Elektrolyse im großen Maßstab und ihre Rolle bei der globalen Dekarbonisierung

Die Dekarbonisierung der Weltwirtschaft ist eine der wichtigsten Aufgaben des 21. Jahrhunderts. Aber es ist unglaublich komplex – es umfasst ein Mosaik sich ständig weiterentwickelnder Technologien, Interessengruppen, Vorschriften und Investitionen. Das Erreichen des Netto-Nullpunkts bis 2050 erfordert viel mehr als nur individuelle oder unternehmensweite Veränderungen. Außerdem sind umfangreiche Infrastrukturänderungen erforderlich, die nahezu jeden Aspekt des täglichen Lebens beeinflussen. 

Grüner Wasserstoff, der durch groß angelegte Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird, ist für das globale Dekarbonisierungsrätsel von entscheidender Bedeutung. Das steigende Interesse von Unternehmen, öffentlichen Einrichtungen und Investoren an der Entwicklung und dem Einsatz grüner Wasserstofflösungen treibt bedeutende Innovationen im Bereich der sauberen Technologien voran. 

Doch was ist Elektrolyse – und warum ist ihre Anwendung im großen Maßstab so entscheidend für die entstehende Wasserstoffwirtschaft?  

Elektrolyse verstehen

Elektrolyse ist eine effiziente elektrochemische Reaktion, bei der Wasser (H2O) mithilfe von Elektrizität in seine Grundelemente zerlegt wird: Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O). Elektrolyse gilt als völlig „grün“ – das heißt, der Prozess emittiert keine Treibhausgase (THGs) –, wenn der zur Spaltung des Wassers verwendete Strom aus erneuerbaren Quellen wie Solar-, Wasser- oder Windenergie stammt. Der erzeugte Wasserstoff wiederum wird als „grün“ eingestuft, da er bei der Verwendung als Kraftstoff oder Stromquelle keine Treibhausgase ausstößt. 

Andere Methoden der Wasserstoffproduktion, wie die Biomassevergasung, die Erdgasreformierung und die thermochemische Wasserspaltung, sind allesamt bewährte und ausgereifte Methoden, aber sie sind jeweils mit härteren Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit Treibhausgasen verbunden. Da es sich bei der grünen Elektrolyse um einen emissionsfreien Prozess handelt, erfreut sich die Elektrolyse im großen Maßstab als Weg zur Dekarbonisierung rasch wachsender Beliebtheit.

Elektrolyse im großen Maßstab

„Groß“ bezieht sich auf die Höhe der Leistungsaufnahme, die ein Elektrolyseursystem verbrauchen kann. Die Industrie klassifiziert ein 1-Megawatt-System (MW) oft als klein, im Vergleich zu einem Bereich von 20 MW bis 150 MW für ein Großsystem. Dies basiert auf den weltweit in Betrieb befindlichen Systemen das weltweit größte PEM-Elektrolyseursystem derzeit in Betrieb, angetrieben durch Accelera™ von Cummins in Bécancour, Quebec, Kanada. Das 20 MW starke System besteht aus Accelera HyLYZER® PEM-Elektrolyseuren und kann mit sauberer Wasserkraft jährlich über 3,000 Tonnen Wasserstoff produzieren.

Große Elektrolyseverfahren können die Einführung von erschwinglichem, emissionsfreiem Wasserstoff beschleunigen und gelten auch als attraktive Lösung für die Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie. Wenn überschüssige erneuerbare Energie erzeugt wird (z. B. die Sonne scheint, aber der Netzbedarf an Strom geringer ist als das Angebot), kann diese Energie in einen Elektrolyseur eingespeist und als Wasserstoff für längere Zeiträume gespeichert werden. Sobald die Energie benötigt wird, kann der Wasserstoff von einer Brennstoffzelle genutzt werden, in der er eine umgekehrte Elektrolyse durchläuft und in nutzbaren Strom umgewandelt wird.

