Im Projekt »H2 Companion« begleiten wir die beiden Modellregionen Grüner Wasserstoff in Baden-Württemberg, H2-Wandel (Mittlere Alb – Donau – Ostwürttemberg) und H2 Genesis (Region Stuttgart). Unter anderem werden dort Elektrolysekapazitäten aufgebaut und in der Praxis erprobt. Unser Monitoring verfolgt die Entwicklung von Elektrolysetechnologien in wissenschaftlichen, technischen und ökonomischen Dimensionen.
Obwohl die Elektrolyse als chemische Reaktion seit mehreren hundert Jahren bekannt ist, setzte sich die Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen am Markt durch, u. a. aufgrund der weit niedrigeren Gestehungskosten. So wurden im Jahr 2022 nur etwa 0,1 Prozent der globalen H2-Erzeugung (das entspricht weniger als 100.000 Tonnen bei einer Gesamtproduktion von 95 Mio. Tonnen) durch die Wasserelektrolyse hergestellt [IEA; 2023]. Effektiv speichert der erzeugte Wasserstoff chemische Energie für nachfolgende Nutzung unabhängig vom Einsatzzweck (energetische oder stoffliche Nutzung), Ort (lokal oder entfernt) oder Zeitpunkt (direkt oder verzögert). Somit wird Wasserstoff zu einem flexiblen Energieträger. Vor dem Hintergrund bestehender energetischer Transformationsziele kann die Elektrolyse mit der Produktion von grünem Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zur Sektorenkopplung leisten.
Bei der Elektrolyse werden die chemischen Bindungen der Wassermoleküle unter Einsatz elektrischer Energie aufgebrochen, sodass die Edukte Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Technisch kann dabei in zahlreiche Formen der Elektrolyse unterschieden werden, welche sich in Prozessführung, Betriebsparametern und eingesetzten Materialien unterscheiden. Im Rahmen unserer Analysen bündeln wir diese nach Reaktionsweg der Ladungsträger in drei Kategorien, die teils diverse Technologien und Prozessvarianten zusammenfassen. [Metz, S. et al.; 2022]
Die alkalische Elektrolyse (AEL) stellt mit einer ausgeprägten technischen Reife die industriell etablierteste Technologie am Markt dar. Sie arbeitet mit einem flüssigen und basischen Elektrolyten (meist Kalilauge) bei Temperaturen von 70 bis 90 Grad Celsius. Die nickelbasierten Elektroden werden unter angelegter Spannung in die wässrige Lösung eingetaucht und mit einem Diaphragma voneinander getrennt (Abbildung 1). Das kathodenseitig zugeführte Wasser wird unter Elektronenaufnahme zu Wasserstoff reduziert. Außerdem entstehen negativ geladene Hydroxidionen (OH–), welche sich durch den Elektrolyten auf die Anodenseite bewegen. Durch die Ionendurchlässigkeit des Diaphragmas kann dabei ein Ladungsaustausch entstehen. An der Anode entsteht dann unter Elektronenabgabe reiner Sauerstoff.
Die AEL zeichnet sich besonders durch die geringen spezifischen Investitionskosten und einer Robustheit gegenüber anderen Technologien aus. Außerdem ist der Einsatz kritischer Rohstoffe bei den Teilkomponenten weitestgehend beschränkt. Dennoch sind korrosionsbeständige Materialien unabdingbar, welche der alkalischen Umgebung trotzen.
Bei der Protonenaustausch-Membran Elektrolyse werden, wie der der Name vermuten lässt, Protonen (H+) bei der Wasserspaltung durch eine Membran befördert. Diese Feststoff-Membran besteht zumeist aus polymerbasierten, sulfonierten Materialien (z. B. Perfluorsulfonsäure, PSFA). In der Literatur wird deshalb häufig auch der Begriff Polymerelektrolyt-Membran Elektrolyse (PEM) als Synonym verwendet*. Neben der Membran zählen die Elektroden zum zentralen Bestandteil der Zelle und werden als Membran-Elektroden-Einheit zusammengefasst (MEA). Der Elektrolyt, meistens Phosphorsäure ist in gelöster Form in die Elektrodenstrukturen der Anode und Kathode gesättigt. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird bei der PEM-Elektrolyse zusätzlich auf Katalysatoren zurückgegriffen, welche kathodenseitig oftmals platinbasierte und auf der Gegenseite irdiumbasierte Materialien (z. B. IrO2) darstellen (Abbildung 2). Durch das zugeführte Wasser an der Anode, diffundieren die entstehenden Protonen (H+) zur Kathode, wo sie unter Elektronenaufnahme zu Wasserstoffmolekülen kombiniert werden. Gleichermaßen wird auf der Ausgangsseite unter Elektronenabgabe reiner Sauerstoff gebildet. Typische Betriebstemperaturen dieser Technologie liegen im Bereich von 50 bis 80 Grad Celsius.
Die PEM-Elektrolyse zeichnet sich besonders durch eine schnelle Reaktionsfähigkeit auf Änderungen der Stromnachfrage (kurze Start- und Stoppzeiten) aus und eignet sich deshalb für Netzstabilisierungsaufgaben und für Anwendungen mit variablen Energielieferungen. Das kompakte Stack-Design macht sie besonders für dezentrale Anwendungen und den Einsatz in verschiedenen Umgebungen nutzbar. In saurer Umgebung sind ebenfalls spezifische Anforderungen an das Material (Membran, Katalysatoren, Elektroden) gegeben, um beispielsweise Korrosion und Degradation zu verhindern und die Lebensdauer der Anlage zu erhöhen. Bisher ist die PEM-Elektrolyse mit höheren Investitionskosten als die alkalische Elektrolyse verbunden.
