Grüner Wasserstoff ist eine Voraussetzung zur Errei-

chung von Klimaneutralität. Die Potenziale zur grü-

nen Wasserstoffproduktion sind weltweit verteilt. Die

technologische Weiterentwicklung in den Bereichen

erneuerbare Energieerzeugung und Elektrolyse wird

dazu führen, dass die Gestehungskosten für grünen

Wasserstoff sich weltweit angleichen und andere

Standortfaktoren stärker in den Vordergrund rücken.

Dazu gehören die Verfügbarkeit von Flächen zur EE-

Produktion und die Investitionssicherheit durch

stabile politische Rahmenbedingungen. Auch Nach-

haltigkeitskriterien z. B. bei der Wasserbereitstellung

müssen berücksichtigt werden. Da schon bald grö-

ßere Mengen an grünem Wasserstoff benötigt wer-

den, sollten die weltweit vorhandenen nachhaltig

nutzbaren Potenziale in internationaler Partnerschaft

parallel ausgebaut werden. Grüner Wasserstoff wird

zum globalen Handeslgu

Heinrichs, Heidi

Holst, Marius

Horst, Juri

Jordan, Thomas

Klann, Uwe

Merten, Frank

Niepelt, Raphael

Pitz-Paal, Robert

Poganietz, Witold-Roger

Schmidt, Maike

Terrapon-Pfaff, Julia

Institute of Transport Research:Publications

42Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? FVEE • Themen 2021Woher kommt der grüne Wasserstoff?ISFHDr. Raphael Niepeltniepelt@isfh.deDLRProf. Dr. Robert Pitz-Paalrobert.pitz-paal@dlr.deFraunhofer ISEMarius Holstmarius.holst@ise.fraunhofer.deFZ JülichDr. Heidi Heinrichsh.heinrichs@fz-juelich.deIZESJuri Horsthorst@izes.deDr. Uwe Klannklann@izes.deKITDr. Thomas Jordanthomas.jordan@kit.eduWitold-Roger Poganietzpoganietz@kit.eduWuppertal InstitutFrank Mertenfrank.merten@wupperinst.orgDr. Julia Terrapon-Pfaff julia.pfaff@wupperinst.orgZSWMaike Schmidtmaike.schmidt@zsw-bw.deDas Energiesystem der Zukunft wird stark durch Elek-trifizierung geprägt sein. Für die Langzeitspeicherung von Energie sowie für Bereiche, die sich nicht sinnvoll durch Strom defossilieren lassen, werden aber auch in Zukunft chemische Energieträger benötigt. Das Ziel der Klimaneutralität bedingt, dass diese Energie-träger vollständig emissionsfrei aus erneuerbaren Energien (EE) hergestellt werden. Diese grünen Ener-gieträger sind transportier- und handelbar, sodass sich ein internationaler Markt für grünen Wasserstoff und seine Folgeprodukte entwickeln wird.Derzeit gibt es diesen Markt noch nicht. Grüner Was-serstoff ist preislich noch nicht konkurrenzfähig gegenüber fossilen Brennstoffen. Den größten Anteil am Wasserstoffpreis haben die Kosten für die Elektro-lyseanlage sowie die Kosten für die Strombereit-stellung. Die besten Bedingungen für die Wasser-stoffproduktion bieten daher EE-Standorte und Technologien mit hohen Volllaststundenzahlen, an denen auch der Elektrolyseur bei wenig EE-Abrege-lung auf viele Betriebsstunden kommt [1]. Es wird erwartet, dass die Kosten für Wasserstoff-technologien, insbesondere für Elektrolyseure, in den nächsten Jahren stark sinken, wobei die Höhe der erwarteten Kostensenkungen stark variiert. Diese Ent-wicklung hat in Kombination mit Kostensenkungen bei den EE-Technologien das Potenzial, die Standort-faktoren zur Produktion von grünem Wasserstoff stark zu beeinflussen. Regionale Wasserstoffgestehungskosten gleichen sich an Abbildung 1a zeigt exemplarisch den Einfluss der Elektrolyseurkosten auf die optimale Auslegung eines Hybrid-Systems aus Windenenergie, Photovoltaik und Elektrolyse