Wertschöpfungs potenziale von Wasserstoff für Sachsen - HZwo
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Stoffliche Verwendung
cherung
in Industrieprozessen
Energe�sche Nutzung,
bspw. durch Brennstoffzellen
Industrielle Energieversorgung
Häusliche Wärme-
und Stromversorgung
Notstromversorgung
(USV/NEA)
Wertschöpfungspotenziale
von Wasserstoff für Sachsen
Potenzialstudie mit Akteurs- und Marktanalyse Rückverstromung
Mobilität
zu Wassersto�echnologien und Brennstoffzellen für Sachsen
ins Elektrizitätsnetz
Energe�sche Nutzung durch Wärmekra�maschine
Im Auftrag von HZwo e . V . – Die sächsische Kompetenzstelle für Brennstoffzellen und grünen Wasserstoff ALLE RECHTE VORBEHALTEN Impressum: HZwo e . V . c/o TU Chemnitz/Fak. MB/IAF Reichenhainer Straße 70 | R. C24.310 09126 Chemnitz Ansprechpartner: Herr Karl Lötsch karl.loetsch@hzwo.eu 0371 531 35757 Veröffentlichung: 29. April 2021 Autoren Kapitel 2 Prof. Dr.-Ing. Thomas von Unwerth, Florian Müller; Professur Alternative Fahrzeugantriebe, Technische Universität Chemnitz Nico Keller, HZwo e. V. Kapitel 3 und 4 Prof. Dr. Prof. h. c. Uwe Götze, Dr. Steve Rother, Annika Tampe; Professur Unternehmensrechnung und Controlling, Technische Universität Chemnitz Redaktion und Handlungsempfehlungen Nico Keller, Karl Lötsch; HZwo e. V. Layout, Satz, Grafik www.punkt191.de Diese Studie zum Projekt HZwo TRANSFER wird im Rahmen der Technologieförderung durch das Sächsische Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr unterstützt. Diese Maßnahme wird mitfinanziert durch Steuermittel auf der Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.
Verzeichnisse
Inhaltsverzeichnis
Verzeichnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Inhaltsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Zielsetzung der Studie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Struktur und Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2 Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1 Die energetischen Wasserstoffwertschöpfungsketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.2 Die Produktwertschöpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2.3 Wasserstoffherstellung am Beispiel der Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Wasserstoffspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Wasserstoffanwendung am Beispiel der Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
3 Marktentwicklung im Wasserstoffsegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1 Globale Marktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
3.2 Europäische Marktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Deutsche Marktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
4 Sächsische Wirtschaft im Wasserstoffsegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1 Ausgangssituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
4.2 Potenzialabschätzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
4.3 Stärken und Schwächen sowie Chancen und Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Handlungsempfehlungen aus der Perspektive des HZwo e. V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Anhang 1 – Auszug aus dem Onlinefragebogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Anhang 2 – Teilnehmer der Onlinebefragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Anhang 3 – Liste der betrachteten sächsischen Institutionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Anhang 4 – Experteninterviews . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
2
Verzeichnisse
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Überblick zur energetischen Wasserstoffwertschöpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Abbildung 2 Auszug aus der Produktwertschöpfung mit Bezug zu Wasserstofftechnologien . . . . . . . . 16
Abbildung 3 Funktionsprinzip der alkalischen Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Abbildung 4 Funktionsprinzip der PEM-Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Abbildung 5 Funktionsprinzip der Hochtemperatur-Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Abbildung 6 Elektrolyseur des sächsischen Unternehmens Sunfire nach dem Verfahren
der Hochtemperatur-Elektrolyse mit einer Leistung von 720 kWAC; © Salzgitter AG . . . . . 19
Abbildung 7 Komponenten eines Typ-4-Druckspeichertanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Abbildung 8 Prognostizierte globale Nachfrage nach Wasserstoff [TWh], Quelle: Hydrogen Council [1] . .25
Abbildung 9 Aufteilung der globalen Nachfrage nach Wasserstoff in Segmente
der Wertschöpfungskette für das Jahr 2050 [TWh], Quelle: Hydrogen Council [1] . . . . . . .26
Abbildung 10 Prognostizierte globale Jahresumsätze in der Wasserstoff-
und Brennstoffzellenwirtschaft [Mrd. EUR], Quelle: Hydrogen Council [1] . . . . . . . . . . . 26
Abbildung 11 Investitionsbedarf für die Wasserstoffherstellung [Mrd. EUR], Quelle: Hydrogen Council [1] . 27
Abbildung 12 Prognostizierte Nachfrage nach Wasserstoff für die Jahre 2030 und 2050 in Europa [TWh] . 29
Abbildung 13 Prognostizierte Umsätze in der Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft
in Europa 2030 [Mrd. EUR], Quelle: FCH JU [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Abbildung 14 Prognostizierte Arbeitsplätze in der Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft
in Europa 2030, Quelle: FCH JU [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Abbildung 15 Prognostizierte Nachfrage nach Wasserstoff für die Jahre 2030 und 2050 in Deutschland . . 32
Abbildung 16 Prognostiziere Umsätze deutscher Unternehmen in der Wasserstoff-
und Brennstoffzellenwirtschaft 2030 [Mrd. EUR], Quelle: Eigene Berechnung
auf Basis der Daten des FCH JU [2] und des statistischen Bundesamts [19] . . . . . . . . . . .33
Abbildung 17 Aktuelle Akteurslandschaft Sachsens im Bereich der Wasserstoff-
und Brennstoffzellentechnologie (Mehrfachnennungen möglich) . . . . . . . . . . . . . . . .36
Abbildung 18 Einordnung der Unternehmen in die Wertschöpfungskette der Wasserstoff- und
Brennstoffzellenwirtschaft [n = 56, Mehrfachnennungen möglich], Quelle: Online-Umfrage . 39
Abbildung 19 Produktwertschöpfung in Sachsen (Mehrfachnennungen möglich) . . . . . . . . . . . . . . .39
Abbildung 20 Tätigkeitsbereiche der Unternehmen im Bereich der Produktion/Herstellung
von Wasserstoff- bzw. Brennstoffzellensystemen und/oder Komponenten für diese
[n = 26, Mehrfachnennungen möglich], Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Abbildung 21 Tätigkeitsbereiche der Unternehmen im Bereich der Brennstoffzellensysteme
und -komponenten [n = 24, Mehrfachnennungen möglich], Quelle: Online-Umfrage . . . . .41
Abbildung 22 Akteure gegliedert nach Dienstleistungen und Forschung & Entwicklung
(Mehrfachnennungen möglich) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Abbildung 23 Akteure gegliedert nach Energieversorgern/Verkehrsunternehmen, Städten/Kommunen/
Wirtschaftsförderungen und Netzwerken/Clustern (Mehrfachnennungen möglich) . . . . . . 43
Abbildung 24 Entwicklungsstadium der Produkte, Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Abbildung 25 Aktuelle Umsätze im Wasserstoff-/ Brennstoffzellensegment, Quelle: Online-Umfrage . . . .43
