Hydrogenpro hydrogen

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Das Geschäftsmodell

Hydrogenpro ASA (Hydrogenpro) wurde 2013 in Porsgrunn, Norwegen gegründet und stellt alkalische Hochdruck-Elektrolyseure her. In Elektrolyseuren wird Wasser in seine beiden Bestandteile gespalten: Wasser- und Sauerstoff. Der daraus gewonnene Wasserstoff dient anschließend als Energieträger und kann in vielfältiger Weise wieder eingesetzt werden. Mit der Akquisition des dänischen Beschichtungsspezialisten Advanced Surface Plating ApS Anfang 2021 und dem Zugang zu dessen Technologien, konnte Hydrogenpro die Effizienz seiner Elektrolyseure um 14% steigern. Somit erreichen die Elektrolyseure bereits einen Wirkungsgrad von 93% des theoretischen Maximums. Dieser Effizienzvorsprung hebt Hydrogenpro von vergleichbaren Unternehmen ab, da die Energiekosten allein 70 bis 90% der gesamten Kosten der Wasserstofferzeugung ausmachen. Je effizienter die Systeme sind, desto günstiger ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die hocheffiziente Technologie von Hydrogenpro fördert aktiv den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und ist besser auf schwankende Lasten aus der Stromgewinnung von erneuerbaren Energien angepasst.

Position in der Wertschöpfungskette

Hydrogenpro entwickelt und produziert Elektrolyseure, wobei Entwicklung und Produktion geografisch getrennt voneinander ablaufen. Die Produktionsstätte des Unternehmens befindet sich in China. Nach Herstellung der Elektrolyseure werden diese anschließend zur Testanlage nach Norwegen verschifft, wo sie final montiert und geprüft werden. Die speziell beschichteten Elektroden stammen von dem akquirierten Unternehmen Advanced Surface Plating aus Dänemark. Die finalen alkalischen Hochdruck-Elektrolyseure verschifft Hydrogenpro dann zu Kunden in der ganzen Welt. Dort angekommen werden diese zur Produktion von grünem Wasserstoff, z.B. für die Herstellung von alternativen Kraftstoffarten, eingesetzt.

hydrogen value chain

Quelle: UNECE

Rohstoffe & Vorprodukte

In den Elektrolyseuren findet die Elektrolyse von Wasser statt. Mit Hilfe von Strom wird dabei Wasser in seine beiden Elemente Wasser- und Sauerstoff zersetzt. Diese Systeme bestehen aus zwei beschichteten Elektroden, einem Elektrolyt und einer Membran. Hydrogenpro setzt beim Elektrolyt auf eine leitfähige Kalilauge mit 30%iger Konzentration. Beim Prozess der von Hydrogenpro hergestellten alkalischen Hochdruck-Elektrolyseuren kommen außerdem nickelbasierte und rutheniumoxid- oder iridiumoxidbeschichtete Elektroden zum Einsatz. Im Vergleich zu anderen marktüblichen alkalischen Systemen können Hydrogenpros Elektrolyseure auch unter hohem Druck (bis zu 30 Bar) den Wasserstoff komprimieren, was andernfalls im Nachgang anfallende Kompressionskosten spart. Zudem sind sie besonders auf schwankende Stromlasten aus erneuerbaren Energien ausgelegt, was ihnen ebenfalls Effizienzvorteile einbringt. Bei der Herstellung der Elektrolyseure von Hydrogenpro werden überwiegend Stahl und Nickel, sowie Chemikalien zur Beschichtung der Kathoden und Lauge als Elektrolyt verwendet.

Weitere Elektrolysetechnologien sind die Hochtemperatur (HTE) Elektrolyse und die Proton Exchange Membrane (PEM) Elektrolyse. Bei HTE trifft in einem Temperaturbereich von 100°C bis 900°C erzeugter Wasserdampft auf eine Elektrolysezelle, in der die Spaltung erfolgt. Auch hier können Wirkungsgrade von ca. 90% erreicht werden. Die PEM-Elektrolyse setzt dagegen auf kein flüssiges Elektrolyt, sondern einen Festpolymer. Diese Technologie kann zwar unter hohem Druck betrieben werden, erreicht allerdings nur Wirkungsgrade um die 70%.