für einen Standort in Norddeutsch-land. Betrachtet wurde das Jahr 2030 sowie eine Spanne der Investitionskosten für Elektrolyse von 100 EUR/kW bis 900 EUR/kW bezogen auf die Aus-gangsleistung. Der obere Wert entspricht in etwa dem heutigen Kostenniveau, der untere Wert den optimistischeren Annahmen für 2030. Als optimales System bei heutigen Elektrolyseurpreisen ergibt sich ein Wind-Solar-Hybridsystem. Die Elektrolyseleistung wird auf etwa ein Drittel der Gesamtleistung der Wind- und Solaranlagen begrenzt. Diese Konfigura-tion begünstigt eine hohe Betriebsstundenzahl der teuren Elektrolyseanlage, wobei auch die Abregelung von erneuerbarer Energie in Kauf genommen wird. Mit sinkenden Elektrolysekosten wird mehr Leistung zugebaut. Gleichzeitig ändert sich aber auch das  Verhältnis von installierter Wind- und Solarleistung. Die günstigere Elektrolyse ermöglicht die Nutzung von mehr Solarenergie, die im Vergleich zur Wind-energie weniger Volllaststunden liefert, aber über geringere Stromgestehungskosten verfügt. Wenn die Elektrolysekosten unter einen bestimmten Wert  fallen, entscheidet sich der Optimierer dazu, aus-schließlich Solarenergie zuzubauen. Da die Potenziale für die Solarenergienutzung in Europa anders und auch wesentlich gleichmäßiger verteilt sind als die Windenergiepotenziale, verändern sich durch die Kostensenkungen bei der Elektrolyse auch Standort-faktoren für die Wasserstoffproduktion. Die Verfüg-barkeit von Windstrom verliert an Bedeutung,  während Verfügbarkeit geeigneter Flächen zur Solar-energienutzung an Bedeutung gewinnt.In  Abbildung 1b sind die Bereitstellungskosten für grünen Wasserstoff in Abhängigkeit von den Elektro-lysekosten für die Standorte Salzgitter und Ourique in Portugal aufgetragen. Aus dem Vergleich der bei-den Standorte ist ein weiterer Trend zu erkennen. Ourique gehört zu den Standorten mit den günstigs-ten Voraussetzungen für EE-Produktion in Europa und verfügt dementsprechend auch über besonders gün-stige Bedingungen für die Produktion von grünem Wasserstoff. Durch die sinkenden Elektrolyseurpreise verringern sich die Wasserstoffgestehungskosten am weniger guten Standort Salzgitter jedoch stärker als die in Portugal, und der preisliche Abstand zwischen beiden Standorten nimmt ab. Dieser Trend ist eben-falls übertragbar. Durch günstigere Elektrolyseure verringern sich die globalen Unterschiede in den Gestehungskosten für grünen Wasserstoff. Die Trans-portkosten für grünen Wasserstoff hingegen gehen nicht im selben Maß zurück. In vielen Ländern in Europa, auch in Deutschland, wird dadurch die inländische Produktion preislich konkurrenzfähig. Der Standortfaktor EE-Gestehungskosten verliert an Bedeutung.43FVEE • Themen 2021Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? Weitere Standortfaktoren gewinnen an BedeutungErneuerbare Energien brauchen Fläche. Die Notwen-digkeit einer erneuerbaren Energieversorgung stellt Regionen mit auf die Landfläche bezogen hohen Energiebedarfen deswegen vor besondere Herausfor-derungen. Regionen mit wenig Energieverbrauch pro Fläche können sich einfacher selbst versorgen. In  Abbildung 2 zeigt die Strombilanz der europäischen Regionen in einem möglichen Szenario ein treib haus-gasneutrales Europa. Die dicht besiedelten Regionen in den Benelux-Staaten und in Westdeutschland  zeigen dabei einen negativen Saldo. Andere Regi-onen in