Abbildung 26 Zeiträume der erwarteten Umsätze, Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Abbildung 27 Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Sachsen, Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . 44
Abbildung 28 Systematik der Zuordnung relevanter Wirtschaftszweige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Abbildung 29 Umsatzpotenzial sächsischer Unternehmen für das Jahr 2030 [Mio. EUR] . . . . . . . . . . .50
Abbildung 30 Entwicklung der Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft, Quelle: Online-Umfrage . . . .51
Abbildung 31 Attraktivität des Wasserstoff- und Brennstoffzellenmarktes, Quelle: Online-Umfrage . . . . .51
Abbildung 32 Zielmärkte der nächsten 10 Jahre, Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Abbildung 33 Arbeitskräftepotenzial für Sachsen für das Jahr 2030 [Bruttoarbeitsplätze],
Quelle: Eigene Berechnungen auf Basis der Daten des statistischen Bundesamts [19] . . . . 52
Abbildung 34 Prognose der Arbeitsplatzentwicklung, Quelle: Online-Umfrage . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Abbildung 35 TOWS-Analyse der sächsischen Wasserstoff- und Brennstoffzellenwirtschaft . . . . . . . . . 60
3
Verzeichnisse
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Farbenlehre der Wasserstoffproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Tabelle 2 Wissen Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Tabelle 3 Verfahren der Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Tabelle 4 Typen von Druckgasspeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Tabelle 5 Typen von Brennstoffzellen und ausgewählte Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Tabelle 6 Umsätze nach Wirtschaftszweigstatistik, Quelle: Eigene Berechnungen auf Basis
der Daten von Eurostat [21] und des statistischen Bundesamts [19] . . . . . . . . . . . . . .49
Abkürzungsverzeichnis
A-Szenario Ambitious-Szenario
AFC Alkalische Brennstoffzelle (engl. Alkaline Fuel Cell)
AMZ Automobilzulieferer Sachsen
BAU-Szenario Business-as-usual-Szenario
BHKW Blockheizkraftwerke
BoP Systemperipherie (engl. Balance of Plant)
BZ Brennstoffzelle
BZS Brennstoffzellensystem
CO2 Kohlenstoffdioxid
DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
DMFC Direktmethanolbrennstoffzelle (engl. Direct Methanol Fuel Cell)
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
ET Equipment Transport
F&E Forschung und Entwicklung
FC Brennstoffzelle (engl. Fuel Cell)
FCH JU Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking
Fraunhofer ISE Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
H2 Wasserstoff
HTE Hochtemperatur-Elektrolyseeinheit
KMU Kleine und mittelständische Unternehmen
kW Kilowatt
kWAC Kilowatt Wechselstrom
LOHC Liquid Organic Hydrogen Carrier
MaaS Mobility as a Service
MCFC Schmelzcarbonat-Brennstoffzelle (engl. Molten Carbonate Fuel Cell)
MINT Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik
NEA Netzersatzanlage
NKW Nutzkraftwagen
NOW Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie
OEM Erstausrüster (engl. Original Equipment Manufacturer)
OH- Hydroxidion
ÖPNV Öffentlicher Personennahverkehr
PAFC Phosphorsaure Brennstoffzelle (engl. Phosphoric Acid Fuel Cell)
PEM Polymerelektrolytmembran
PEMFC Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (engl. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
SOC Festoxidzelle (engl. Solid Oxide Cell)
SOEC Festoxid-Elektrolyseurzelle (engl. Solid Oxide Electrolyzer Cell)
SOFC Festoxid-Brennstoffzelle (engl. Solid Oxid Fuel Cell)
TOWS/SWOT Risiken (engl. threats), Chancen (opportunities), Schwächen (weaknesses) und Stärken (strenghts)
USV Unterbrechnungsfreie Stromversorgung
VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau
VEMAS Innovationsverbund Maschinenbau Sachsen
WZ Wirtschaftszweig
4
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Der Megatrend „Nutzung von Wasserstoff“ stellt schon und Mobilität steht außer Frage. Dies ist Konsens vieler
bis 2030 weltweit neue Märkte in Aussicht. Diese Ent- Experten sowie in weiten Teilen von Politik, Wirtschaft
wicklung gibt Unternehmen die Chance, neue Markt- und Gesellschaft geworden. Die entsprechende energe
potenziale zu erschließen und mit eigenen Innovationen tische Wertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft
Arbeitsplätze zu sichern und aufzubauen. Sachsen kann von der Erzeugung über Speicherung und Transport bis
hiervon profitieren, wenn Wirtschaft und Politik die zur Nutzung besteht aus einer Vielzahl von Energie
Potenziale rechtzeitig erkennen und mit gezielten Maß- anlagen, komplexen Systemen und Fahrzeugen. Diese
nahmen handeln. Die vorliegende Potenzialstudie zu wiederum setzen sich aus Teilsystemen und Einzelkom-
Wasserstoff und Brennstoffzellen in Sachsen mit einer ponenten zusammen, zu deren Herstellung Fertigungs-
Akteurs- und Marktanalyse soll einen Beitrag hierzu und Montageanlagen sowie Werkzeuge benötigt werden.
leisten, indem technisches Wissen zu Wasserstofftech- Hinzu kommen noch vielfältige Dienstleistungen, wie
nologien vermittelt, der Ist-Stand der sächsischen Engineering oder Qualitätssicherung. Daher wird in
Industrielandschaft sowie die wirtschaftlichen Poten- dieser Studie auch die Produktwertschöpfungskette
ziale erfasst und abschließend hierauf aufbauende umfassend beleuchtet.
Handlungsempfehlungen gegeben werden. Die Kern-
aussagen und Ergebnisse der Studie werden folgend Die vorgenommene Analyse der entstehenden Wert-
kurz zusammengefasst. schöpfungsketten zeigt die hohe Relevanz der Wasser-
stoffwirtschaft für produzierende Unternehmen. Viele
Wertschöpfungsketten einer Wasserstoff der benötigten Komponenten und Teilsysteme sind
wirtschaft sind vielfältig und sowohl für die klassische Produkte von Zuliefer-, Maschinen- und An-
produzierende Industrie als auch die Energie lagenbauunternehmen oder ähneln diesen in hohem
wirtschaft von hoher Relevanz Maße. Gleichzeitig sind diese Unternehmen besonders
vom Strukturwandel und dem damit einhergehenden
Bei der Diskussion über die Transformation der Energie Rückgang konventioneller Technologien betroffen. Damit
wirtschaft und den Strukturwandel in der Industrie rückt hat der Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft hohes Kom-
Wasserstoff zunehmend in den Fokus. Dessen zukünf- pensationspotenzial für im Strukturwandel rückläufige
tige Rolle als Speicher und Träger für erneuerbare Ener- Industrien. Dies ist einer der wichtigsten Aspekte der
gie sowie dessen Einsatz zur Dekarbonisierung und Wasserstoffwirtschaft für Exportländer wie Deutsch-
Defossilisierung großer Bereiche der Industrie, Wärme land und speziell den Freistaat Sachsen.
Die energetische Wertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft von
der Erzeugung bis zur Nutzung kann als „die Spitze des Eisbergs“ der
Wertschöpfungspotenziale gesehen werden.
Die Produktwertschöpfungskette der Wasserstoffwirtschaft reicht von
Energieanlagen- und Fahrzeugherstellern bis weit in die Zulieferindustrie.
Allein ein Brennstoffzellensystem besteht aus über 2.000 Zulieferkompo-
nenten.
