D r. A n d r e a H e r b s t,

(1)

WOHER KOMMT ZUKÜNFTIG DER WASSERSTOFF FÜR DIE (GRUNDSTOFF -)INDUSTRIE?

d e n a - W o r k s h o p „ N e u s t r u k t u r i e r u n g i n d u s t r i e l l e r W e r t s c h ö p f u n g s k e t t e n ,2 0^{t h} S e p t e m b e r 2 0 2 1

x

D r . A n d r e a H e r b s t , P r o f . D r . M a r t i n W i e t s c h e l

F r a u n h o f e r I n s t i t u t f ü r S y s t e m - u n d I n n o v a t i o n s f o r s c h u n g I S I

(2)

G r ü n e r W a s s e r s t o f f u n d S y n t h e s e p r o d u k t e w e r d e n i n Z u k u n f t f ü r d i e E r r e i c h u n g d . T r e i b h a u s g a s n e u t r a l i t ä t b e n ö t i g t . . .

Direkte Emissionen nach Endanwendung u. Sektor

..., vor allem in bestimmten Industriesektoren wie z.B. der Grundstoffchemie und der Eisen- und Stahlindustrie

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

2018 2030 2045 2018 2030 2045 2018 2030 2045 2018 2030 2045

8Gt_Bal 8Gt_Elec 8Gt_H2 8Gt_SynF

Energy demand in TWh

Naphtha Other fossil Waste non- RES Coal Fuel oil Natural gas Solar energy Other RES Ambient Heat District Heat Biomass Syn.

methane Hydrogen Electricity

Energienachfrage inkl. Feedstocks

(3)

P o t e n z i a l e f ü r e r n e u e r b a r e E n e r g i e n i n D e u t s c h l a n d r e i c h e n v o r a u s s i c h t l i c h n i c h t a u s , . . .

› ... den Bedarf an Wasserstoff und Syntheseprodukten unter den Aspekten Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz kosteneffizient zu decken

› Import von grünem Wasserstoff u. Synthese- produkten kann dazu beitragen, die Lücke zwischen Wasserstoffnachfrage und -angebot zu schließen

› Große Nachfragemengen erfordern einen Import aus Ländern mit günstigen klimatischen Bedingungen

› Der Aufbau von Produktions- und Transport- kapazitäten für Wasserstoff und seine

Syntheseprodukte ist jedoch zeit- und kapitalintensiv

› Verbunden mit hohen Produktionskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern

Quellen: Ausfelder et al. 2021, Wietschel et al. 2021, NOW 2021, Wietschel et al. 2020 Quelle: Hebling et al. 2019 (oben), Ausfelder et al. 2021 (unten)

Bandbreiten der H2-Nachfrage / des H2-Angebots in DE

(4)

P o t e n t i e l l e P r o d u k t i o n s l ä n d e r f ü r ( g r ü n e n ) W a s s e r s t o f f f ü r d i e d e u t s c h e ( G r u n d s t o f f - ) I n d u s t r i e , s o w o h l i n n e r h a l b E U

› Europäische Union

› 40 GW Elektrolysekapazitäten bis 2030

› 40 GW in Europas Nachbarschaft (Export in die EU)

› MENA & Osteuropa

› OPEC-Staaten

› Entwicklungs- u. Schwellenländer (Afrika, Südamerika)

› USA, China, Australien

EU Wasserstoffproduktion in 2030 (erwartet)

Quelle: The European Clean Hydrogen Alliance

(5)

P o t e n t i e l l e P r o d u k t i o n s l ä n d e r f ü r ( g r ü n e n ) W a s s e r s t o f f f ü r d i e d e u t s c h e ( G r u n d s t o f f - ) I n d u s t r i e , a l s a u c h a u ß e r h a l b

› Europäische Union

› 40 GW Elektrolysekapazitäten bis 2030

› 40 GW in Europas Nachbarschaft (Export in die EU)

› MENA & Osteuropa

› OPEC-Staaten

› Entwicklungs- u. Schwellenländer (Afrika, Südamerika)

› USA, China, Australien

Quelle: Fraunhofer IEE (2021): PtX-Atlas. Studie im Auftrag des BMU

Länderübersicht der zehn größten PtX-Flächenpotenziale

(6)