Produktion

Hydrogenpro produziert seine Elektrolyseure in Tianjin, China. Die dortige Produktionskapazität betrug Mitte 2022 300MW. In Aarhus, Dänemark befindet sich das Werk des Anfang 2021 übernommenen Unternehmens Advanced Surface Plating. Dort werden die beschichteten Elektroden hergestellt. Das Hauptquartier und Testzentrum liegt in Herøya und Porsgrunn, Norwegen. Um geografisch näher an bei den Kunden zu sein, plant Hydrogenpro, neben der bereits bestehenden Montagelinie in Norwegen weitere in Europa und den USA zu schaffen. Hydrogenpro produzierte Mitte 2022 den mit 80 Tonnen Gewicht und 2 Meter Breite weltweit größten Elektrolyseur. Dieser wurde vom Produktionsstandort in China zur Testanlage in Herøya verschifft, um nach Abschluss der vollständigen Montage, Testläufe zur Bestätigung des Wasserstoffoutputs zu durchlaufen. Erwartet wird ein Output in Höhe von ca. 100kg Wasserstoff pro Stunde.

hydrogenpro largest electrolyser in the world

Für 2021 fielen laut eigenen Angaben keine Scope 1 Emissionen an. Die Scope 2 Emissionen des Unternehmens lagen hingegen bei 7,2 Tonnen. Diese niedrigen Werte kommen wenig überraschend, da im Jahr 2021 noch keine kommerziellen Elektrolyseure produziert wurden. Umso spannender wird die Berichterstattung der Scope 1 und 2 Emissionen für das Geschäftsjahr 2022, da in diesem Jahr die kommerzielle Produktion in China offiziell gestartet ist. Hier gilt es vor allem darauf zu achten, inwiefern Hydrogenpro es trotz schmutzigem Strommix in China schafft, klimafreundlich mit erneuerbaren Energiequellen zu produzieren. Die Energieversorgung der norwegischen Niederlassungen ist bereits zu 100% erneuerbar. In Dänemark liegt der Ökostrom-Anteil immerhin bei 66%. Für die Erfassung der Scope 3 Emissionen lagen dem Unternehmen keine ausreichenden Daten vor, weshalb Hydrogenpro diese erst mit dem Nachhaltigkeitsbericht für 2022 veröffentlichen werde.

Betrieb

Wasserstoff kann mit verschiedenen Methoden erzeugt werden und ist immer farblos. Um die verschiedenen Erzeugungsmethoden von Wasserstoff allerdings besser zu unterscheiden, weist man ihm entsprechend seines Ursprungs unterschiedliche Farben zur Klassifizierung zu. Am weitesten verbreitet ist die Herstellung von grauem Wasserstoff mittels der Methode der (Dampf-) Reformierung. Hierbei werden fossile Energieträger wie Kohle oder Erdgas und Alkohole durch chemische Prozesse und unter hohen Temperaturen zu Wasserstoff reformiert, wobei allerdings auch große Mengen CO2 entstehen. Die Erzeugung von grauem Wasserstoff ist im Vergleich recht günstig, aber besonders umweltschädlich. Je Kilogramm Wasserstoff werden ca. 13,3 Kilogramm CO2 (inklusive Transport und Einlagerung) ausgestoßen.

Beim durch Dampfreduzierung erzeugten blauen Wasserstoff wird auf Basis von Erdgas, abhängig von der verwendeten Abscheidungstechnik, zwischen 65 bis 90% des CO2s gespeichert. Der Rest entweicht zwangsläufig, sodass dessen klimaschädliche Wirkung nicht vermieden werden kann. Je Kilogramm Wasserstoff entstehen so zwischen 5 und 7 Kilogramm CO2. Ähnliches gilt für türkisen Wasserstoff, bei dem durch Methanpyrolyse Erdgas aufgespalten wird, sodass fester Kohlenstoff aufgefangen und gespeichert werden kann. Brauner Wasserstoff nutzt Kohle als Energieträger zur Wasserstoffproduktion in Elektrolyseuren, pinker Wasserstoff greift auf nuklearen Strom zurück und weißer Wasserstoff wird durch Fracking geschöpft. Zusammen machen diese Methoden rund 95% der weltweiten Wasserstoffproduktionskapazität aus. Nur etwa 5% stammen aktuell aus der Wasserelektrolyse, die zur Produktion von grünem Wasserstoff eingesetzt wird. Jedoch wird auch hier noch zum Großteil auf konventionelle Stromquellen gesetzt, sodass meistens nicht von grünem Wasserstoff gesprochen werden kann.