Accelera entwickelt ein Elektrolyseursystem mit Stacks mit höherer Wasserstoffleistung und 25-MW-Modulen, wodurch es für noch größere Elektrolyseurprojekte (>200 MW) geeignet ist. Diese Technologie wird für größere Projekte von entscheidender Bedeutung sein und in unserem hergestellt werden US-amerikanische Produktionsstätte für Elektrolyseure in Fridley, Minnesota, und in unserer neuen Elektrolyseur-Produktionsanlage in Guadalajara, Kastilien-La Mancha, Spanien.

Die entstehende Wasserstoffwirtschaft

Nach Angaben der US-Organisation WasserstoffratDerzeit laufen weltweit über 1,000 Wasserstoffprojekte. Bis 2030 werden knapp 800 davon ganz oder teilweise im Einsatz sein – was zu einer weltweiten Versorgung von 38 Millionen Tonnen grünem Wasserstoff pro Jahr beitragen wird. Dies ist ein deutlicher Anstieg gegenüber den weniger als 1 Million Tonnen, die im Jahr 2023 produziert wurden. Die Dynamik geht in die richtige Richtung, aber die Zahl der Investitionen und Projekte rund um emissionsfreien Wasserstoff muss deutlich steigen, um den Anforderungen eines Netzes gerecht zu werden Nullwirtschaft. 

Heutzutage wird der größte Teil des weltweiten Wasserstoffs in Industrieprozessen wie der Ölraffinierung, der Ammoniakproduktion, der Methanolproduktion und der Stahlproduktion verwendet. Der größte Teil dieses Wasserstoffs wird mit fossilen Brennstoffen hergestellt, was eine große Chance bietet, die globalen Emissionen durch die Umstellung auf Elektrolyse mit erneuerbarem Strom zu reduzieren. Im Transportsektor werden Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb immer rentabler, da die Infrastruktur geschaffen wird und die Kosten der Technologie weiter sinken. Wasserstoffbasierte Kraftstoffe könnten auch dem Schiffs- und Luftfahrtsektor mehr Auswahlmöglichkeiten bei COXNUMX-armen Alternativen bieten.  

Die Realisierbarkeit von emissionsfreiem Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge und Industrieprozesse hängt immer noch von den Kosten ab. Aus wirtschaftlicher Sicht ist heute niemand bereit, vollständig umzusteigen, da Wasserstoff aufgrund der höheren Kosten für neue Technologien, neue erneuerbare Kapazitäten und die Verteilung immer noch teurer ist als auf andere Weise hergestellter Wasserstoff. Allerdings bieten immer mehr Regierungen zunehmende Anreize und Subventionen an, um die Umstellung auf grünen Wasserstoff bis 2030 leichter möglich zu machen. 

Accelera investiert aktiv in Produktkapazitäten, um eine Wasserstoffproduktion in sehr großem Maßstab mit hoher Modularität und der kleinsten Stellfläche auf dem Markt zu erreichen. Das Konzept besteht darin, eine flexible Wasserstoffproduktion zu ermöglichen, um niedrigere Betriebskosten zu erzielen und die Kosten für Wasserstoff pro kg zu senken, während das Netz dekarbonisiert wird. Mit anderen Worten: Bereitstellung eines Elektrolyseurs mit optimaler Größe, der seine Kapazität an den verfügbaren Lastfaktor für saubere Energie anpassen und seine Effizienz durch die Produktion von mehr Wasserstoff steigern kann.

Den Strukturwandel vorantreiben

Es gibt jedoch einige erhebliche Hindernisse für eine globale Wasserstoffwirtschaft. Abgesehen von den aktuellen Kosten für die Herstellung von sauberem Wasserstoff besteht die vielleicht größte Herausforderung im Umfang der erforderlichen Infrastruktur – dem Aufbau eines Netzwerks, um Wasserstoff von dem Ort, an dem er erzeugt wird, zu seinem Verwendungsort zu transportieren. 

Eine Möglichkeit besteht darin, ein Wasserstoff-Pipeline-Netzwerk zu schaffen. Wenn die bestehende Pipeline umgenutzt werden kann, könnte dies eine der kostengünstigsten Verteilungslösungen sein. Die in den meisten Ländern bestehenden Erdgaspipelines und die damit verbundene Infrastruktur könnten für die Nutzung von Wasserstoff angepasst werden, aber dieser Übergang wäre komplex und erfordert immer noch erhebliche Investitionen und Zeit. 

