Wasserelektrolyse mit Gigawatt-Potenzial

Die Wasser­elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff auf Basis von regenerativ erzeugtem Strom entwickelt sich immer mehr zu einer Kern­technologie der Energie­wende. Der steigende Anteil vola­tilen Wind- und Solar­stroms kann in Form von Wasserstoff saisonal gespeichert, rück­verstromt oder zu Kraft­stoffen und chemischen Grund­stoffen weiter­verarbeitet werden. Allein für Deutschland wird bis 2050 eine instal­lierte Anlagen­leistung im drei­stelligen Gigawatt­bereich prognos­tiziert, unter der Maßgabe, dass die Klimaschutz­ziele der Bundes­regierung erreicht werden. Im Auftrag des Bundes­ministeriums für Verkehr und digitale Infra­struktur haben das Fraunhofer-Institut für Solare Energie­systeme ISE, das Fraunhofer-Institut für Produktions­technologie und Auto­matisierung IPA und das Beratungs­unternehmen E4tech einen Fahrplan für die Etablierung der Wasser­elektrolyse in Deutschland entwickelt.

In der heute veröffent­lichten Studie „Indus­trialisierung der Wasser­elektrolyse in Deutschland: Chancen und Heraus­forderungen für nach­haltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme“ zeigen die Partner auf, wie die notwendigen indus­triellen Fertigungs­kapazitäten für Elektro­lyseure in den nächsten Jahren aufgebaut werden können. Sie untersuchten hierfür die Heraus­forderungen beim Aufbau einer Gigawatt-Elek­trolyse-Industrie in Deutschland, insbe­sondere mit Blick auf kritische Komponenten. Unter Einbeziehung von Industrie und Anwendern wurden die techno­logischen, herstellungs­technischen und akteurs­spezifischen Handlungs­bedarfe diskutiert und Handlungs­empfehlungen abgeleitet.

Der künftige Elektrolyse­bedarf für die Sektoren Verkehr, Wärme und Strom wurde mit dem am Fraunhofer ISE ent­wickelten Tool „REMod-D“ in einer Energiesystem­simulation für Deutschland ermittelt. Insgesamt wurden sechs Ausbau­szenarien betrachtet, um unter anderem die Bandbreite der in der Industrie­umfrage ermittelten Leistungs­parameter zu berück­sichtigen; in allen betrachteten Szenarien gilt dabei die Rand­bedingung, dass das deutsche Klimaziel einer Absenkung der energieb­edingten CO₂-Emissionen um achtzig Prozent ohne einen großskaligen Import von synthe­tischen Energie­trägern erreicht wird. Zugleich wird davon ausgegangen, dass energie­intensive Industrien auch weiterhin am Standort Deutschland betrieben werden.

Im Ergebnis resultiert – abhängig von den jeweils zugrunde gelegten Rand­bedingungen – ein Ausbaukorridor von größer 100 bis weit über 200 Gigawatt an instal­lierter Elektrolyse­kapazität im Jahr 2050. Bereits in der zweiten Hälfte des kommenden Jahrzehnts müsste die Zubaurate ein Gigawatt Neuinstal­lation pro Jahr deutlich übersteigen, und ab den 2030er Jahren gehen die Szenarien von mehreren Gigawatt Neuinstal­lation pro Jahr aus. „Bereits heute sind die beiden wichtigsten Techno­logien, die alkalische und die PEM-Elektrolyse, in einem technisch ausge­reiften Zustand. Einer groß­skaligen Nutzung der Elektro­lyse steht aus techno­logischer Sicht nichts im Wege“, erklärt Tom Smolinka, Abteilungs­leiter Chemische Energie­speicherung am Fraunhofer ISE.

Einzelne Forschungs­themen müssen jedoch noch weiter verfolgt werden. So ist beispiels­weise die Hoch­temperatur-Elektro­lyse noch nicht wettbewerbs­fähig, sie hat aber wegen des geringeren Strom­bedarfs und der in Deutschland vorhandenen indus­triellen Abwärme durchaus Potenzial. Auch aus produktions­technischer Sicht konnten nur wenige hinderliche Aspekte identi­fiziert werden. „Die zur Produktion der Kompo­nenten nötigen Verfahren werden bereits in anderen Branchen groß­industriell angewendet. Eine Skalierung der Produktion ist mit einem vergleichs­weise geringen Maschinen- und Kapital­einsatz möglich“, so Steffen Kiemel, wissen­schaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA. Bei den als potenziell kritisch eingestuften Kompo­nenten wurde aufgezeigt, dass weder kurz- noch langfristig mit Liefereng­pässen zu rechnen ist.

„Handlungs­bedarf besteht vor allem auf Seiten des Gesetz­gebers: der Markt­hochlauf, der für die weitere Technologie­entwicklung und Kosten­reduktion der zentrale Hebel ist, muss durch Anpassungen des regula­torischen Rahmens, insbesondere beim Strom­bezug unterstützt werden, damit Elektrolyse­anwendungen wirt­schaftlich werden können“, bekräftigt Franz Lehner, Managing Consultant beim Beratungs­unternehmen E4tech. Die Autoren der Studie schlagen daher ein „Markt­aktivierungs­programm Wasser­elektrolyse“ vor, das den Herstellern und Anwendern Planungs­sicherheit für Inves­titionen bietet.

Fh.-ISE / JOL