hydrogenpro green hydrogen

Der für die nachhaltige Transition der Wirtschaft und Einhaltung der Pariser Klimaziele essenzielle grüne Wasserstoff wird dagegen umweltschonend in Elektrolyseuren mit Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt. Bei der Elektrolyse von grünem Wasserstoff wird neben Wasser- und Sauerstoff nur Wasser und Wärme freigesetzt. Anschließend ergeben sich vielfältige Verwendungsmöglichkeiten für den gewonnenen Wasserstoff. So kann dieser bspw. als Speichermedium von erneuerbarer Energie verwendet werden, wenn mehr Wind- und Solarstrom als benötigt produziert werden. Später kann der Wasserstoff dann wieder zur Produktion von Strom und Wärme eingesetzt werden, um die grüne Energieversorgung in Zeiten schwächerer erneuerbarer Energiegewinnung sicherzustellen. Zudem wird grüner Wasserstoff vor allem auch in der Industrie benötigt, um historisch emissionsreiche Prozesse wie die Stahlproduktion CO2-frei gestalten zu können. Zusätzlich kann der Wasserstoff auch im Transportsektor als Input für alternative Kraftstoffe oder als Kraftstoff in Brennstoffzellen genutzt werden.

Warum Wasserstoff nur dann zum Erreichen von globalen Netto-Null Emissionen beitragen kann, wenn dieser aus erneuerbaren Energien erzeugt wurde, zeigen die verschiedenen Anwendungsgebiete, zu deren Dekarbonisierung grüner Wasserstoff beitragen kann. Raffinerien verwenden aktuell noch überwiegend grauen Wasserstoff. Von der europäischen Produktion von 9 Mio. Tonnen Wasserstoff wird die Hälfte jedes Jahr für Raffinierungsprozesse verbraucht. Der global größte Teil der Wasserstoffverwendung, nämlich 40%, werden für die Ammoniakproduktion verwendet, um anschließend in Düngemitteln eingesetzt zu werden. Darüber hinaus könnte Ammoniak aber eine wichtige Rolle für den Transport von Wasserstoff spielen, da dessen Energiedichte im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff fast doppelt so hoch ist, was die Transportfähigkeit deutlich erleichtert. Weltweit trägt die Stahlproduktion durch das Verbrennen fossiler Energieträger zu 7 bis 9% der Treibhausgas-Emissionen bei. Würde man hier die Prozesse auf Wasserstoff umstellen, ergäbe sich ein riesiger Hebel für Emissionseinsparungen. Wasserstoff könnte auch die Dekarbonisierung der Mobilität weiter voranbringen. Als Beimischung in synthetischen Kraftstoffen kann Wasserstoff den Zeitraum bis zur endgültigen Umstellung auf Brennstoffzellen oder Elektroantrieben überbrücken.

Weltweit stößt die Produktion von Wasserstoff aktuell noch rund 900 Mio. Tonnen CO2e aus, da dieser fast exklusiv aus fossilen Energieträgern erzeugt wird und somit keinen positiven Impact auf die Umwelt und das Klima hat. Doch der Ausbau einer nachhaltigen Infrastruktur geht weiter voran. So waren Ende 2021 gut 390 Wasserstoffprojekte in einer frühen Entwicklungsphase. Sollten davon alle umgesetzt werden, könnte die globale Produktionskapazität von Wasserstoff durch Elektrolyseure bis 2030 auf insgesamt 89GW klettern und somit 8 Mio. Tonnen Wasserstoff jährlich produziert werden. Werden diese dann ausschließlich von Strom aus erneuerbaren Energien betrieben, wäre dies ein erster wichtiger Meilenstein für den weiteren Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur.

