Der Markthochlauf der Elektrolyse ist ein entscheidender Engpass für die Massenproduktion von grünem Wasserstoff. In einem kürzlich erschienenen Artikel in Nature Energy haben wir mögliche Ausbaupfade der Elektrolysekapazität in der Europäischen Union und global (Odenweller et al., 2022) analysiert. Mithilfe eines Technologiediffusionsmodells zeigen wir, dass der Markthochlauf trotz anfänglich exponentiellen Wachstums Zeit braucht. Selbst wenn die Elektrolyse so schnell wächst wie Photovoltaik und Windenergie – die bisherigen Wachstumschampions – bleibt die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff kurzfristig knapp und langfristig unsicher. Trotzdem ist es wichtig, den Markthochlauf jetzt zu beschleunigen, um die Erreichung der ambitionierten 2030-Ausbauziele sowie die langfristige Verfügbarkeit sicherzustellen.
Als Schlüsseltechnologie für die Produktion von grünem Wasserstoff stellt der Markthochlauf der Elektrolysekapazität einen entscheidenden Engpass dar (IRENA, 2020). Die Dimensionen der benötigten Skalierung sind enorm, da Ende 2021 weltweit nur rund 600 MW Elektrolysekapazität im Betrieb waren. Um die laut IEA für die Klimaneutralität benötigten 3.670 GW in 2050 zu erreichen, muss die Kapazität daher um das 6.000-Fache anwachsen (IEA, 2022b), was den gleichzeitig benötigten zehnfachen Ausbau der Kapazität erneuerbarer Energien klar in den Schatten stellt.
Der Ausbau der Elektrolyse repräsentiert darüber hinaus auch die koordinative Herausforderung, nicht nur das Wasserstoffangebot, sondern auch die Wasserstoffnachfrage und -infrastruktur gleichzeitig hochzufahren – das sprichwörtliche „dreiseitige Henne-Ei-Problem“ des H2-Markthochlaufs (Schulte et al., 2021).
Im Folgenden fassen wir die Kernergebnisse unseres kürzlich erschienenen Artikels zum Elektrolysemarkthochlauf zusammen (Odenweller et al., 2022). Dabei zeigen wir aktualisierte Daten und Ergebnisse auf Basis der aktuellsten Version der IEA Hydrogen Projects Database vom Oktober 2022 (IEA, 2022a).
Angekündigte Elektrolyseprojekte
In den kommenden Jahren zeichnet sich eine ausgeprägte Dynamik der Projektankündigungen ab (s. Abb. 1). Bei vollständiger Realisierung aller angekündigten Projekte würde die Elektrolysekapazität in der EU 2024 verglichen mit 2021 um einen Faktor 28 ansteigen, global um einen Faktor 23. Dieser positive Ausblick steht jedoch unter dem Vorbehalt, dass für über 80 Prozent dieser Projektankündigungen noch keine endgültige Investitionsentscheidung getroffen wurde. Somit besteht erhebliche Unsicherheit über die kurzfristige Projektrealisierung und daher auch darüber, ob rechtzeitig ausreichend grüner Wasserstoff für die Klimaneutralität zur Verfügung stehen wird.
Im Hauptszenario unseres Artikels stellen wir daher die Frage: „Was wäre, wenn die Elektrolyse so schnell wächst wie die Photovoltaik oder Windenergie in ihrer jeweiligen Boomphase?“ Um unvermeidbare Unsicherheiten abzudecken, benutzen wir ein Modell, mit dem wir die Technologiediffusion von Elektrolyseuren unter Tausenden von verschiedenen Parameterkonstellationen simulieren und anschließend aggregieren (s. Kasten).
Für den Fall, dass die Elektrolysekapazität so schnell wächst wie einst Photovoltaik und Windenergie – die bisher größten Erfolgsgeschichten der Energiewende –, kann das Kernergebnis zusammengefasst werden als: Kurzfristige Knappheit, langfristige Unsicherheit.
Methodik: Technologiediffusionsmodell
Neue Technologien durchdringen Märkte in der Regel in Form einer S-Kurve. Dabei folgt auf ein anfänglich exponentielles Wachstum ein annähernd linearer Anstieg in der Wachstumsphase, bevor sich das Wachstum in der Sättigungsphase abschwächt und dem Maximum annähert. In unserem Artikel erweitern wir dieses Standardmodell der Technologiediffusion um eine stochastische Unsicherheitsanalyse. Als unsichere Parameter betrachten wir (i) die Elektrolysekapazität in der nahen Zukunft, konkret im Jahr 2024, (ii) die anfänglich exponentielle Wachstumsrate und (iii) die Nachfrage nach grünem Wasserstoff, für die wir einen stetigen Anstieg, basierend auf politischen Zielen und Klimaneutralitätsszenarien, annehmen. Aus der gemeinsamen Fortpflanzung dieser unabhängigen Unsicherheiten ergibt sich schließlich das, was wir als „probabilistischen Möglichkeitsraum“ bezeichnen.
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Danke für die realistische Betrachtung des Hype-Themas in der Politik.
Die wesentliche Frage ist auch: wie viel Strom aus EE können sich Stromerzeuger-/Versorger und die Politik zusätzlich leisten, um ihn für die Elektrolyse zu nutzen und nicht mit deutlich besserer Energieeffizienz direkt in die Stromnetze einzuspeisen! Geographische und klimatische Fragen sowie der prognostizierte, stark steigende Strombedarf der Wirtschaft hin zur Klimaneutralität müssen in den einzelnen Länderregierungen deutlich differenzierter betrachtet werden, um wirklich intelligente Maßnahmen zu setzen. Grüner Wasserstoff wird zunächst eine wertvolle (und damit teure) Ressource bleiben, die gezielt eingesetzt werden sollte (stofflicher Einsatz in verschiedenen Industrieanwendungen wie der Stahlerzeugung, in Raffinerieprozessen, in der Grundstoffchemie oder energetisch zur Prozesswärmeerzeugung in verschiedenen Industrieanwendungen wie der Papier- oder Glasindustrie, um CO2-neutral zu produzieren)! Und die Politik muss sich künftig besser unabhängig informieren und beraten lassen, bevor sie für ihren persönlichen Schaulauf weiter im Aktionismus die H2-Welle als Allheilmittel für unsere Klima- und Energieprobleme reitet – statt der Enabler für eine vorausschauende klimaneutrale Zukunft zu sein…