Deutschland und Europa hingegen sind in der Lage, über den regionalen Bedarf hinaus zu pro-duzieren. Insgesamt zeigt das Szenario, dass Deutsch-land vermutlich Energie-Importland bleibt, in Europa aber durchaus genügend Potenziale  bestehen, den eigenen Energiebedarf zu decken. Dazu müssen die vorhandenen Potenziale allerdings wie im Szenario vorausgesetzt konsequent und in kurzer Zeit erschlos-sen werden, was, wenn man sich die Entwicklung in Deutschland in den letzten Jahren anschaut, eine Herausforderung ist. Die Frage, woher der grüne Wasserstoff kommt, den wir in Zukunft nutzen, wird daher vermutlich weniger durch die sich annähernden Wasserstoffge stehungs-kosten entschieden. Viel wichtiger ist die Frage, wo es genügend Potenziale zur Energiebereitstellung gibt und wie stark und wie schnell diese erschlossen werden können. Besonders im globalen Süden (Süd-amerika, Australien, Afrika) sowie in der MENA-Region gibt es Länder mit hohen Potenzialen für erneuerbare Energieerzeugung, die als potenzielle Exporteure von grünem Wasserstoff infrage kommen. Der großskalige Import nachhaltiger Energieträger aus diesen Ländern wird deshalb voraussichtlich ein wichtiges Standbein der deutschen und europäi-schen Energiewende werden. Die Bundesregierung hat dies erkannt und die Vorbereitung von Energie-partnerschaften mit potenziellen Exportländern grü-ner Grund- und Treibstoffe auf die politische Agenda gehoben.Auch für die Energieforschung in den FVEE-Mitglieds-instituten ist die internationale Bereitstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ein wichtiges Thema. Dabei stehen nicht nur die techno-ökono-mischen Parameter einer möglichen Wasserstoff-bereitstellung im Fokus. Für Infrastruktur zur Gewin-nung, Transport und Umwandlung erneuerbarer Energie wird Fläche benötigt. Die Herstellung von grünem Wasserstoff benötigt zusätzlich Wasser. Die Produktion von grünem Wasserstoff für den Export kann daher nicht losgelöst von der Versorgung der Bevölkerung und schutzwürdiger Ökosysteme vor Ort betrachtet werden, die von denselben Ressourcen abhängig sind. Es besteht vielmehr ein internatio-naler Konsens, dass die UN-Ziele zur nachhaltigen Entwicklung nur erreicht werden können, wenn die Bereitstellung von Energie, Wasser, Nahrungsmitteln und Ökosystemdienstleistungen in einem sektor- und grenzübergreifenden Nexus-Ansatz integriert betrachtet wird.Eine weitere Voraussetzung für den Aufbau von Was-serstoffinfrastruktur sind verlässliche geschäftliche Rahmenbedingungen vor Ort. Diese hängen stark von der Rechtssicherheit von Investitionen sowie der politischen Stabilität im jeweiligen Land ab und kön-nen sich von Land zu Land deutlich unterscheiden. Eine umfassende Analyse der Importpotenziale für grünen Wasserstoff ist aus diesen Gründen oft nur in interdisziplinären Forschungsprojekten zwischen der Energieforschung und den Sozial- und Rechtswissen-schaften möglich.Abbildung 1a) Optimale Auslegung eines Wind-Solar-Wasserstoff-Hybrid-systems für die Produktion von 8 TWh grünem Wasserstoff in Salz-gitter in Abhängigkeit der Elektrolyseur-kosten im Jahr 2030. b) Vergleich von Bereit-stellungskosten für grünen Wasserstoffs in Abhängigkeit von den Elektrolysekosten für die Standorte Salzgitter (DE) und Ourique (PT).