Die wirklichen Umweltauswirkungen der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse sind aktuell noch schwierig abzuschätzen, da sog. Life-Cycle-Assessments (Verfahren, die das Treibhauspotenzial entlang ihres Lebenszyklus erheben) für große, industriell genutzte Anlage nicht vorliegen. Die Erhebung von LCAs war bislang nicht möglich, weil die recht junge Technologie der Elektrolyse noch weitestgehend im kleinen Maßstab erprobt wurde. Eine aktuelle Studie über die Umweltauswirkungen von Wasserstoffelektrolyse errechnete daher das Treibhauspotenzial einer fiktiven, groß skalierten Wasserstoffproduktionsanlage, betrieben durch Solarstrom, und verglich deren Werte mit der dominierenden Methandampfreformierung (Steam Methane Reforming; kurz SMR).

Der Großteil der Emissionen entsteht während des Erzeugungsprozesses des Wasserstoffs. Besonders entscheidend bei der Elektrolyse ist dabei die Herkunft des bezogenen Stroms für die Prozesse. Basierend auf dem Strommix Deutschlands von 2017 läge die Treibhausintensität laut Forscher bei knapp 30 kg CO2e je kg Wasserstoff. Das wäre mehr als zweimal so viel, wie bei der Dampfreformierung. Das Potenzial zur Verringerung dieser Emissionen ist allerdings enorm, stammt der Strom aus erneuerbaren Energien. Bestünde das deutsche Stromnetz aus 100% erneuerbaren Energien, so läge der Ausstoß je kg Wasserstoff bei nur noch 3,3 kg CO2e. Das liegt vor allem an dem Beitrag von Windenergie, die die Emissionen stärker als z.B. Solarstrom drücken können. Die Studie selbst konzentriert sich dagegen auf den ausschließlichen Bezug von Solarstrom für die modellierte Wasserstoffproduktion. Durch sog. Power Purchase Agreements, also exklusive Strombezugsrechte von Industrieunternehmen für z.B. nachhaltigen Strom, ermöglichen sie hier die grüne Versorgung der Elektrolyseprozesse.

Gegenstand der Betrachtung ist ein Produktionsszenario mit einem Ausstoß von 100 Tonnen Wasserstoff pro Tag. Zum Vergleich: Hydrogenpros zuletzt konzipierter Elektrolyseur hat eine Kapazität von 2,4 Tonnen pro Tag. Der Stromversorgung der Anlage dient (in einem der Szenarien) eine anliegende Solarfarm, ausgestattet mit 340 Watt Solarmodulen sowie Solartrackersystemen und einer Gesamtkapazität von 940MW. Sowohl die bei der Herstellung und Installation der Solaranlagen angefallen Treibhausgase als auch die Emissionen, die durch die Produktion der Elektrolyseure und des Stromnetzes entstanden sind, sowie jegliche andere Emissionen, die in Verbindung mit dem Szenario stehen, fließen in das LCA ein. Die Wasserstoffproduktionsanlage befindet sich in West Australien, einer äußerst sonnenreichen Gegend. Trotzdem müssen rund 7% (131GWh) des Strombedarfs durch das örtliche Stromnetz zusätzlich bezogen werden. Weitere Faktoren wie die Wasserstoffkompression, die Stromtransmission und der Wasserverbrauch wurden bei den Berechnungen ebenfalls berücksichtigt.

Die Ergebnisse zeigen, dass gemessen an der Treibhausgasintensität das von uns genauer betrachtete Szenario ggü. dem SMR-Verfahren einen deutlichen Vorteil hat. Je kg Wasserstoff fallen durch den Bezug von Solarstrom 4,3 kg CO2e an, wohingegen es bei SMR zwischen 8,9 und 11,9 kg CO2e sind. Setzt man die dadurch vermiedenen Emissionen, mit den durch die Produktion und Installation der einzelnen Komponenten ins Verhältnis, so hat sich das System nach 3,7 Jahren gemessen an der sog. Energy Payback Time bereits amortisiert. In lediglich einer Kennzahl unterliegt die grüne Wasserstoffproduktion, bei dem Energy Return on (Energy) Investment. Dabei wird die vom produzierten Wasserstoff erzeugte Energie in Relation zur aufgewendeten Energie, die die Produktion erst ermöglicht (also Konstruktion, Instandhaltung, Operation etc.) gesetzt. Für aktuelle Verfahren, die vorwiegend fossile Energieträger nutzen, liegt diese zwischen 6 bis 8,5, für den hier betrachteten nachhaltigen Wasserstoff beträgt sie 5. D.h. bei gleichem Input generieren die aktuellen Verfahren mehr Energie. Die Studie zeigt aber auch, dass die Effizienz der Elektrolyseure eine größere Signifikanz besitzen als z.B. die verwendeten Materialien oder benötigte Energie für die Produktion und Installation. Diese Erkenntnis unterstreicht den hohen Stellenwert, der hohen Effizienz der Elektrolyseure von Hydrogenpro.

