Wasserstoff – eine saubere Alternative?

Bildtitel: Kartografie von Wasserstofftechnologien
Autor: Elliot Farrell, Forresters, Liverpool
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1. August 2023

Wasserstoff – eine saubere Alternative?

Allgemeine Innovationstrends entlang der H2-Wertschöpfungskette

Wasserstoff ist das hĂ€ufigste chemische Element im Universum und birgt seit vielen Jahren das Potenzial, eine bedeutende Rolle bei sauberen Energielösungen einzunehmen. Sein großes Vorkommen und seine sauberen Verbrennungsprodukte wĂŒrden vermuten lassen, dass Wasserstoff der ideale Kandidat ist, um uns von der AbhĂ€ngigkeit von fossilen Brennstoffen zu befreien. Wenn es jedoch darum geht, seine Tauglichkeit als saubere Energiequelle zu bewerten, muss man die gesamte Wertschöpfungskette betrachten. Diese kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden: Produktion, Speicherung sowie Verteilung und Endanwendung. Das EuropĂ€ische Patentamt (EPO) und die Internationale Energieagentur (IEA) haben kĂŒrzlich einen Bericht zur Analyse globaler Innovationstrends entlang H2-Wertschöpfungsketten veröffentlicht. Die bestehenden und neuen Technologien, die den einzelnen Phasen der Wertschöpfungskette entsprechen, sind in der folgenden Abbildung zu sehen, die dem EPO/IEA-Bericht entnommen wurde.

Heute werden rund 95 Prozent des Wasserstoffs aus fossilen Energiequellen ĂŒber Prozesse wie Erdgasreformierung gewonnen. Dieser Prozess erfordert nicht nur weiterhin fossile Brennstoffe als Rohstoff, sondern auch einen hohen Einsatz von Energie, die meist ebenfalls aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.

Produktion

Die Elektrolyse ist eine alternative Methode zur Wasserstoffproduktion, die keine fossilen Brennstoffe als Rohstoff benötigt, zurzeit jedoch nur einen sehr geringen Anteil der weltweiten Produktion ausmacht (ca. 0,04 % im Jahr 2021). Dieser Prozess nutzt ElektrizitĂ€t, um WassermolekĂŒle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Elektrolyse erscheint zwar vielversprechend, jedoch liegt die durchschnittliche Effizienz dieses Prozesses nur bei rund 75 Prozent. Zudem werden fĂŒr mehr als 99 Prozent der gesamten Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse nicht-erneuerbare Energiequellen genutzt.

Die globale Trendanalyse von EPO/IEA zeigt auf, dass im Zeitraum von 2011 bis 2020 der grĂ¶ĂŸte Teil der wasserstoffbezogenen Patente auf Technologien zur Wasserstoffproduktion entfiel. Technologien, die in Bedenken bezĂŒglich des Klimawandels begrĂŒndet sind, generierten 2020 nahezu 90 Prozent der Internationalen Patentfamilien (IPF) im Zusammenhang mit Wasserstoffproduktion. Mit einem starken Fokus auf der Dekarbonisierung der Wasserstoffproduktion gab es eine deutliche Zunahme von Patenten in Bezug auf die Elektrolyse und einen deutlichen RĂŒckgang der Patentanmeldungen fĂŒr die Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen (s. Abb. 2).

IPF-Trends bei Technologien zur Wasserstofferzeugung, 2001 bis 2020

Durch die hohen Erdgaspreise hat sich das Wirtschaftsklima zugunsten des emissionsarmen Wasserstoffs aus Elektrolyse verlagert, der so fĂŒr weitere Investitionen interessant geworden ist. Weitere Innovationen werden auch notwendig sein, um eine emissionsarme Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen. Obwohl zurzeit bereits mehrere Elektrolysetechnologien mit stark unterschiedlicher technischer Reife entwickelt werden, gibt es nach wie vor keinen Konsens ĂŒber eine bevorzugte Lösung.

Speicherung und Verteilung

Reiner Wasserstoff wird zurzeit als Gas in Pipelines und Tube-Trailern oder in flĂŒssiger Form in KryobehĂ€ltern transportiert. Um das Potenzial von Wasserstoff als Brennstoff voll auszuschöpfen, sind effiziente, standardisierte und kostengĂŒnstige Methoden fĂŒr die Speicherung und den Transport zwingend erforderlich.

Bei der Speicherung und beim Transport von Wasserstoff gibt es viele Herausforderungen, zum Beispiel das hohe Gewicht und Volumen der Speichersysteme, Energieverluste in Verbindung mit Kompression und VerflĂŒssigung und die Haltbarkeit von Speichersystemen. Patentanmeldungen im Bereich Wasserstofftransport und -speicherung zeigen einen starken Fokus auf die Infrastruktur zur UnterstĂŒtzung der Wasserstoffaufnahme (s. Abb. 3).