V i e l e L ä n d e r m i t g ü n s t i g e n k l i m a t i s c h e n B e d i n g u n g e n e r z e u g e n b e r e i t s h e u t e s i g n i f i k a n t e M e n g e n a n A m m o n i a k

› Weltweite Produktion und bestehende Transportinfrastruktur

› Trennung Synthesegaserzeugung und Haber-Bosch-Prozess:

› Wasserstoffhaltiges Synthesegas aus der Dampfreformierung kann „relativ einfach“

durch CO2-neutralen Wasserstoff ersetzt werden

› Ammoniak für Seefahrt u. als H2-Transportmedium

› Ausbau globaler Produktionskapazitäten

› Effizienzverluste

› Hohes Eutrophierungs- u. Versauerungspotential

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Millionen Tonnen

Länderübersicht Ammoniak Produktion 2020

Quelle: USGS 2021

(7)

Asian Renewable Energy Hub (AREH)

Western Australia (status unclear)

<23 GW green H2 &

ammonia

V i e l e L ä n d e r m i t g ü n s t i g e n k l i m a t i s c h e n B e d i n g u n g e n e r z e u g e n b e r e i t s h e u t e s i g n i f i k a n t e M e n g e n a n A m m o n i a k

› Weltweite Produktion und bestehende Transportinfrastruktur

› Trennung Synthesegaserzeugung und Haber-Bosch-Prozess:

› Wasserstoffhaltiges Synthesegas aus der Dampfreformierung kann „relativ einfach“

durch CO2-neutralen Wasserstoff ersetzt werden

› Ammoniak für Seefahrt u. als H2-Transportmedium

› Ausbau globaler Produktionskapazitäten

› Effizienzverluste

› Hohes Eutrophierungs- u. Versauerungspotential

› Vielzahl an geplanten Projekten

Western Green Energy Hub (WGEH)

Western Australia

<50 GW

~20 Mt ammonia pa (2030)

ACME Oman 0.9 Mt/pa EuroChem

Northwest Russia 1.1 Mt/pa

(2024)

NEOM Saudi Arabia

1.2 Mt/pa (2025)

Fortescue Brasil 0.25 Mt/pa

(MOU)

(8)

S t e i g e n d e N a c h f r a g e n a c h d e r M t O - R o u t e e r f o r d e r t A u s b a u d e r

" g r ü n e n " H 2 - M e t h a n o l - K a p a z i t ä t e n

Methanol:

› Synthese von Wasserstoff und CO2 – heute größtenteils aus Dampfreformierung von Erdgas

› Umstellung auf erneuerbares Synthesegas

› CO2-neutraler Wasserstoff und CO2

› Benötigt CO2 als Rohstoff

Methanol-zu-Olefinen (MtO):

› Herstellung von Olefinen/HVC über "grünes"

H2-Methanol als Zwischenprodukt

› Gesamtenergiebedarf der „grünen“

wasserstoffbasierten Ethylenproduktion über MtO deutlich höher

› Beinahe Verdopplung der Methanolproduktion der letzten Dekade (Großteil in China)

Erneuerbare und Biomethanol Projekte 2021

Quelle: Methanol Institute

(9)

„ G r ü n e “ H 2 - D R I P r o d u k t i o n v o r t e i l h a f t f ü r L ä n d e r m i t k o s t e n - g ü n s t i g e r E E - S t r o m v e r s o r g u n g

› Direktreduktion von Eisenerz mit Erdgas ist bereits Stand der Technik und wird großindustriell eingesetzt

› Iran u. Indien

› Umstieg auf erneuerbaren Wasserstoff scheint ohne große technische Hürden möglich

› Projekte untersuchen Machbarkeit unter Einsatz von Wasserstoff (H2-DRI)

› HYBRIT (SSAB/LKAB/Vattenfall) in Schweden

› ArcelorMittal und SALCOS in Deutschland

› COURSE50 in Japan

› Schnellerer Aufbau von DRI-Kapazitäten mit

Erdgas als Brückentechnologie bis 2030 denkbar

› OPEX dominant: Wirtschaftlichkeit hängt stark von den Preisen der Energieträger ab

Quelle: Midrex Technologies, Inc.