(Quelle: ISFH)44Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? FVEE • Themen 2021Potenziale für grüne Energieträger in Nordafrika und dem mittleren OstenIm BMWK-geförderten Projekt MENA-Fuels unter-suchen die FVEE-Einrichtungen Wuppertal Institut, IZES und DLR, welche Rolle die MENA-Region (Nord-afrika und Naher Osten) zukünftig bei der Versor-gung Deutschlands und der EU mit grünem Wasser-stoff und synthetischen Kraftstoffen spielen könnte. Die Länder dieser Region besitzen alle große Poten-ziale für Solarenergie, teilweise auch für Windenergie. Die rechtlichen, politischen und regulatorischen Rahmenbedingungen unterscheiden sich jedoch deutlich. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden die Risiken, die sich aus den länderspezifischen Besonderheiten für die Entwicklung eines synthe-tischen Kraftstoffsektors ergeben, mit Hilfe von  über 100 Risikoindikatoren untersucht.  Abbildung 3 fasst die so ermittelten Länderrisiken in den untersuchten Ländern zusammen. Im Ergebnis zeigen sich stark unterschiedliche Risiken in den  Ländern. Sehr hohe Risiken weisen die politisch von starken Konflikten geprägten Staaten (Irak, Jemen, Libyen, Syrien) auf. Auch für die anderen Länder in der Region bestehen teilweise erhebliche Risiken, welche die Entwicklung eines synthetischen Kraft-stoffsektors beeinflussen können. Potenziale für grünen Wasserstoff  in WestafrikaDas Forschungszentrum Jülich hat im BMBF-geför-derten H2-ATLAS-AFRICA-Projekt untersucht, ob und wie eine nachhaltige Wasserstoffproduktion mit einer nachhaltigen Flächen- und Grundwassernutzung kombiniert werden kann. Im in  Abbildung 4 dar-gestellten Ergebnis zeigt sich, dass in trockenen, küstenfernen Regionen die knappe lokale Wasserver-fügbarkeit das technische grüne H2-Potenzial um bis zu 80 % beschränkt. An weniger dicht besiedelten Standorten mit geringer bis mittlerer Entfernung zur Küste ist eine nachhaltige Wasserstoffproduktion möglich, wenn das dafür benötigte Wasser in Meer-wasserentsalzungsanlagen gewonnen wird. Die Nut-zung einer Meerwasserentsalzungsanlage erhöht die Wasserstoffgestehungskosten um 0,5 % und stellt damit keinen entscheidenden Kostenfaktor dar. Aller-dings müssen sowohl der Strom für die Entsalzungs-anlage als auch das Wasser für die Elektrolyse zwi-schen Küste und Elektrolyseurstandort transportiert werden. Aus diesem Grund scheiden küstennahe Standorte bei der Analyse etwas besser ab. Die Ent-salzungsanlagen können nicht nur zur Wasserstoff-produktion, sondern auch zur Bereitstellung von Trinkwasser benutzt werden und so die Versorgungs-sicherheit vor Ort erhöhen.   Abbildung 2Europaweite Strom-bilanz im Jahr 2050resultierend aus einer Defossilierung der Schwerindustrie in Europa. INFRA-NEEDS- Projekt, Wuppertal-Institut 2019, Rechnung auf Basis vom 110 %-EE-Szenarien von  e-highways(Quelle: Wuppertal Institut)45FVEE • Themen 2021Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? PtX-Produktion mit 100 % erneuerbaren Energien in Saudi-ArabienDas Fraunhofer ISE hat Importkosten verschiedener PtX-Energieträger mit Jahressimulationen untersucht und die Anlagenauslegung für jeden betrachteten Energieträger auf minimale Importkosten optimiert ( Abbildung 5). Aus den Ergebnissen ist wieder erkennbar, dass die Bereitstellungskosten für alle verglichenen Energie-träger stark sinken werden, verursacht vor allem durch sinkende Kosten für Energiebereitstellung und Elektrolyse. Gleichzeitig ist aber auch zu beobachten, dass sich