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Wasserstoff per Lkw von dort, wo er erzeugt wird, dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird. Um den Prozess emissionsfrei zu halten, müssten diese Verteilerfahrzeuge ebenfalls emissionsfreie Fahrzeuge sein und eine eigene Betankungsinfrastruktur für den grenzüberschreitenden Transport von Wasserstoff benötigen, wodurch das Henne-Ei-Szenario fortbestehen würde.

Glücklicherweise sehen wir ein wachsendes Netzwerk öffentlicher und privater Partnerschaften, die nach Lösungen für dieses komplexe Problem suchen. Es bedarf jedoch einer viel stärkeren Zusammenarbeit zwischen Regierungen, die Energie importieren und exportieren, Anbietern von erneuerbarem Strom, Industriegasherstellern, Strom- und Gasversorgern, Automobilherstellern, Öl- und Gaskonzernen, großen Maschinenbauunternehmen und Städten. Investitionen in Wasserstoff haben das Potenzial, weltweit neues technologisches und industrielles Wachstum anzukurbeln und zur Schaffung qualifizierter Arbeitsplätze zu führen.

Warum ist die Elektrolyse im großen Maßstab wichtig?

Die Ausweitung von Elektrolyseprojekten und -kapazitäten ist aus mehreren Gründen wichtig: 

Senkung der Kosten für Wasserstoff 

Emissionsfreier Wasserstoff ist heute teuer und seine Kosten müssen gesenkt werden, um eine breite Akzeptanz zu ermöglichen. Dank Skaleneffekten und technologischen Innovationen sinken mit sinkenden Produktionskosten auch die Kosten für die Kunden, was den Weg für die Einführung in mehr Märkten und Regionen ebnet. Mit zunehmender Verbreitung von Wasserstoff wird auch die Infrastruktur mitziehen. 

Dekarbonisierung ausbauen 

Bezahlbarer Wasserstoff wird die Dekarbonisierung anderer Sektoren ermöglichen, etwa im Mittel- und Langstreckenverkehr sowie bei Industrieprozessen. Dies wird eine breitere Einführung von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb erleichtern und die Emissionen von Sektoren senken, in denen es schwierig ist, sie zu reduzieren, wie etwa der Versorgungswirtschaft, der Stahl-, Ammoniak- und Methanolproduktion sowie der saisonalen Stromspeicherung.

Globale Klimaziele erreichen 

Nach dem Pariser Klimaabkommen im Jahr 2015 haben sich viele Länder und Unternehmen ehrgeizige Klimaziele gesetzt, um den globalen Energiemix umzugestalten und die globale Erwärmung unter 1.5 Grad Celsius zu halten. Die Produktion von emissionsfreiem Wasserstoff spielt bei dieser Transformation eine Schlüsselrolle. 

Im Bestreben, die Produktionskosten zu senken und einen ganzheitlichen Wandel herbeizuführen – von Politik und Regulierung hin zu Investitionen, Forschung und Entwicklung – erhalten weltweit immer mehr Elektrolyseur-Projekte grünes Licht, und Unternehmen suchen nach tragfähigen Lösungen zur Dekarbonisierung. Nach Angaben des Hydrogen Council wurden im Jahr 1,000 weltweit über 2023 Vorschläge für Wasserstoffprojekte angekündigt, von denen 795 den vollständigen oder teilweisen Einsatz bis 2030 planen. Außerdem wurden bis 32 Direktinvestitionen in Höhe von 2030 Milliarden US-Dollar angekündigt. 

Mit Projekten wie Bécancour, dem 35-MW-Elektrolyseurprojekt mit Linde und der 90-MW-Elektrolysesystemprojekt mit Varennes Carbon RecyclingAccelera™ setzt sich dafür ein, den Übergang zu einer emissionsfreien Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen und globale Dekarbonisierungsbemühungen zu unterstützen.