Globale DRI Produktion nach Region (2018)

(10)

I n s g e s a m t g r o ß e s M a r k t p o t e n z i a l m i t n e u e n C h a n c e n u n d H e r a u s f o r d e r u n g e n

› Potenzieller Importmarkt:

› langfristig wahrscheinlich zw.

100 und 700 Milliarden Euro pro Jahr

› Neue Importabhängigkeiten und Risiken

› Importrisiko reduziert sich, wenn

› partnerschaftliche und langfristige Beziehungen

› zu demokratisch, politisch u.

wirtschaftlich stabilen H2-Produktionsländern

Quelle: https://www.ibisworld.com/global/market-size/global-oil-gas-exploration-production/

(oil/gas markets); own calculations for H2 and metal commodities

H2/PtX Märkte im Vergleich zu anderen weltweiten Rohstoffmärkten (billion USD)

(11)

A b e r K a p i t a l g e b e r u n d A n r e i z s y s t e m e w e r d e n b e n ö t i g t

› Zukünftige Marktpreise bisher wohl deutlich unterschätzt, da diese sich häufig nur an den Herstellkosten orientieren

› hinzu kommen z.B. Risikoaufschläge, Gewinnmargen, Steuern, Vertrieb, ...

› kann zu Überkompensation der günstigen Erneuerbaren führen

› Kapitalgeber werden nur dann ausreichend und günstiges Kapital zur Verfügung stellen,

› wenn eine stabile, langfristige und sichere Nachfrage nach Wasserstoff gegeben ist

› sowie bi- und multilaterale Abkommen länderspezifische Risiken adressieren

› Bisher fehlen Anreizsysteme, um für die Exportländer attraktive Marktbedingungen für die Wasserstoffproduktion und den Transport zu schaffen

› Investitionsförderinstrumente

› Maßnahmen zur Schaffung einer gesicherten Wasserstoffnachfrage (beispielsweise Quoten)

› Instrumente zum Ausgleich der höheren Kosten (beispielsweise Einspeisetarife oder CCfDs)

Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas, Öko Institut (2021)

(12)

N a c h h a l t i g k e i t a l s G r u n d v o r a u s s e t z u n g f ü r e i n e e r f o l g r e i c h e W a s s e r s t o f f w i r t s c h a f t

› Der Aufbau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten, der Elektrolyseure zur Wasserstoffherstellung und der Syntheseanlagen benötigt Ressourcen wie Bauflächen, Wasser, Energie und CO2, und ist mit entsprechenden Umweltfolgen behaftet

Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas

Ökologie

S oziales Ökonom ie

CO₂-freie Strom-/

Wärmeerzeugung

Stromgestehungskosten Landumnutzung

Flächenbedarf

Beschäftigungsquote Wasserbedarf

Investitionen Schadstoff-

emissionen Abfall

Arbeitsbe- dingungen

Kinderarbeit

Infrastruktur THG-Emissionen

CO₂-Quellen

Wertschöpfungskette

vorgelagerte Prozesse Rohstoffe,

Energiequellen Transport Produktion Transport Versorgungspunkte, Umwandlung

Endver-

braucher Lebensende

(13)

N a c h h a l t i g k e i t a l s G r u n d v o r a u s s e t z u n g f ü r e i n e e r f o l g r e i c h e W a s s e r s t o f f w i r t s c h a f t

› Der Aufbau der erneuerbaren Stromerzeugungskapazitäten, der Elektrolyseure zur Wasserstoffherstellung und der Syntheseanlagen benötigt Ressourcen wie Bauflächen, Wasser, Energie und CO2, und ist mit entsprechenden Umweltfolgen behaftet

› Weiterhin basiert die Stromproduktion in potenziellen Produktionsländern oftmals noch auf fossilen Quellen

› Deshalb ist es wichtig, Nachhaltigkeitskriterien möglichst auf internationaler Ebene zu entwickeln und anzuwenden

› Dabei ist darauf zu achten, dass diese Länder auch ihre eigenen energie- und klimapolitischen Ziele erreichen können

› In den Produktionsländern sind deshalb eine Einbettung der Wasserstoffstrategie in die nationale Energiestrategie sowie eine enge Koordination mit industriepolitischen Instrumenten zentral, um nationale Ziel- und Ressourcenkonflikte zu vermeiden

(14)

A k t u e l l e x i s t i e r e n k e i n e g l o b a l e n S t a n d a r d s f ü r d i e H e r s t e l l u n g u n d d e n I m p o r t v o n ( g r ü n e m ) W a s s e r s t o f f

Quelle: Velazquez Abad, A., & Dodds, P. (2020). Green hydrogen characterisation initiatives: Definitions, standards, guarantees of origin, and challenges. Energy Policy, 138, 1-13.