die Unterschiede in den Gestehungskosten der verschiedenen Energieträger verändern. Aufgrund der längeren Wandlungskette liegt der Anteil der Energiebereitstellung an den Gestehungskosten so -wohl bei grünem Ammoniak als auch bei grünem Methanol höher als bei grünem Wasserstoff. Zusätz-lich bestehen auch bei der für das Methanol benö-tigten Carbon-Capture-Technologie noch große Kostensenkungspotenziale. Da die Transportkosten der Energieträger nicht in gleichem Tempo sinken werden, ist zu erwarten, dass sowohl grüner Ammo-niak als auch grünes Methanol trotz der aufwändi-geren Wandlungsketten irgendwann preisgüns tiger importiert werden können als grüner Wasserstoff.Importoptionen für grünen WasserstoffFür den Transport von grünem Wasserstoff über län-gere Strecken gibt es eine Vielzahl an Optionen. Diese können sowohl unterschiedliche Transportmit-tel umfassen, wie den Transport per Pipeline oder per Schiff, als auch die stoffliche Umwandlung des grü-nen Wasserstoffs in ein anderes, möglicherweise technisch einfacher zu transportierendes Molekül. Eine mögliche Importoption für molekularen grünen Wasserstoff ist der Import von gasförmigem Wasser-stoff per Pipeline. Die Technologien für diesen Trans-portweg sind weitestgehend vorhanden und werden auch schon im größeren Umfang in regionalen  Netzen eingesetzt. In Deutschland wird zum Beispiel im Ruhrgebiet ein solches Wasserstoff-Pipelinenetz mit 240 km Leitungslänge betrieben. Da die Verle-gung der Rohrleitung den größten Anteil an den Kosten für eine Gaspipeline ausmacht, sinkt die Wirt-schaftlichkeit dieses Transportwegs mit wachsender Entfernung. Eine Alternative zum Pipelinetransport ist der Seever-kehr. Dort kommen für den Import von molekularem Wasserstoff aus heutiger Sicht zwei Technologie-routen infrage: verflüssigter Wasserstoff (LH2) sowie Wasserstoff, der an ein flüssiges organisches Träger-medium gekoppelt ist (LOHC). Bei beiden Technolo-gien müssen zusätzliche Infrastrukturen aufgebaut werden. Für die Verflüssigung (LH2) bzw. für die Ausspeicherung des Wasserstoffs aus dem Träger-medium (LOHC) wird zudem im Vergleich zum Pipe-linetransport zusätzlich Energie benötigt. Abbildung 3Länderrisikobewertung für die Entwicklung synthetischer Kraft-stoffsektoren(„Business-as-usual“-Szenario) basierend auf der Bewertung von über 100 Risikoindikatoren aus dem MENA-Fuels-Projekt(Quelle: Wuppertal Institut)46Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? FVEE • Themen 2021Auf kurze Entfernung ist der Transport per Seeverkehr daher im Vergleich zur Pipeline teurer. Die Transport-kosten steigen jedoch mit wachsender Entfernung weniger stark an. Ergebnisse des MENA-Fuels-Pro-jekts zeigen, dass bei Transportwegen mit mehr als 2.000 km Länge Seetransport günstiger werden könnte als Pipelinetransport [3]. Sofern bereits eine Gasfernleitung verlegt ist, die man für den Wasser-stofftransport umrüsten könnte, ist der Seeverkehr frühestens ab 8.000 km Transportweg die wirtschaft-lichere Option. Bei kurzen Entfernungen hat die  Pipeline Vorteile. Auch größere Transportvolumina begünstigen eher die Pipeline.  