5
Zusammenfassung
Bis 2030 entsteht ein großer Markt für Wasser
stoff und wasserstoffbasierte Produkte
Die prognostizierte Wasserstoffwirtschaft Die weltweite Nachfrage nach Wasserstoff wächst konti
für europäische Unternehmen im Jahr 2030 schafft nuierlich. Gemäß der Angaben des Hydrogen Councils
in den betrachteten Szenarien bis zu 2015 betrug die jährliche globale Nachfrage nach Wasser
stoff ca. 2.200 TWh. Die Herstellung und die Nutzung
von grünem, aus regenerativen Energien erzeugtem
130 Milliarden € Umsatz Wasserstoff erfolgen zwar aktuell noch auf geringem
Niveau, allerdings haben sich weltweit Länder und eine
zunehmende Anzahl an Unternehmen ambitionierte
913.000 Arbeitsplätze Ziele für deren Ausbau gesetzt. Bis zum Jahr 2030 wird
laut dem Hydrogen Council ein moderater Zuwachs hin
zu ca. 3.900 TWh erwartet und bis zum Jahr 2050 ein
deutliches Marktwachstum bis auf ca. 21.400 TWh prog
nostiziert. Dies entspricht gegenüber dem Jahr 2015
knapp einer Verzehnfachung.
Bereits bis 2030 wird für europäische Unternehmen ein
großer Markt für grüne Wasserstofftechnologien und
Brennstoffzellen sowie die dafür benötigten Systeme und
Komponenten vorhergesagt. Im „Ambitious-Szenario“
(A-Szenario) des europäischen Fuel Cell and Hydrogen
Joint Undertaking (FCH JU) zur Erreichung des Zwei-
Grad-Ziels im Pariser Abkommen entsteht bis 2030 für
europäische Unternehmen eine Wasserstoffwirtschaft
mit ca. 130 Mrd. EUR Umsatz und 913.000 Arbeitsplätzen.
Ausgehend von diesem Szenario wird für Deutschland
bis 2030 ein Umsatz von ca. 47 Mrd. EUR sowie zwischen
120.000 und 150.000 Arbeitsplätze im Bereich der
Wasserstoff- und Brennstoffzellenindustrie erwartet.
Sachsen ist mit der bestehenden Akteursland
schaft und Infrastruktur gut für die Wasser
Akteurslandschaft zu Wasserstoff- stoffwirtschaft aufgestellt
und Brennstoffzellentechnologie in Sachsen Zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft in der Energie
wirtschaft und in der Industrie werden viele Technolo-
gien und Kompetenzen benötigt. Vor Ort bestehendes
mehr als 150 Know-how und eine gut ausgebaute Infrastruktur sind
Unternehmen, Forschungseinrichtungen und wichtige Faktoren zur schnellen Erreichung dieses Ziels.
Netzwerke beschäftigen sich aktiv mit Wasserstoff- Die vorhandene Energieinfrastruktur ist ein Standort-
und Brennstoffzellentechnologien vorteil für Sachsen, der beim Aufbau einer Wasserstoff-
wirtschaft genutzt werden kann, insbesondere die Gas-
netzinfrastruktur.
34 %
von 70 Umfrageteilnehmern erzielen bereits Mittels einer Onlineumfrage, elf Experteninterviews
Umsätze mit Wasserstofftechnologien und einer Sekundärquellenanalyse wird in dieser Studie
die sächsische Akteurslandschaft abgebildet und ana-
lysiert. Bereits über 150 Akteure beschäftigen sich in
91 % Sachsen aktiv mit Wasserstoff- und Brennstoffzellen-
von 33 Umfrageteilnehmern gehen von ersten technologien. Vor allem in sächsischen Forschungsein-
Umsätzen in den nächsten 5 Jahren aus richtungen wird seit vielen Jahren zu Wasserstoff
technologien und Brennstoffzellen geforscht. Ebenso
beschäftigen sich eine Vielzahl an Unternehmen seit
Jahren mit Produkten für die Wasserstoffwirtschaft.
Hervorzuheben ist, dass Sachsen bereits Elektrolyseur-
und Brennstoffzellenhersteller vorweisen kann. 34 %
von 70 Umfrageteilnehmern geben an, bereits Umsätze
mit Wasserstoff- oder Brennstoffzellentechnologien zu
erwirtschaften. 91 % gehen von ersten Umsätzen in den
nächsten 5 Jahren aus.
6
Zusammenfassung
Eine Wasserstoffwirtschaft hat hohe Umsatz-
und Arbeitskräftepotenziale für sächsische
Unternehmen Potenziale für sächsische Unternehmen
In Europa wird bis 2030 ein großer Markt für Wasser- umfassen bis 2030
stoff- und Brennstoffzellentechnologien prognostiziert.
Davon können Industrie- und Exportländer, wie der Frei-
staat Sachsen, besonders profitieren. In dieser Studie ca. 4.800 Arbeitsplätze
wird der bis 2030 prognostizierte Markt für europäische
Unternehmen auf den Freistaat Sachsen abgebildet.
Dies erfolgt anhand der durchschnittlichen Umsatz ca. 1,7 Milliarden € Umsatz
anteile der bestehenden Wirtschaftszweige in Deutsch-
land und im Freistaat Sachsen, welche für eine Wasser-
stoffwirtschaft relevant sind. 91 %
der Umsatz- und Arbeitskräftepotenziale liegen
Wird das A-Szenario des Fuel Cell and Hydrogen Joint in der Produktwertschöpfung
Undertaking zugrunde gelegt, können bis 2030 für säch-
sische Unternehmen durch die Wasserstoffwirtschaft
ca. 1,7 Mrd. EUR Umsatz und ca. 4.800 Arbeitsplätze
vorhergesagt werden. Der Großteil der Umsatz- und
Arbeitskräftepotenziale für Sachsen liegt mit 91 % bei
Zulieferern und Herstellern von Systemen und Anlagen
für die Wasserstoffwirtschaft.
Handlungsempfehlungen des HZwo e. V. Technologie- und Kompetenz-
für Stakeholder 1 Leuch�urmprojekte schaffen 2 zentrum au�auen
Zum Ausschöpfen der hohen Potenziale beim Aufbau
der Wasserstoffwirtschaft für Sachsen sind zielgerich-
Spezifische Tank- Förderung von Forschung,
tete Maßnahmen der Stakeholder notwendig. Mit Blick 3 infrastruktur au�auen 4 Entwicklung und Anwendung
auf die dynamische Marktentwicklung in den vergan-
genen Jahren sieht der HZwo e. V. die nächsten 2 bis 5
Jahre für entscheidend für die Wettbewerbsposition
5 We�bewerbsposi�on bei Schlüsseltechnologien ausbauen und halten
des Freistaat Sachsen und sächsischer Unternehmen
im entstehenden europäischen und weltweiten Markt
für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien an.
Ansiedelung fehlender Aus- und Weiterbildungs-
6 technologischer Kompetenzen 7 angebote schaffen
Anhand der Studie werden vom HZwo e. V. vierzehn
Handlungsempfehlungen formuliert, die als Entschei-
dungsgrundlage für Stakeholder in Sachsen dienen sol-
8 Umbau der Energiewirtscha� 9 Erneuerbare Energien fördern
len. Diese basieren auf den in der Studie hergeleiteten
Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken Sachsens
beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft. Technologieoffenheit Ausbau länderüber-
10 beim Markthochlauf 11 greifender Koopera�onen
Aufgrund der Nutzbarkeit von Wasserstoff (und Brenn-
stoffzellen) in sehr vielen verschiedenen Anwendungs-
feldern handelt es sich um ein sehr vielschichtiges Netzwerk- und Au�lärungsarbeit in Gesellscha�,
12 Transferarbeit stärken 13 Wirtscha� und Poli�k leisten
Thema. Die Untersuchung ist daher breit angelegt; es
wird angestrebt, einen Überblick über das Gesamtsystem
und seine Elemente, deren voraussichtliche Entwick- Spitzentechnologiecluster zu Wassersto�echnologien
lung sowie die Position und Perspektiven sächsischer 14 und Brennstoffzellen erschaffen
Akteure zu vermitteln. Damit einhergehend waren aber
tiefer gehende spezifische Analysen, Prognosen und
Empfehlungen bezüglich einzelner Anwendungsfelder
nicht möglich und müssen zukünftigen Untersuchungen
vorbehalten bleiben. Ihnen dienen unter anderem
Transferworkshops des Hzwo e. V., die auf Basis der vor-
liegenden Studien ergebnisse konzipiert und im Som-
mer 2021 durchgeführt werden.
