Elektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff gewinnt stark an Bedeutung

Symbolische Darstellung von grünem Wasserstoff und seinen Quellen: Solar- und Windenergie

Grüner Wasserstoff könnte die Energiewende vorantreiben. Doch seine Herstellung ist bisher nicht marktreif. Wie die Elektrolyse den Durchbruch schaffen könnte?

Grüner Wasserstoff gilt als der Energieträger der Zukunft. Er soll der Zement-, Stahl- und Chemieindustrie den Wandel zu einer klimaneutralen Produktion ermöglichen. Doch bis zur Marktreife ist es noch ein weiter Weg.

Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse von Wasser, das mit Strom aus Wind- und Sonnenenergie oder anderen regenerativen Quellen erzeugt wird. Je nach Energiequelle und Ausgangsstoff hat sich eine eigene Wasserstoff-Farblehre entwickelt.

Obwohl das Verfahren der Wasserelektrolyse seit Jahrhunderten bekannt ist, wird Wasserstoff nach wie vor überwiegend aus Erdgas und anderen fossilen Quellen gewonnen. Deutlich wird dies an den Zahlen für das Jahr 2022, die das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) veröffentlicht hat.

Damals wurden weltweit rund 95 Millionen Tonnen Wasserstoff produziert, aber nur weniger als 100.000 Tonnen stammten aus der Elektrolyse von Wasser. Das entspricht einem Anteil von nur 0,1 Prozent – und nicht alles davon war grüner Wasserstoff. Die Dominanz des Wasserstoffs aus fossilen Quellen ist auf die niedrigen Gestehungskosten zurückzuführen.

Forscher des Fraunhofer ISI gehen davon aus, dass sich das bald ändern wird. Im Projekt "H2 Companion" begleiten sie zwei Modellregionen für grünen Wasserstoff in Baden-Württemberg, in denen Elektrolysekapazitäten aufgebaut und erprobt werden, die den Durchbruch am Markt schaffen könnten.

Drei Hauptkategorien von Elektrolyseuren

Die Forscher unterscheiden dabei drei Hauptkategorien von Elektrolyseuren:

  1. Alkalische Elektrolyse (AEL): Die am weitesten industriell etablierte Technologie. Sie arbeitet mit einer Kalilauge als Elektrolyt bei 70–90 °C. Vorteile sind niedrige Kosten und Robustheit.
  2. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM): Verwendet eine Polymer-Elektrolyt-Membran. Vorteil ist die schnelle Reaktion auf schwankenden Strombedarf, daher geeignet für erneuerbare Energien. Nachteil sind die höheren Kosten.
  3. Hochtemperatur-Elektrolyse (HT): Arbeitet bei 650–850 °C mit Wasserdampf und einem keramischen Feststoff-Elektrolyten. Vorteil ist der geringere Stromverbrauch aufgrund der hohen Temperaturen. Herausforderung ist die Stabilität des Materials.

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Zudem gibt es neue Entwicklungen wie die Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse (AEM) und Kombi-Technologien wie Hochtemperatur-PEM.

Starker Anstieg von Patenten und Förderung

Die Analyse der Patente zeigt: Bis 2015 gab es nur wenige transnationale Patente für alle Elektrolysetechnologien. Seitdem ist ein starker Anstieg zu verzeichnen, angeführt von PEM und AEL. Im Jahr 2021 führt PEM mit 93 Patenten vor AEL (68) und HT (37). Die führenden Länder sind die USA vor Japan und Deutschland.

Auch die öffentliche Forschungsförderung in Deutschland spiegelt die neue Dynamik wider: Zwischen den 1990er-Jahren und 2010 war die Förderung der Elektrolyse sehr gering. Seitdem steigt sie stark an, vorwiegend für PEM und Anwendungsprojekte. Im Jahr 2023 werden erstmals fast 800 Millionen Euro erreicht. Hauptförderer sind das Bundeswirtschaftsministerium und das Bundesforschungsministerium.

Enormes Marktwachstum prognostiziert

Die Forscher gehen davon aus, dass der globale Markt für Elektrolyseure in Zukunft stark wachsen wird. Sie haben 28 Marktstudien ausgewertet. Das Ergebnis: Das jährliche Wachstum wird auf rund 25 Prozent geschätzt.

Allerdings weisen die Studien eine große Spannbreite beim Marktvolumen auf, was die Prognosen ungenau macht. Für das Jahr 2023 gehen sie von einem weltweiten Jahresumsatz zwischen 217 Millionen und 10,8 Milliarden US-Dollar aus. Im Median liegt der prognostizierte Umsatz bei rund 505 Millionen US-Dollar.

Auch beim Blick auf die zukünftige Entwicklung bleibt die enorme Bandbreite und die damit verbundene Unschärfe bestehen. Für das Jahr 2030 gehen die Studien von einem jährlichen Umsatz zwischen 651 Mio. und 90,4 Mrd. US-Dollar aus.

Führende Unternehmen im globalen Elektrolyseur-Markt kommen laut Marktstudien vorwiegend aus den USA, Deutschland, China, Frankreich und Italien. In Deutschland sind Stadtwerke an zahlreichen Elektrolyseprojekten beteiligt, hauptsächlich im Westen, Süden und Norden. In Ostdeutschland gibt es laut Fraunhofer ISI nur zwei Projekte. Ein typisches Projekt dauert von der Idee bis zur Inbetriebnahme 3,5 Jahre.