Elektrolyse: Fraunhofer ISI untersucht Technologien, Entwicklung und Märkte

20. Juni 2024 | Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) begleitet zwei Modellregionen für grünen Wasserstoff in Baden-Württemberg und untersucht die eingesetzten Elektrolysetechnologien. Im Fokus stehen dabei die wissenschaftlichen, technischen und ökonomischen Dimensionen. Darüber hinaus hat das Institut auch Studien ausgewertet und Marktanalysen durch geführt. Die gesammelten Erkenntnisse hat das Fraunhofer ISI nun auf einer Webseite zusammengetragen und veröffentlicht.

In den Modellregionen „H2-Wandel” und „H2 Genesis” werden unter anderem Elektrolyseure aufgebaut und in der Praxis erprobt. Im Projekt „H2 Companion” begleitet das Fraunhofer ISI die beiden Modellregionen wissenschaftlich und führt ein Monitoring der Elektrolysetechnologien durch.

Obwohl die Elektrolyse als chemische Reaktion seit mehreren hundert Jahren bekannt ist, wird sie kaum genutzt und befindet sich immer noch in der Entwicklung. Dies liegt an den deutlich geringeren Kosten bei der Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen. 2022 wurden nur etwa 0,1 Prozent des global erzeugten Wasserstoffs – das entspricht weniger als 100.000 Tonnen bei einer Gesamtproduktion von 95 Millionen Tonnen – durch Elektrolyse hergestellt.

Die Analyse ist in drei Kategorien unterteilt:

Die alkalische Elektrolyse (AEL): Die AEL weist die höchste technische Reife auf und ist die industriell gängigste Technologie am Markt. Sie arbeitet bei Temperaturen von 70 bis 90 Grad und zeichnet sich durch geringe Investitionskosten und Robustheit aus.
Die Protonenaustausch-Membran-Elektrolyse (PEM): Die Vorteile der PEM liegen in der schnellen Reaktionsfähigkeit auf veränderte Stromnachfragen (kurze Start- und Stoppzeiten), wodurch sie sich besonders zur Netzstabilisierung und Anwendungen mit variablen Einspeisungen eignet.
Die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC): Bei der SOEC liegen die Temperaturbereiche zwischen 650 und 850 Grad, weshalb hier Wasserdampf zum Einsatz kommt. Die hohen Betriebstemperaturen bringen eine verbesserte kinetische Effizienz mit sich, wodurch der spezifische Energiebedarf sinkt und sich die Umwandlung beschleunigt. Die dabei entstehende Abwärme lässt sich zudem für andere industrielle Prozesse nutzen.

Meiste Patentanmeldungen aus den USA

Darüber hinaus wurde im Projekt „H2 Companion” auch untersucht, wie sich Patentanmeldungen zur Elektrolyse im Zeitverlauf transnational entwickelt haben. Bis zum Jahr 2015 lag das Niveau für alle Technologiebereiche mehr oder weniger konstant im Bereich von jeweils etwa zehn transnationalen Anmeldungen pro Jahr.

Seither ist eine ansteigende Dynamik zu verzeichnen, angeführt von den AEL- und PEM-Technologien. Zuletzt beschleunigte sich dieser Trend und übertrug sich mit Verzögerung auch auf die SOEC-Elektrolyse. 2021 lag die PEM-Elektrolyse mit 93 Patentanmeldungen vorn, gefolgt von der AEL mit 68 und der SOEC mit 37.

Bei einer Aufteilung nach Ländern, aus denen die Patentanmeldungen kommen, führen im internationalen Kontext die USA vor Japan und Deutschland. Alle drei Länder weisen dabei eine große Ähnlichkeit der Verteilung zwischen den Technologien auf: Die höchste Intensität ist aktuell, bei PEM-Patenten auszumachen, gefolgt von AEL- und SOEC-Patenten.

Wachstumsrate von etwa 25 Prozent

Ein weiterer im Projekt erforschter Aspekt dreht sich um die künftige Marktentwicklung. Dazu wurden zahlreiche Marktstudien ausgewertet, die sich mit dem Themenbereich Wasserstoff, seiner Erzeugung und Nutzung befassen oder sich explizit dem Elektrolyseur-Markt widmen. Die Meta-Markt-Analyse prognostiziert auf Basis der ausgewerteten Markstudien eine durchschnittliche Wachstumsrate des zukünftigen Elektrolyseur-Marktes von etwa 25 Prozent (Median-Wert).

Richtet man den Blick auf die in den Marktstudien erwähnten Unternehmen, kommen diese zum großen Teil aus den USA (20 Prozent), Deutschland (14 Prozent), China (13 Prozent), Frankreich (10 Prozent) und Italien (10 Prozent).

Auch den jährlichen globalen Umsatz untersuchte das Fraunhofer ISI. 2023 lag dieser laut Studien zwischen 217 Millionen und 10,8 Milliarden US-Dollar, der Median-Wert über alle Studien hinweg bei etwa 505 Millionen US-Dollar. Für das Jahr 2030 werden jährliche Umsatzzahlen zwischen 651 Millionen und 90,4 Milliarden US-Dollar prognostiziert (Median liegt bei 17,9 Milliarden US-Dollar). Die enorme Spannbreite der Angaben weist sowohl auf methodische Unterschiede zwischen den Anbietern hin als auch auf substanzielle Unsicherheiten im sich gerade erst entwickelndem Markt für Elektrolyseure.

Nachholpotenzial bei H2-Projekten in Ostdeutschland

Dr. Henning Döscher, der die Forschungsarbeiten am Fraunhofer ISI innerhalb von „H2 Companion” koordiniert, weist zudem auf die Schlüsselrolle von Stadtwerken bei der breiten Umsetzung nachhaltiger Energiekonzepte hin. Die Stadtwerke seien die zentralen Akteure, weil sie ihre Infrastruktur, Erfahrung und regionale Präsenz nutzen können, um Wasserstofftechnologien vor Ort zu etablieren. Daher habe das Fraunhofer ISI auch die Rolle deutscher Stadtwerke und regionaler Energieversorger in geplanten und bereits umgesetzten Elektrolyseprojekten untersucht.

Es habe sich gezeigt, dass sich die Vorhaben in ähnlichem Umfang auf den Westen, Süden und Norden Deutschlands verteilen. Nur die ostdeutschen Bundesländer hätten noch Nachholpotenzial, da es dort lediglich zwei Projekte zwischen 2013 und 2026 gäbe.

Im Gespräch mit Stadtwerken (die im Bereich von 20 bis 200 Mitarbeitenden und einem Umsatz zwischen 10 und 100 Millionen Euro jährlich agieren) habe das Institut herausgefunden, dass Elektrolyseprojekte durchschnittlich von der Idee bis zur Inbetriebnahme etwa 3,5 Jahre Zeit benötigen. Döscher gibt an, dass die geplanten Leistungsdaten der Elektrolyseure dabei zum Teil stark voneinander abweichen und zwischen 0,25 und 30 MW variieren.

Die gesammelten Erkenntnisse von „H2 Companion”

(Quelle: Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI/2024)

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