Patenttrends bei Technologien zu Wasserstoffspeicherung, -verteilung und -umwandlung (IPF, 2001 bis 2020)

Anders als im Bereich der Wasserstoffproduktionstechnologien machen UniversitĂ€ten und Forschungseinrichtungen nur einen geringen Anteil der Patentanmeldungen fĂŒr die Speicherung und den Transport von Wasserstoff aus. Dies lĂ€sst vermuten, dass dieser Teil der H2-Wertschöpfungskette hauptsĂ€chlich auf ausgereiften Technologien mit dem Schwerpunkt auf inkrementeller Innovation basiert. Einige neue Technologien, wie die Nutzung von flĂŒssigen organischen WasserstofftrĂ€gern oder synthetischem Methan, bergen jedoch das Potenzial fĂŒr einen kĂŒnftigen breiteren Einsatz.

Neue Anwendungen

WĂ€hrend sich dieser Artikel hauptsĂ€chlich auf Wasserstoff als alternativen Brennstoff konzentriert, wird die Wasserstoffnachfrage vor allem von der chemischen Industrie angetrieben, wobei rund 75 Prozent fĂŒr die Ammoniakproduktion und etwa 25 Prozent fĂŒr die Methanolproduktion bestimmt sind. Innovationen im Wasserstoffsektor, beschleunigt durch den Wunsch nach sauberer Energie, werden wahrscheinlich zu einer höheren Effizienz der bestehenden H2-Wertschöpfungskette fĂŒhren und somit die CO2-Emissionen der gesamten Industrie reduzieren.

Neue Wasserstoffanwendungen und Patentanmeldungen sind stark auf den Transport fokussiert. Dabei gibt es seit 2001 mehr IPF fĂŒr Wasserstoffanwendungen im Automobilbereich als fĂŒr alle anderen neuen Wasserstoffanwendungen zusammen. Brennstoffzellen scheinen die ausgereifteste Technologie fĂŒr wasserstoffbetriebene Transportmittel zu sein, was sich bereits in einer gewissen Marktakzeptanz niederschlĂ€gt. Alternativen wie H2-Verbrennungsmotoren sind nachweislich leistungsfĂ€hig und hinken der Reife der Brennstoffzelltechnologie leicht hinterher.

Wasserstoffbetriebene Lösungen fĂŒr den Straßen- und Schienenverkehr sind weiter entwickelt als jene fĂŒr den Lufttransport. Dabei stellen die Skalierbarkeit und Masse an Wasserstoffspeichern weiterhin Herausforderungen im Luftfahrtsektor dar. Die Patentanmeldungen bei Wasserstoffanwendungen zeigen einen starken Fokus auf den Automobilsektor (s. Abb. 4).

Patenttrends bei Wasserstoff-Endanwendungen (IPF, 2001 bis 2020)

Schwierigkeiten bereiten nach wie vor die Wasserstoffspeicherung im Fahrzeug sowie die Umwandlung der chemisch in Wasserstoff gespeicherten Energie in Antriebskraft. Im Automobil- und Luftfahrtsektor dominieren PatentantrĂ€ge fĂŒr Antriebssysteme. Insbesondere machen H2-Brennstoffzellen einen betrĂ€chtlichen Anteil der Innovationen der letzten zehn Jahre aus. In der Luftfahrt eignen sich Brennstoffzellen voraussichtlich eher fĂŒr KurzstreckenflĂŒge. Bei LangstreckenflĂŒgen werden die höhere Turbinenleistung und Energiedichte von wasserstoffbasierten Kraftstoffen vermutlich eine höhere Leistung als die Kombination aus Brennstoffzelle und Motor bieten.

Wohin fĂŒhrt der Weg?

Die globale Trendanalyse von EPO/IEA zeigt deutlich, dass Wasserstoff weltweit ein Innovationsschwerpunkt bleibt. Um das Potenzial von Wasserstoff als saubere Energiequelle der Zukunft voll auszuschöpfen, sind Innovationen in der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich, die effiziente, kostengĂŒnstige und nachhaltige Verfahren von der Produktion bis zur Endanwendung sicherstellen können.

Wir alle setzen darauf, dass Innovatoren die Technologien liefern, die den Weg fĂŒr Wasserstoff als Energie der Zukunft ebnen. Investitionen in neue Technologien sind fĂŒr den weiteren kommerziellen Erfolg entscheidend. Mehr als 80 Prozent der in der SpĂ€tphase getĂ€tigten Investitionen in H2-Start-ups im Zeitraum 2011 bis 2020 gingen in Unternehmen, die einen Patentantrag in Bereichen wie Elektrolyse, Brennstoffzellen oder emissionsarmen Methoden fĂŒr die Wassererzeugung aus Gas eingereicht haben.

Forresters ist darauf spezialisiert, das geistige Eigentum von Innovatoren, die auf Patente vertrauen, zu schĂŒtzen, ihre Erfindungen auf den Markt zu bringen und ihnen eine klare Richtung zu geben.

Quellenangabe: Hydrogen Article

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