7
Kapitel- trenner 1 Einleitung
1 | Einleitung
1 Einleitung
1.1 Motivation
Wasserstofftechnologien liegen im Trend der Zeit! Schon die vom Technologiewandel betroffenen sächsischen
bis 2030 werden sich weltweit neue Märkte in diesem Unternehmen können ihre bestehenden Kompetenzen
Technologieumfeld erschließen. Diese Entwicklung gibt für zukunftsfähige Produkte zur Senkung des weltweiten
Unternehmen die Chance, durch einen frühzeitigen Ein- CO2-Ausstoßes einsetzen und gleichzeitig Wertschöp-
stieg von eben diesem Technologiewandel zu profitieren, fung im Freistaat Sachsen halten und ausbauen.
neue Marktpotenziale zu erschließen und mit eigenen
Innovationen Arbeitsplätze nachhaltig zu sichern und Allerdings stellen fehlendes Wissen über die Techno-
aufzubauen. Weltweit ist dies bereits in Asien und Nord- logien und die Systemkomplexität eine hohe Einstiegs-
amerika zu beobachten. barriere für viele Unternehmen dar. Es ist daher zum
einen von großer Bedeutung, den Unternehmen die
Die Wasserstoffwirtschaft ist ein Schlüssel zur sektoren- Potenziale der Wasserstoffwirtschaft aufzuzeigen und
übergreifenden Senkung von CO2-Emissionen. In Europa sie so zu motivieren, die nötigen Kompetenzen recht-
entstehen zahlreiche Wasserstoffinitiativen. Deutsch- zeitig aufzubauen. Zum anderen ist ein gezielter und
land hat sich diesem Trend angeschlossen und 2020 nachhaltiger Transferprozess notwendig, um fehlendes
eine nationale Wasserstoffstrategie beschlossen. Die darin Know-how aufzubauen und die Möglichkeiten der Portie
verankerten Maßnahmen zielen zu einem großen Teil auf rung bestehender Kompetenzen in den Unternehmen
die hohen Umsatzpotenziale der Wasserstoff- und Brenn- auf zukünftige Wasserstofftechnologien aufzuzeigen.
stoffzellentechnologien für die deutsche Wirtschaft ab.
Sachsen kann vom Megatrend Wasserstoff profitieren,
Sächsische Forschungseinrichtungen konnten bereits wenn Politik und Wirtschaft die Potenziale rechtzeitig
ein sehr hohes Expertenwissen zu Wasserstoff und erkennen und mit gezielten Maßnahmen handeln. Diese
Brennstoffzellen aufbauen und arbeiten mit sächsischen Potenzialstudie zu Wasserstoff und Brennstoffzellen in
und überregionalen Unternehmen an der Entwicklung Sachsen mit einer Akteurs- und Marktanalyse soll einen
innovativer Produkte und Technologien für die Wasser- Beitrag hierzu leisten, indem technisches Wissen zu
stoffwirtschaft. Mit dem erwarteten Markthochlauf und Wasserstofftechnologien vermittelt, der Ist-Stand der
der Industrialisierung der Technologien breitet sich ein sächsischen Industrielandschaft sowie die wirtschaft-
weites Innovationsfeld, insbesondere für Zuliefer-, lichen Potenziale ermittelt und abschließend hierauf
Maschinen- und Anlagenbauunternehmen, aus. Auch aufbauende Handlungsempfehlungen gegeben werden.
1.2 Zielsetzung der Studie
Bereits bis 2030 wird weltweit ein großer Markt für ver- in der Automobilindustrie und durch den Braunkohle-
schiedene Wasserstoff- und Brennstoffzellentechno ausstieg besteht in weiten Teilen der Wirtschaft und
logien erwartet. Die vorliegende Studie soll die Wert- der Infrastruktur dringender Bedarf an neuen Märkten
schöpfungspotenziale für sächsische Unternehmen und Geschäftsmodellen. Die Rolle einer Wasserstoff-
aufzeigen. Dabei stehen die bis 2030 erzielbaren Um- wirtschaft im Zuge des Energie- und Strukturwandels
sätze und damit verbundenen Arbeitsplatzeffekte für ist vielen bestehenden Akteuren bereits zumindest teil-
Sachsen im Zentrum der Betrachtung. weise bewusst. Allerdings können zum einen noch viele
weitere Akteure davon profitieren, zum anderen wird
Viele Unternehmen, Forschungseinrichtungen, Netz- die Rolle der Wasserstoffwirtschaft sehr unterschied-
werke und Wirtschaftsförderungen in Sachsen beschäf- lich gesehen bzw. wahrgenommen. Zu diesem Zweck
tigen sich bereits mit Wasserstoff- und Brennstoffzellen soll die Studie insbesondere die Branchen aufzeigen,
technologien. Die Studie soll diese bestehende welche für den Industriestandort Sachsen die größten
Akteurslandschaft in Sachsen erfassen und hinsichtlich wirtschaftlichen und technologischen Potenziale bieten.
besonderer Stärken sowie Schwächen analysieren. In Verbindung damit werden die Stärken und Schwä-
chen sowie Chancen und Risiken der sächsischen Wirt-
Die produzierende Wirtschaft in Sachsen ist multidiszi schaft identifiziert. Diese stellen eine Basis für die
plinär aufgestellt und die bestehende Energieinfra Ableitung gezielter Handlungsempfehlungen durch den
struktur sehr leistungsfähig. Durch den Strukturwandel HZwo e. V. dar.
91 | Einleitung
1.3 Struktur und Methodik
In Kapitel 2 wird zunächst die Wertschöpfung der Wasser Umsetzung der Klimaziele und einmal von der bishe
stoff- und Brennstoffzellenwirtschaft vorgestellt. Dabei rigen Marktentwicklung ausgehen.
wird unterschieden in die energetische Wasserstoff-
wertschöpfung und die Produktwertschöpfung. Die In Kapitel 4 werden schließlich die Marktpotenziale für
energetische Wertschöpfung umfasst die Herstellung, den Freistaat Sachsen untersucht. Dafür wird zunächst
den Transport und die Speicherung von Wasserstoff die bestehende Akteurslandschaft mittels einer Sekundär
sowie dessen Nutzung in Endanwendungen. Die Pro quellenanalyse auf Basis von Branchenkatalogen und
duktwertschöpfung ergibt sich aus den hierfür notwen- Netzwerkinformationen erfasst1. Dies umfasst Akteure
digen Sachgütern und Dienstleistungen. Die Herstellung, entlang der gesamten Wertschöpfungskette und über
Zulieferung und Integration von Komponenten, Aggre alle Anwendungsbereiche hinweg. Ferner wird bezogen
gaten und Systemen der Wasserstoff- und Brennstoff- auf Sachsen eine Abschätzung der Marktpotenziale vor-
zellentechnologien sowie Dienstleistungen stellen ein genommen, die sowohl prognostizierte Umsätze als
großes Marktpotenzial für sächsische Unternehmen auch Bruttoarbeitsplätze berücksichtigt. Die Aussagen
dar. Anhand von Beispielen aus den Bereichen Wasser- zu Akteuren und Potenzialen werden anschließend mit
stofferzeugung, -speicherung sowie -nutzung wird die Ergebnissen aus Primärerhebungen in Form einer Online-
Produktwertschöpfung für ausgewählte technische Umfrage und Experteninterviews zusammengeführt.