Recycling

Die bislang installierte Kapazität an Wasserstoffelektrolyseuren ist noch überschaubar. Und bei einer erwarteten Lebensdauer je Elektrolyseur von 20 Jahren vergeht auch noch einiges an Zeit, bis das Recycling relevant wird. Nichtsdestotrotz ist es wichtig, dass Hydrogenpro ebenso wie andere Proudzenten von Elektrolyseuren die Produkte im Sinne der Kreislaufwirtschaft konzipieren.

So verfügen Hydrogenpros Elektrolyseure über einige Komponenten, die recycelt oder zurück in den Wertstoffkreislauf gegeben werden können. Das Unternehmen setzt sich hierfür ein und bemüht sich durch Trainings seine Kunden dazu zu belehren, dass z.B. bei Wartungen oder Überholungen von Elektrolyseuren gewisse Stahlteile wiederverwendet werden können.

Beim Herstellungsprozess entstehende Abfälle gibt Hydrogenpro an beauftragte Recyclingunternehmen. Im Falle der Elektrolyseurproduktion sind das Glas, Stahl, Nickel, Lauge, Gas und Chemikalien. Besonders beim Umgang mit der Lauge legt man großen Wert auf eine sachgerechte Entsorgung, da ein Austritt einen negativen Impact auf die Umwelt hat.

Ergebnis

Wirklich klimaneutral und nachhaltig ist nur grüner Wasserstoff. Hydrogenpro plant, bis Ende 2023 eine Produktionskapazität in Höhe von über 1 GW aufzubauen, wodurch 1,5 Mio. Tonnen CO2-Emissionen jährlich vermieden werden sollen. Dies entspräche in etwa dem durchschnittlichen Verbrauch von 350.000 Autos. Aktuell befindet sich das Unternehmen noch in der Proof-of-Concept Phase, in der es gilt, die Skalierung und Anwendung der Technologie im großem Maßstab zu beweisen. Sofern dies gelingt, wovon wir auch aufgrund der jüngsten Entwicklungen überzeugt sind, hat sich Hydrogenpro als innovativer Elektrolyseproduzent mit führender Technologie optimal im Markt positioniert. Gerade die Effizienz der Systeme bietet dem Unternehmen einen großen Wettbewerbsvorteil. Mit der Bereitstellung und Entwicklung von Elektrolyseuren speziell für die Generierung von grünem Wasserstoff fördert Hydrogenpro den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und unterstützt somit die Energiewende.

Hydrogenpro sustainability

Quellen

https://hydrogen-pro.com/wp-content/uploads/2022/04/HydrogenPro-Integrated-Report-2021.pdf

Adolf J, Balzer C, Louis J, Schabla U, Fischedick M, Arnold K et al. Shell Wasserstoff-Studie: Energie der Zukunft? Nachhaltige Mobilität durch Brennstoffzellen und H2. Hamburg; 2017

https://unece.org/sustainable-energy/cleaner-electricity-systems/hydrogen

https://blogs.worldbank.org/ppps/green-hydrogen-key-investment-energy-transition

Palmer et al. (2021), Life-cycle greenhouse gas emissions and net energy assessment of large-scale hydrogen production via electrolysis and solar PV, Energy Environ. Sci., 2021, 14, 5113

Terlouw et al. (2022), Large-scale hydrogen production via water electrolysis: a techno-economic and environmental assessment, Energy Environ. Sci., 2022, 15, 3583-3602

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