(15)

I n t e r n a t i o n a l e Z u s a m m e n a r b e i t u n d l o k a l e K o m p e t e n z e n s i n d n o t w e n d i g

› Geordnete Integration der Importstrategie in die internationale Zusammenarbeit notwendig

› Dieses erfordert den gezielten Aufbau von Vertrauen, um entgegenzuwirken, dass Länder im Bereich technologischen und wissenschaftlichen Wissens trotz lokaler Produktion und Export international weiterhin und langfristig abgehängt werden könnten

› Capacity building und die geordnete Integration der notwendigen Infrastruktur in einen regionalen sozialen und ökonomischen Kontext, kann die notwendige multilaterale Zuverlässigkeit, lokale Energieversorgung sowie ökonomische Marktattraktivität begünstigen

› Neben dem Beitrag zur globalen Energiewende sind die Schaffung von Arbeitsplätzen und der Ausbau lokaler

Wertschöpfung in den Produktionsländern zentrale Treiber für den Aufbau einer global vernetzten Wasserstoffwirtschaft

› Dies erfordert zielgerichtete Strategien für den Aufbau wettbewerbsfähiger Industrie- und Dienstleistungssektoren entlang der Wertschöpfungskette

(16)

A u s g e w ä h l t e A b k o m m e n b z w . I n t e r e s s e n s b e k u n d u n g e n z u H 2 - I m p o r t U m s e t z u n g s p r o j e k t e n

Land Projekttitel beteiligte Firmen/Institutionen Prozess/Produkte Status Leistung/Dimension Budget

Saudi-Arabien Helios Green Fuels Project

Bundesregierung, Thyssenkrupp, ACWA Power, Air Products & Chemicals

Wasserstoff,

Ammoniak Planung

4 GW Solar- & Windenergie, 650t H2 pro Tag 3000t NH3 pro Tag

2 Milliarden € für internationale Projekte im

Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie

Australien HyGATE Deutsche & Australische Regierung Wasserstoff Planung k.A. 50 Millionen € & 50 Millionen AUS$

Chile Haru Oni Bundesregierung, Siemens Energy AG, Porsche AG

Wasserstoff,

eFuels Planung

2022: 130.000l 2024: 55.000.000l 2026: 550.000.000l

2 Milliarden € für internationale Projekte im

Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie

Marokko k.A. Bundesregierung, GIZ, DWV Wasserstoff Planung 200 MW EE-Kapazität

100 MW H2-Kapazität

Bereitstellung 90 Millionen

€ an Krediten

Kasachstan k.A. SVEVIND Wasserstoff,

Ammoniak Planung

45 GW Wind-/Solarpark 30 GW Elektrolyseure ca. 3 Mio. t/a EE-H2 oder EE-

Ammoniak

k.A.

Nambia k.A Bundesregierung Wasserstoff Planung k.A.

bis zu 40 Millionen Euro aus dem Konjunktur- u.

Zukunftspaket

Außerhalb EU H2Global Bundesregierung, u.a. Wasserstoff Planung k.A. 900 Millionen € zum

Ausgleich Preisdifferenzen

Quelle: Fraunhofer ISI (2021): HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas

(17)

Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. Andrea Herbst

Competence Center Energy Technology and Energy Systems Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI Breslauer Straße 48 | 76139 Karlsruhe | Germany

Phone +49 721 6809-439 | Fax +49 721 6809-439 mailto: andrea.herbst@isi.fraunhofer.de

https://www.isi.fraunhofer.de/de/themen/wasserstoff.html http://www.forecast-model.eu

http://www.isi.fraunhofer.de

Beiträge von:

Prof. Dr. Martin Wietschel, Prof. Dr. Wolfgang Eichhammer, Dr. Matthias Rehfeldt, Dr. Jana Thomann