Systeme beschrieben. Über eine Verknüpfung der Akteure mit den Segmen-
ten der Wertschöpfungskette und den Informationen
In Kapitel 3 wird die zukünftige Marktentwicklung der aus den Primärerhebungen lässt sich schließlich fest-
Wasserstoffwirtschaft prognostiziert. Dazu werden je- stellen, an welchen Stellen die sich entwickelnde sächsi
weils die Nachfrage nach Wasserstoff, die prognosti- schen Wasserstoffwirtschaft heute Stärken oder Schwä-
zierten erreichbaren Umsätze sowie die entstehenden chen aufweist. Zudem werden potenzielle Chancen und
Bruttoarbeitsplätze auf globaler, europäischer und natio Risiken – wiederum basierend auf den Primär- und
naler Ebene betrachtet. Dabei erfolgt auf europäischer Sekundäranalysen – herausgearbeitet. Aufbauend auf
und nationaler Ebene eine Differenzierung der zukünf- diesem Ergebnis wird eine Einschätzung zu den Poten-
tigen Marktentwicklung in zwei Szenarien. Bei dem zialen der Wasserstofftechnologien in Sachsen gegeben.
„Business-as-usual“-Szenario wird von einer moderaten
Entwicklung der Wasserstoffindustrie ausgegangen, Mithilfe einer TOWS-Analyse wird schließlich heraus-
wohingegen beim „Ambitious“-Szenario eine beschleu- gearbeitet, wie die Stärken der sächsischen Wasser-
nigte Marktentwicklung sowie hohe Investitionen erwar stoffwirtschaft genutzt und Schwächen abgebaut, Chan-
tet werden. Die Prognosen auf globaler Ebene basieren cen ergriffen sowie Risiken vermieden werden können.
auf dem Bericht des „Hydrogen Council" [1]. Für die Darauf aufbauend formuliert der HZwo e. V. Handlungs-
Darstellung der erwarteten Werte für Europa wird die empfehlungen, mit denen der Aufbau der Wasserstoff-
Studie des FCH JU [2] genutzt. Für die Prognosen der und Brennstoffzellenwirtschaft in Sachsen gezielt ge-
deutschen Marktentwicklung werden zwei Szenarien fördert werden kann.
zugrunde gelegt, die einmal von der ambitionierten
1 Bei der Interpretation der Ergebnisse ist zu berücksichtigen, dass die als Quellen genutzten Studien aus dem Wasserstoffumfeld stammen.
101 | Einleitung
112
Die im Kapitel 2 aufgeführten
Inhalte bilden den grund-
legenden Stand der Technik
ab, welcher auch in an-
erkannter Fachliteratur,
bspw. nach [3-9],
aufgeführt wird.
Kapitel-
trenner
Wasserstoff
technologien
und ihre
Wertschöpfung2 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
2 Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
Die Transformation der Industrie in eine nachhaltige siger Form bspw. mittels LKW im Kostenvorteil. Dabei
Wertschöpfung wird maßgeblich durch Wasserstoff- wird der Wasserstoff bei unter -253 °C mit einer Kapa
technologien mitbestimmt. Die im Pariser Abkommen zität von bis zu 1.100 kg nahezu drucklos gespeichert.
hinterlegten globalen Ziele zur Senkung der Treibhaus-
gasemissionen können sowohl durch den Ausbau er- Speicherung und Transport durch Trägerstoffe:
neuerbarer Energien als auch durch die Anwendung CO2- Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) können meh-
freier Energielösungen in nahezu allen Sektoren (Verkehr, rere einhundert Liter Wasserstoff unter Normaldruck
Industrie, Energie, Wärme) erreicht werden. Wasser- und -temperatur aufnehmen und lassen sich wie her-
stoff als kohlenstofffreier, chemischer Energieträger hat kömmliche Kraftstoffe leicht transportieren.
dabei das Potenzial, einen entscheidenden Beitrag zu
einer nachhaltigen und klimafreundlichen Zukunft zu Die gasförmige Druckspeicherung ist die häufigste Speicher
leisten. Neben den klimapolitischen Aspekten stehen art, so wird sie oft auch an Tankstellen oder als Wasser-
vor allem die Ergründung neuer Wertschöpfungspoten- stoffspeicher in Fahrzeugen eingesetzt. Neuere Fest-
ziale und die Sicherung bisheriger sowie die Erschaffung körperspeicher, in denen Wasserstoff in physikalischen
zukünftiger Arbeitsplätze im Hauptfokus vieler Industrie oder chemischen Verbindungen eingelagert/absorbiert
branchen. Wichtige Aspekte der Wertschöpfungskette gespeichert wird, zeigen großes Potenzial bezüglich der
sind dabei die Bereiche Erzeugung, Transport, Speicherung Sicherheit und Speicherdichte, haben aber noch Nachteile
und Anwendung von Wasserstoff. im verfahrenstechnischen Aufwand und der Dynamik.
Wasserstoffvorkommen und -gewinnung Wasserstoffproduktion
Wasserstoff ist häufig in Kohlenwasserstoffen gebunden, Die Gewinnungsmöglichkeiten von Wasserstoff sind
so z. B. in fossilen Energieträgern oder Biomasse. Die vielfältig und werden heutzutage meist nach den ver
Abtrennung des Wasserstoffs kann auf verschiedene schiedenen Herstellungstechniken und den damit ver-
Arten erfolgen, oft wird das Verfahren der Dampfrefor- bundenen direkten und indirekten CO2-Emissionen
mierung eingesetzt, seltener die unmittelbare Zerlegung unterschieden. Je nach Grad der Emission haben sich
in Kohlenstoff und Wasserstoff durch Pyrolyse. Über gegenwärtig verschiedene Farbkennzeichnungen für
Elektrolyse kann Wasserstoff auch aus Wasser gewonnen Wasserstoff etabliert, nachfolgend eine Übersicht.
werden, seltener kommen photobiologische oder photo
katalytische Verfahren zur Anwendung. In jedem Fall
benötigt die Herstellung bzw. Abtrennung reinen Wasser
stoffs den Einsatz von Primärenergie. „Farbenlehre“ der Wasserstoffproduktion
Wasserstoffversorgung Grau Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen.
Wesentliche Bestandteile der Wertschöpfungsketten Ein übliches Verfahren ist hierbei die Dampfreformierung. Auch
von Wasserstofftechnologien betreffen die Versorgung die Elektrolyse auf Basis des aktuellen Strommixes wird aufgrund
mit Wasserstoff, speziell die sichere Speicherung und der hohen CO2-Emissionen als grau eingestuft.
der effektive Transport des Wasserstoffs. Nur so kann der Blau Blauer Wasserstoff ist dem grauen Wasserstoff in der Produktion
Wasserstoff durch die gekoppelten Technologiebereiche gleichzusetzen. Das freigewordene CO2 wird jedoch gespeichert
dem Endverbraucher auf effiziente Weise zur Verfügung (Carbon Capture and Storage) oder industriell weiterverwendet.
gestellt werden. Untersuchungen zum Wasserstoffdurch Türkis Türkiser Wasserstoff wird über die thermische Spaltung von
satz in Abhängigkeit der entstehenden Kosten und der Methan (Methanpyrolyse) hergestellt. Anstelle von CO2 entsteht
Transportdistanz sind hierbei von zentraler Bedeutung: dabei fester Kohlenstoff.