Abbildung 6 zeigt ein kostenoptimiertes Szenario für eine weltweite Wasserstoffversorgung. Im Ergeb-nis der Optimierungsrechnung, die techno-ökono-mische Parameter wie Infrastruktur- und Transport-kosten berücksichtigt, aber keine nicht-technischen sozialen oder geopolitischen Faktoren, werden  Wasserstoffbedarfe weltweit stets durch Produktion im eigenen oder in einem benachbarten Kontinent gedeckt. Europa wird zu einem großen Anteil aus Nordafrika mit Wasserstoff versorgt.Abbildung 4Maximal mögliche Wasserstoffproduktion in Westafrika bei  nachhaltiger  Wassernutzung [2](Quelle: H2Atlas-Africa, FZ Jülich)Abbildung 5Heutige und zukünftige Gestehungskosten für grüne Energieträger in Saudi-Arabien(Quelle: Fraunhofer ISE)47FVEE • Themen 2021Internationaler Handel  •  Woher kommt der grüne Wasserstoff? Für die stoffliche Wandlung von grünem Wasserstoff in Ammoniak oder Kohlenwasserstoffe wird ähnlich der Verflüssigung beim LH2 zusätzliche Energie benötigt. Wie bereits in  Abbildung 5 gezeigt, lassen sich sowohl Ammoniak als auch Methanol sehr kostengünstig über große Strecken transportieren, so dass der reine Transportkostenanteil wesentlich ge -ringer ausfällt als bei den Transportwegen für elemen-taren Wasserstoff. Für Anwendungen, die keinen grünen Wasserstoff, sondern Ammoniak oder synthe-tische Kraftstoffe nutzen, ist daher auch heute schon die wirtschaftlichste Option, den grünen Wasserstoff erst zu konvertieren und dann zu transportieren. Zusammenfassung und FazitGrüner Wasserstoff ist eine Voraussetzung zur Errei-chung von Klimaneutralität. Die Potenziale zur grü-nen Wasserstoffproduktion sind weltweit verteilt. Die technologische Weiterentwicklung in den Bereichen erneuerbare Energieerzeugung und Elektrolyse wird dazu führen, dass die Gestehungskosten für grünen Wasserstoff sich weltweit angleichen und andere Standortfaktoren stärker in den Vordergrund rücken. Dazu gehören die Verfügbarkeit von Flächen zur EE-Produktion und die Investitionssicherheit durch  stabile politische Rahmenbedingungen. Auch Nach-haltigkeitskriterien z. B. bei der Wasserbereitstellung müssen berücksichtigt werden. Da schon bald grö-ßere Mengen an grünem Wasserstoff benötigt wer-den, sollten die weltweit vorhandenen nachhaltig nutzbaren Potenziale in internationaler Partnerschaft parallel ausgebaut werden. Grüner Wasserstoff wird zum globalen Handelsgut. Die Bereitstellungspreise von grünem Wasserstoff in Europa hängen dabei von der Länge der Handels-wege und dem Zugriff auf bereits verfügbare Trans-portinfrastruktur ab. Für molekularen Wasserstoff ist der Transport per Pipeline dem Schiff vorzuziehen, günstigenfalls durch Umnutzung bereits bestehender Leitungen. Im Seeverkehr spielt die Entfernung eine untergeordnete Rolle für den Importpreis. Grüne Kraftstoffe können günstiger nach dem Synthese-schritt transportiert und importiert werden. Wich-tigster europäischer Lieferant für grünen Wasserstoff und Kraftstoffe könnte Afrika werden.Literaturangaben[1] A. Rosenstiel, N. Monnerie, J. Dersch,  M. Roeb, R. Pitz-Paal, and C. Sattler,  Energies 14, 3437 (2021).[2] Forschungszentrum Jülich, H2Atlas-Africa, https://www.h2atlas.de/de/[3]  MENA-Fuels-Projekt: Vergleich der Seetrans-portkosten von H2 mit Pipelinetransportkosten in Abhängigkeit von der Entfernung (2021).[4]  P.-M. Heuser, T. Grube, H. Heinrichs,  M. Robinius, and D. Stolten, preprint (2020).Abbildung 6Kostenoptimale  Gesamtwasserstoff-allokationzur Deckung des  weltweiten Bedarfs  mit einer regionalen Klassifizierung [4].(Quelle: FZ Jülich)

Woher kommt der grüne Wasserstoff?

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