoff erschlossen sein wird.

Der Straßentransport ist mit erheblichen CO2-Emission verbunden. Der Sektor befindet sich angesichts des bevorstehenden Niedergangs des Verbrennungsmotors bereits im Zustand der Disruption. Die Verschärfung der Emissionsstandards, der Bedarf nach umweltfreundlichem Kraftstoff aus erneuerbaren Energien und ein im Übergang befindlicher Verkehrssektor würden implizieren, dass Fahrzeuge mit Wasserstoff, Brennstoffzellen die nachhaltige Lösung der Wahl bei der Verringerung der Emissionen im Transportbereich darstellen. Allerdings erweisen sich bei näherer Analyse batteriebetriebene Elektrofahrzeuge als die bessere Zukunftslösung.

Durchbrüche bei der Batterietechnologie

Batterien haben zweifellos ihre Nachteile. Zum einen sind sie schwer, was die Reichweite einschränkt. Zum anderen ermöglichen Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle ein schnelleres Auftanken. Darüber hinaus ist die Batterieerstellung energieintensiv und ein Recycling ist aus wirtschaftlicher Perspektive nicht optimal. Nicht zuletzt kommen bei der Batterieerstellung kontroverse Mineralien wie beispielsweise Kobalt zum Einsatz, bei denen eine ethisch vertretbare Produktion Probleme bereitet.

Doch selbst diese Argumente gegen Batterien verlieren an Kraft. In allen Aspekten der Batterietechnologie zeichnen sich Durchbrüche bei der Bewältigung bisheriger Probleme ab – vom Gewicht, der Reichweite und dem Laden bis hin zum Recycling und der Produktion verwendeten Rohstoffen.

Im Netz dominierender Strom aus umweltschädlichen Quellen sorgt dafür, dass Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzelle mehr Emissionen als solche mit Verbrennungsmotoren produzieren. Quelle: Cox et al., 2020

Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge besitzen auch für sich genommen einige wichtige Vorteile. Die Kosten des Erwerbs und des Betriebs eines batteriegetriebenen Elektrofahrzeugs sind günstiger (Brennstoffzellenkomponenten sind derzeit kostspielig), ihre Emissionen über den gesamten Lebenszyklus und ihrCO2-Fußabdruck sind niedriger (der Großteil des Wasserstoffs wird nach wie vor aus umweltschädlichen Quellen gewonnen, siehe Grafik) und ihre Energieeffizienz ist höher (mit grünem Wasserstoff angetriebene Elektroautos benötigen für dieselbe Reichweite nach wie vor die doppelte Menge an Strom aus erneuerbaren Energien).

Hinzu kommt, dass batteriegetriebene Fahrzeuge bei Verbrauchern beliebt sind und die Verkäufe weltweit zunehmen. Mehr Nachfrage bedeutet verbesserte Skaleneffekte, was die Kosten weiter sinken lässt und erhöhte Infrastrukturausgaben nach sich zieht.

Die Perspektiven für Fahrzeuge mit Wasserstoff-Antrieb sehen günstiger aus, wenn man den größeren Bedarf im öffentlichen Verkehr betrachtet. Doch auch hier sind Batterien in punkto Nachhaltigkeit und Kosten überlegen, sofern bereits die Infrastruktur und Netze dafür existieren.

Sattelschlepper und Gabelstapler

Die mit Wasserstoffantrieb verbundene hohe Reichweite, das geringe Gewicht und das schnelle Betanken machen diesen ideal für den Güterfernverkehr. So investieren Unternehmen wie Daimler, Shell, Hyundai und Toyota bereits in erheblichem Umfang in die Entwicklung von Fahrzeugflotten mit Brennstoffzellen. Unterdessen arbeiten die Anbieter von Batterieautos an der Optimierung des Fahrzeugdesigns, um Gewicht an anderer Stelle einzusparen.

Zudem haben regulatorische Vorschriften in Regionen wie der EU, welche Fahrerpausen vorschreiben, die Zeit- und Kostenvorteile von elektrischen Fahrzeugen mit Brennstoffzellen verringert. Für den Fernverkehr bieten Güterzüge in Verbindung mit Strom aus Oberleitungen eine wirtschaftlichere und nachhaltigere Alternative.

Zur Maximierung der Effizienz in Lagerhäusern müssen Gabelstapler stets zu fast 100 % betriebsbereit sein. Im Unterschied zu batteriegetriebenen Gabelstaplern können solche mit Brennstoffzelle weitere Strecken zurücklegen, ohne längere Pausen zum Wiederaufladen, die sowohl die Tätigkeit des Gabelstaplers als auch des Fahrers unterbrechen. Die höhere Effizienz ist der Grund dafür, weshalb Unternehmen wie Walmart und Amazon, die über riesige Lager und Verteilerstationen verfügen, ihre Flotte aus Brennstoffzellen-Gabelstaplern ausbauen.

Ist also der Hype rund um Wasserstoff gerechtfertigt? Die Antwort lautet ja, allerdings muss sich der Hype auf die richtigen Sektoren beziehen

Ein aufgeladener Hype?

Ist also der Hype rund um Wasserstoff gerechtfertigt? Die Antwort lautet ja, allerdings muss sich der Hype auf die richtigen Sektoren beziehen. Auch wenn es Ausnahmen wie insbesondere Gabelstapler gibt, bieten batteriebetriebene Elektrofahrzeuge eine sinnvollere Möglichkeit zur unmittelbaren Dekarbonisierung des Straßenverkehrs.

Während die Technologie Fortschritte macht, die Produktion steigt und das Angebot zunimmt, werden die Hoffnung und der Hype in Bezug auf grünen Wasserstoff zur Dekarbonisierung emissionsintensiver Bereiche wahrscheinlichen und vorhersagbaren Szenarien weichen. Das Jahr 2050 ist noch einige Jahrzehnte entfernt. Doch das vor uns liegende Jahrzehnt wird von besonderer Bedeutung dafür sein, wie schnell Wasserstofftechnologien bestehende Herausforderungen überwinden können und aus Hoffnungen eine greifbare Alternative zum Antrieb der Volkswirtschaften der Welt wird.

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