Grün Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt,
Der Transport von Wasserstoff durch das Gasnetz wobei für den Elektrolyseprozess selbst ausschließlich Strom aus
für hohe Durchsätze und kleine Distanzen: erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt.
Hierfür ist der Transport von Wasserstoff in bestehen- Pink Pinker Wasserstoff wird ebenfalls durch Elektrolyse, jedoch auf
den Pipelines hinsichtlich entstehender Kosten vor- Basis von Strom aus Nuklearenergie hergestellt.
teilhaft. Derzeit wird erforscht, inwiefern Wasserstoff
in Abhängigkeit vom technischen Aufwand dem Erd- Tabelle 1: Farbenlehre der Wasserstoffproduktion
gas beigemischt werden kann, um das enorme Poten-
zial des in Deutschland vorhandenen Gasnetzes mit
einer Länge von 500.000 km auszuschöpfen. Die Produktionskosten von Wasserstoff divergieren je nach
Typ sehr stark. Im Jahr 2019 hatte grüner Wasserstoff
Speicherung und Transport von flüssigem Wasserstoff: (16,5 ct/kWh H2) den vierfachen Preis gegenüber grauem
Bei niedrigen Durchsätzen und großen Distanzen von Wasserstoff (4,5 ct/kWh H2). Viele Prognosen gehen
über 200 km ist der Transport von Wasserstoff in flüs- aber von einer Angleichung des Preises bis 2050 aus.
132 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
2.1 Die energetischen
Wasserstoffwertschöpfungsketten
Die entlang der energetischen Wasserstoffwertschöpfungsketten her
gestellten technischen Produkte bestehen meist aus einer Vielzahl von Wasserstofferzeugung
Einzelbauteilen. Deshalb können Unternehmen, die in die jeweiligen Herstell
prozesse eingebunden sind, gleichzeitig Teil mehrerer dieser Ketten sein.
Einzelne produzierte Komponenten werden oft zu Baugruppen zusammen-
gefügt. Diese übernehmen dann eine Teilfunktion innerhalb eines Bereiches
einer Wasserstoffwertschöpfungskette. Erst die Integration dieser Bau-
gruppen als technische Anlagen, Teilsysteme und Maschinen in ein Gesamt
system bildet den Abschluss einer möglicherweise sektorenübergreifenden
Produktwertschöpfung. Am Beispiel einer Brennstoffzelle gibt es je nach
Anwendungsgebiet (z. B. mobil oder stationär) unterschiedliche Aggregate-
und Bauteilfunktionen, welche im Gesamtsystem eine Rolle spielen. Die Erneuerbare
daraus folgende Schnittmenge aus Möglichkeiten zur Systemintegration
mit einer jeweils unterschiedlichen Dimensionierung und Anzahl an not-
wendigen Komponenten für die unterschiedlichen Technologien verbindet
die verschiedenen Wirtschaftssektoren miteinander. Wasserstoff als Medium
für Energiespeicher und Energiewandler erlaubt dabei die Vernetzung und Nuklear
gesamthafte Optimierung der Sektoren Elektrizität-, Wärme- und Gasver-
sorgung, Verkehr sowie Industrie. Diese Sektorenkopplung ermöglicht es,
Energie aus erneuerbaren Quellen auch zur Dekarbonisierung der anderen
Sektoren zu nutzen.
Fossil
Pyrolyse
Wissen Wasserstoff
Carbon Capture,
Geschichte Utilization & Storage
• 1766: Henry Cavendish gilt als Entdecker des Wasserstoffs
• 1785: Antoine Lavoisier stellte Wasserstoff aus Wasser mittels Thermo- Reformierung
lyse her und verlieh dem Gas seinen Namen infolge dieses Experimentes
Allgemeine Eigenschaften
• Einfachstes und häufigstes chemisches Element im Universum
• Sehr reaktiv In Abbildung 1 wird ein Auszug aus der energetischen
• Kann Verbindungen mit allen Elementen, außer Edelgasen, eingehen Wasserstoffwertschöpfung gezeigt. Hierbei erfolgt eine
• In Reinform nicht entzündbar grundlegende Einteilung in die Bereiche Erzeugung,
• Farbloses, leichtes und ungiftiges Gas Transport und Speicherung sowie Endverwendung.
• Geschmacks- und geruchsneutral Zudem gibt es technologiefeld-übergreifende Wirt-
• Verschiedene Isotope möglich: schaftszweige, bspw. in den Bereichen Engineering und
- Protium: Kern besteht nur aus einem Proton Zertifizierung. Die farblich hervorgehoben Pfade basieren
- Deuterium (schwerer Wasserstoff): Ein Neutron, ein Proton im Kern auf „grünem“ Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequel
- Tritium: (superschwerer Wasserstoff): Zwei Neutronen, ein Proton len. Ergänzend werden weitere Wasserstofferzeugungs
im Kern technologien und -wertschöpfungsketten dargestellt.
Chemische und physikalische Eigenschaften Einheit Wert Die Artverwandtschaft einiger eingesetzter Materialien
Dichte gasförmig kg/m3 0,0888 und notwendiger technischer Produktionsschritte im
Dichte flüssig kg/m3 70,79 Vergleich zu konventionellen Produkten der Energie-
Heizwert kWh/kg 33,286 technik eröffnet das Potenzial, die Herstellprozesse teil-
MJ/kg 119,83 weise oder vollständig mit wenig Aufwand an die
Schmelzpunkt °C -259,347 Komponenten der Wasserstoffwertschöpfungsketten
Siedepunkt °C -252,879 anzupassen. Es bilden sich so neue Zuliefererstrukturen
Molare Masse (H2) kg/kmol 2,0159 und Netzwerke von Unternehmen heraus. Durch weiter
fortschreitende Forschung und Entwicklung sowie zu-
Tabelle 2: Wissen Wasserstoff nehmenden Einsatz von Serienproduktionsprozessen
142 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
Ergänzende und unterstützende Dienstleistungen der Wasserstoffwirtschaft
Engineering, Beratung, Instandhaltung
Wasserstofftransport und speicherung
Endverwendung von Wasserstoff
Stoffliche Verwendung
Wasserstoffspeicherung
in Industrieprozessen
Energetische Nutzung,
bspw. durch Brennstoffzellen
Industrielle Energieversorgung
Elektrizität Elektrolyse
Wasserstofftransport
Häusliche Wärme-
und Stromversorgung
Notstromversorgung
(USV/NEA)
Herstellung synthetischer
Brenn- und Kraftstoffe (H2-to-X) Rückverstromung
Mobilität
ins Elektrizitätsnetz
Methanisierung, Transport
Methanolsynthese etc. und Speicherung Energetische Nutzung durch Wärmekraftmaschine
Abbildung 1: Überblick zur energetischen Wasserstoffwertschöpfung
können zudem die Kosten für Brennstoffzellensysteme der Energiebereitstellungsarten, sicher abdecken. Auch
und Komponenten für Wasserstoffanwendungen in den Überhangenergie aus Erneuerbaren kann in Form von
nächsten Jahren signifikant reduziert werden. Durch Wasserstoff gespeichert statt verworfen werden. In
diese absehbare Preissenkung rückt die Markteinfüh- Deutschland wird angenommen, dass hierfür vor allem
rung dieser Technologien deutlich näher. Untergrundspeicher in Salzkavernen in Frage kommen.
[9]
Ein wesentlicher Bestandteil einer zukünftigen Infra-
struktur werden großskalige Wasserstoffspeicher sein,
da die Speicherung von Energie in rein elektrischer Form
in großem Umfang kaum wirtschaftlich darstellbar Die Endverwendung von Wasserstoff muss nicht immer im Rahmen von
scheint. Wasserstoff als Sekundärenergieträger, insbe- Brennstoffzellenanwendungen erfolgen. Auch Technologien auf Basis von
sondere erzeugt aus regenerativen Energien, kann über Wasserstoff-Verbrennungskraftmaschinen sind möglich.
große Wasserstoffspeicher saisonale Nachfragespitzen,
gegeben durch Umwelteinflüsse und Diversifizierung
152 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
2.2 Die Produktwertschöpfung
Produktion/Herstellung von Wasserstofftechnik
von der Komponeten- bis zur Systemebene
Elektrolyseur
anlagen
Gesamtsysteme und System
integration sowie Produktions Wasserstoff
transport
und Montageanlagen
Mobilität
Teilsysteme
und Aggregate
sowie Produktions
und Montage
anlagen zur
Fertigung
Elektrolyse Hauptventilblock
und/oder BZStack eines Drucktanks
Produktionstechnologien
sowie Komponenten
und Halbzeuge Bsp. Dichtungstechnik
Die Produktwertschöpfung kann, wie in Abbildung 2 Die einzelnen Bereiche der Kette können zunächst auf
dargestellt, mittels eines top-down-Ansatzes betrachtet eine Systemebene aufgeschlüsselt werden, auf der sich
werden, d. h. von der übergeordneten, abstrahierten partiell auch Montageanlagen und Geräte wiederfinden,
Ebene der Wasserstofftechnologien (Erzeugung bis zur die nicht ausschließlich für Wasserstoffanwendungen
Anwendung) hinunter zu den Komponenten, Materia- entwickelt wurden. Damit bietet sich ein erhebliches
lien und Verfahren, die wiederum in der gesamten Wert- Potenzial, Entwicklungsrisiken zu minimieren, indem
schöpfungskette benötigt werden. ein breiteres Anwendungsfeld für die Produktionskette
zur Verfügung steht.
162 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
Produktionstechnologien, sowie Komponenten und Halbzeuge (siehe dritte Ebene der Grafik)
können in mehreren Wasserstofftechnologiebereichen verortet sein. Beispielhaft wird dies
in der nebenstehenden Grafik am Beispiel der Dichtungstechnik dargestellt.
Diese kann in Form von Stack-Dichtungen für Brennstoffzellen oder Elektrolyseure relevant sein.
Zugleich ergeben sich aber auch Potenziale bei Ventilblöcken für Drucktanksysteme.
Ähnlich dem Dichtungsbeispiel finden sich bei sächsischen Unternehmen eine Vielzahl dieser
Technologien und Komponenten aus Ebene 3 wieder. Hieraus kann folglich ein erhebliches
Wertschöpfungspotenzial für die sächsische Industrie geschlussfolgert werden.
Begleitthemen
Begleitt hemen
-- Elektrolyse-
Elektrolyse-und/oder
und/oder -- Druckbehälter
Druckbehälter aufallen
auf allenEbenen:
Ebenen:
Brennstoff
Brennstoffzellen-Stack
zellen-Stack -- Befüll-
Befüll-und
undEntladesysteme
Entladesysteme F&E,
F&E,
Automatisierung,
Automati sierung,
-- Konditi
Konditionierung
onierungund
undÜberwachung
Überwachung -- Hauptventi
Hauptventilblock/Boss-System
lblock/Boss-System
Qualitätssicherung
Qualitätssicherung
zugeführter
zugeführterReakti
Reaktions-
ons-sowie
sowie -- Teilsystem
Teilsystemfür
fürandere
andereTanktechnologien
Tanktechnologien
abgeführter
abgeführterProduktmedien
Produktmedien -- Batt
Batteriesysteme
eriesysteme
-- Prozessüberwachung
Prozessüberwachung -- Teilsysteme
Teilsystemezur
zurSchaff
Schaffung
ungeines
einesmechanischen
mechanischenAufb Aufbaus
aus
und
und-steuerung
-steuerungsowie
sowieSensorik
Sensorik -- Systeme
SystemeundundKomponenten
Komponentenzur zurIntegrati
Integration,
on,Befesti
Befestigung
gung
-- Kühlsysteme
Kühlsystemeund/oder
und/oderWärmetauscher
Wärmetauscher und
undFixierung
Fixierungininder
derAnwendung
Anwendung
-- Medienleitungs-
Medienleitungs-sowie
sowieAnschlusssysteme
Anschlusssysteme -- Elektrische
Elektrischeund
undLeistungselektronische
LeistungselektronischeTeilsysteme
Teilsysteme
•• Komponenten
Komponentenund undHalbzeuge
Halbzeuge •• Technologien
TechnologienAAbis bisZZ
-- Membranenund
Membranen undFolien
Folien -- Additi
AdditiveveFerti
Fertigung
gung
-- Elektrolyt-
Elektrolyt-und
undKatalysatormaterialien
Katalysatormaterialien -- Beschichtungstechnologien
Beschichtungstechnologien
-- Gasdiff
Gasdiffusionslagen
usionslagen -- Dichtungstechnik
Dichtungstechnik
-- Blech-und
Blech- undPlatt
Plattenbauteile
enbauteile -- Federtechnik
Federtechnik||Filtertechnik
Filtertechnik||Fügetechnik
Fügetechnik
-- Metallguss-
Metallguss-sowie
sowieSpritzgussbauteile
Spritzgussbauteile -- Informati
Informations-
ons-undundKommunikati
Kommunikationstechnik
onstechnik--
-- Sensoren,
Sensoren,Aktoren
AktorenundundVenti
Ventilele -- Kunststoff
Kunststoffver-
ver-und
undbearbeitung
bearbeitung
-- Elektronik,
Elektronik,Leistungselektronik,
Leistungselektronik,Leiterplatt
Leiterplatten
en -- Mess-
Mess-und undSensortechnik
Sensortechnik
-- Verrohrung,Schläuche
Verrohrung, SchläucheundundAnschlüsse
Anschlüsse -- Polychemie
Polychemie
-- Sonderkomponenten
Sonderkomponentenund undSpezialteile
Spezialteile -- Schweißtechnologien
Schweißtechnologien
-- Schrauben,Federn
Schrauben, Federnundundsonsti
sonstige
ge -- Texti
Textiltechnik
ltechnik
klassischeMaschinenelemente
klassische Maschinenelemente -- Umformtechnik
Umformtechnik
-- Soft
Software
ware -- Vliestechnologien
Vliestechnologien
-- Zahnrad-
Zahnrad-und undGetriebetechnik
Getriebetechnik
Abbildung 2: Auszug aus der Produktwertschöpfung mit Bezug zu Wasserstofftechnologien
Die Basis bildet die unterste Ebene der Komponenten,
Prozesse und grundlegender Aufgabenstellungen wie
Materialien und Arbeitsprozesse, Qualitätssicherung
und F&E sowie die damit verbundenen Begleitthemen.
Auch die Grundlagen- und anwendungsorientierte For-
schung sind Teil dieser Ebene, wobei diese über den
Transfer von neuen Ideen und Forschungsergebnissen
bis auf die oberste Ebene zu neuen Prozessen und Pro-
dukten sowohl für die Erzeugung als auch für Verteilung
und Anwendung von Wasserstoff Einfluss haben kann.
172 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
2.3 Wasserstoffherstellung am Beispiel der Elektrolyse
Funktionsweise und Arten
Die Elektrolyse ist im Allgemeinen ein chemischer Prozess, Das eingesetzte Elektrolyt und die Arbeitstemperatur
der durch Zufuhr elektrischer Energie eine Stofftrennung definieren die Art der Elektrolyse. Im Stand der Tech-
erzwingt. Das Verfahren ist ein Kernbestandteil der Wert nik wird zwischen drei Arten unterschieden:
schöpfungskette und ermöglicht die Erzeugung von
grünem Wasserstoff. Notwendig dafür sind regenerative I. Die alkalische Elektrolyse ist ein ausgereiftes und seit
Energien mithilfe derer die Wasserstofferzeugung CO2- Ende des 19. Jh. genutztes Verfahren mit hohen Wir-
frei erfolgen kann. Im Prozess selbst wird Wasser in kungsgraden und hohen Lebensdauern.
Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Beide Reak- II. Die PEM-Elektrolyse (englisch für proton exchange
tionsprodukte werden gespeichert und für weitere An- membran) hat sich bisher vor allem in Nischenanwen-
wendungen verwendet. dungen durchgesetzt. Mit Eignung zum Druckbetrieb
und hoher Dynamik bei Lastwechseln eignet sich diese
Der grundlegende Aufbau und das Wirkprinzip sind bei Art besonders für die Kopplung mit Energiewandler-
allen Arten der Wasserelektrolyse gleich. Über zwei technologien.
Elektroden wird ein Gleichstrom in ein leitendes Medium, III. Die Hochtemperaturelektrolyse (mit vergleichsweise
den Elektrolyt, geleitet. Mithilfe eines Katalysators und sehr hohem Wirkungsgrad) eignet sich durch die hohen
der elektrischen Energie wird das Wasser aufgespalten. Arbeitstemperaturen vor allem zur Kopplung mit indus-
triellen Prozessen.
Alkalische Elektrolyse PEM-Elektrolyse Hochtemperatur-Elektrolyse
+ - + - + -
O2 H2
OH- H+ O2-
O2
Membrane
Membrane
H2 O2 H2
Seperator
Cathode
Cathode
Cathode
Anode
Anode
Anode
H2O H2O
KOH KOH
H2O
Abbildung 3: Funktionsprinzip der alkalischen Elektrolyse Abbildung 4: Funktionsprinzip der PEM-Elektrolyse Abbildung 5: Funktionsprinzip der Hochtemperatur-
Elektrolyse
Funktionsprinzip Funktionsprinzip Funktionsprinzip
Beim alkalischen Elektrolyseur dient Bei der PEM-Elektrolyse wird eine Die Festoxid-Elektrolyse ist das bekann-
Kalilauge als Elektrolyt. Ein Diaphragma protonenleitende Membran eingesetzt, teste Hochtemperaturverfahren, bei dem
(gasdichte Membran) trennt beide welche sich als Elektrolyt zwischen gasförmiges Wasser an der Grenzfläche
Elektroden und trennt so die entstehen- porösen Kohlenstoffelektroden befindet. zum Elektrolyt, hier Zirkoniumdioxid,
den Reaktionsgase ab, ist gleichzeitig aber Temperatur 20-100°C reduziert wird. Temperatur 700-1000°C
für OH--Ionen durchlässig.
Temperatur 40-90°C Vorteile Vorteile
• hohe Stromdichten • Wirkungsgrade über 100 % bezogen
Vorteile • hoher Spannungswirkungsgrad auf die thermoneutrale Zellspannung,
• etablierte Technologie • einfacher Systemaufbau da Wärme eingekoppelt werden kann
• keine Edelmetallkatalysatoren • gute Teillastfähigkeit • keine Edelmetallkatalysatoren
• hohe Langzeitstabilität • Fähigkeit zur Aufnahme extremer • Gleichzeitige Reduktion von CO2 und
• relativ niedrige Kosten Überlast (systemgrößenbestimmend) H2O zu Synthesegas möglich
• Module bis 1075 Nm3/h (5 MW) • extrem schnelle Systemantwort für • Geringster Stromverbrauch
• Anlagen im großindustriellen Multi- Netzstabilisierungsaufgaben zur Herstellung von Wasserstoff
Megawatt-Bereich möglich • kompaktes Stackdesign erlaubt • Anlagen im Multi-Megawatt-Bereich
Hochdruckbetrieb • Nutzung von Abwärme aus industriellen
Nachteile Prozessen als weitere Energiequelle
• geringe Stromdichten Nachteile
• geringer Teillastbereich • korrosive Umgebung Nachteile
• Systemgröße und Komplexität („Footprint“) • hohe Investitionskosten durch kosten- • Langzeitstabilität (mechanisch)
• Aufwendige Gasreinigung intensive Komponenten (Katalysatoren/ • Wärmemanagement
• Korrosiver flüssiger Elektrolyt Stromkollektoren/Separatorplatten)
• hohe Abhängigkeiten von seltenen Erden
Tabelle 3: Verfahren der Wasserstoffherstellung
mittels Elektrolyse
182 | Wasserstofftechnologien und ihre Wertschöpfung
Aufbau einer Elektrolyseeinheit
In der nachfolgenden Abbildung ist ein Systemlayout Der im unteren Bild dargestellte Elektrolyseur Sunfire-
einer leistungsstarken Hochtemperatur-Elektrolyse- HyLink HL200 auf Basis von Festoxidzellen (SOC) erreicht
einheit (HTE) des sächsischen Unternehmens Sunfire durch Skalierbarkeit eine Wasserstofferzeugerleistung
aufgezeigt. Dieser Elektrolyseur produziert bereits heute von 200 Nm³/h bei einer elektrischen Nennleistung von
in einer industriellen Anwendung durch eine hoch effi- 720 kWAC. Das HTE-System besteht aus acht Modulen
ziente Produktionsmethode Wasserstoff. Voraussichtlich mit jeweils 1080 SOECs bzw. 36 Stapeln. Neben der
bis Ende 2022 werden so etwa 100 Tonnen grüner Elektrolysezellentechnologie sind weitere Module zur
Wasserstoff pro Jahr aus erneuerbarem Strom herge- Kühlung des Elektrolyseurs, Kompression und Trocknung
stellt und in die angrenzende Infrastruktur integriert. von Reaktanden und Prozessmedien sowie Wasserstoff-
Durch die Integration dieser Anlage in die Wertschöp- tanks Bestandteil dieser Anlage.
fungskette kann das Potenzial des Wasserstoffs ausge-
schöpft und die prozessbedingten CO2-Emissionen er-
heblich reduziert werden.
Abbildung 6: Elektrolyseur des sächsischen Unternehmens Sunfire nach dem Verfahren der Hochtemperatur-Elektrolyse mit einer Leistung von 720 kWAC; © Salzgitter AG
Historie zur Elektrolyse
1800 Erste quantitative Wasserelektrolyse durch J. W. Ritter
1832 genauere Untersuchung der Elektrolyse durch M. Faraday und Prägung der Begriffe Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode
1866 Erfindung leistungsfähiger Generatoren u. a. durch W. von Siemens zur effizienten Bereitstellung von Strom
1890 erste Anlage zur Chlor-Alkali-Elektrolyse in Greisheim nach dem Diaphragma-Verfahren
1893 Herstellung von Wasserstoff durch technische Elektrolyse von Wasser für die Luftschifffahrt
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