Im Gegensatz zu den vorgenannten Technologien spielt sich der Betriebsprozess der Hochtemperatur-Elektrolyse in Temperaturbereichen zwischen 650 und 850 Grad Celsius ab. Deshalb wird in diesem Fall Wasserdampf verwendet, welcher der Kathode zugeführt wird und unter Elektronenaufnahme negativ geladene Sauerstoffionen (O2–) und Wasserstoffmoleküle entstehen. Die Ionen diffundieren durch das Elektrolytmaterial zur Seite der Anode und werden dort zu elementarem Sauerstoff umgewandelt. Als Elektrolyt dient ein keramischer Festkörper, oftmals Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid (YSZ), das einerseits elektrisch isolierend agiert und andererseits ein sehr guter Leiter für Sauerstoffionen ist. Die Hochtemperatur-Elektrolyse wird auf Grund des Festkörperelektrolyten auch Fest(stoff)oxid-Elektrolyse genannt. Die Kathode und die Anode bestehen typischerweise aus Materialien, welche den hohen Temperaturen standhalten, sowie die Wasserstoffproduktion bzw. Sauerstoffreduktion katalysieren können (z. B. Nickel-Cermet; Lanthan-Strontium-Manganat, YSZ). Um die Gasverteilung und Wärmeableitung über einen längeren Zeitraum zu wahren, kann eine Gasdiffusionsschicht zwischen Elektrolyten und Elektrode in die Elektrolysezelle eingebracht werden.
Die Feststoffoxid-Elektrolyse weist aufgrund der hohen Betriebstemperaturen eine verbesserte kinetische Effizienz auf, wodurch der spezifische Energiebedarf der Reaktion sinkt und die Umwandlung beschleunigt. Das birgt das Potential, die Technologie im Umfeld Wärme abgebender industrieller Prozesse einzusetzen. Materialdegradation- und Korrosion können bei hohen Temperaturen die Lebensdauer erheblich einschränken und werden als zentrale Herausforderung angesehen.
Aktuelle Forschungstätigkeiten bei den verschiedenen oben genannten Elektrolysetechnologien forcieren maßgeblich die Leistungs- und Effizienzsteigerung sowie die Weiterentwicklung von eingesetzten Materialien und Komponenten. Außerdem bestehen Entwicklungsarbeiten an neuen Technologieausprägungen, welche zeigen, dass der Markt sehr dynamisch ist. Basierend auf der oben erfolgten Kategorisierung werden folgend verschiedene Prozessvarianten zusammengefasst.
Die erste Technologieausprägung, welche derzeit Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung ist, stellt die Anionenaustausch-Membran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse) dar. Diese wird aufgrund der negativen Ladungsträger (Hydroxidionen, OH–) und chemischen Reaktionen an Anode (O2) und Kathode (H2) der Kategorie der alkalischen Elektrolyse zugeordnet (Abbildung 4). Die AEM arbeitet mit einem mildalkalischen Elektrolyten (KOH) und einer Polymer-Membran auf Ammoniumbasis. Im Gegensatz zur PEM-Elektrolyse werden hier aber keine Protonen (H+) geleitet. Aufgrund der nicht-sauren Umgebung und den moderaten Temperaturen (50 bis 70 Grad Celsius), besteht das Potential die Betriebsdauer der Elektrolysezelle durch beständige Materialien zu erhöhen.
Das chemische Grundprinzip der PEM-Elektrolyse (siehe oben) wird in weiteren Entwicklungen und neuen Varianten aufgegriffen. So richten sich Forschungs- und Entwicklungsbemühungen einerseits auf sogenannte Hochtemperatur-PEM-Elektrolysesysteme (HT-PEM). Diese arbeiten mit einer Feststoffpolymer-Membran und können bei Temperaturen über 100 bis hin zu 160 Grad Celsius oder höher betrieben werden, was den Vorteil einer schnelleren Reaktionskinetik mit sich bringt und die Integration in industrielle Prozesse erleichtert. Eine weitere Variante stellt die protonenleitende Hochtemperatur-Elektrolyse auf Keramikbasis (proton conducting ceramic electrolysis, PCCEL) dar. Diese Art der Elektrolyse läuft bei noch höheren Temperaturen von 450 bis 600 Grad Celsius ab, nutzt einen keramischen Feststoffelektrolyten (z. B. BaCeO3), wird aber aufgrund der Art des Ladungsaustausches (H+) hier ebenfalls der PEM-Kategorie zugeordnet. Die PCCEL und HT-PEM-Elektrolyse erfordern Materialien, die sowohl hohe Protonenleitfähigkeit als auch thermische Stabilität vorweisen können. Die Katalysatorschichten an der Anode und Kathode bestehen heute zumeist aus Übergangsmetallen wie Nickel und Perowskite-Oxiden.
Forschungsaktivitäten, die der Hochtemperatur-Elektrolyse zugeordnet werden, beziehen sich oftmals auf die Co-Elektrolyse von Wasser und Kohlendioxid (CO2). Hierbei werden Wasser und CO2 mithilfe elektrischer Energie gleichzeitig elektrolysiert, um Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen. Dieser Prozess kann als eine Form der Kohlendioxidabscheidung und -nutzung (CCU) betrachtet werden und findet bei hohen Temperaturen von 700 bis 900 Grad Celsius statt. Das vom Wasserdampf kathodenseitig abgespaltene Wasserstoffgas wird also direkt weiterverarbeitet, während die Sauerstoffionen durch die Membran zur Anode diffundieren und dort unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff reduziert werden. Die Co-Elektrolyse bietet neue Möglichkeiten für eine einstufige Erzeugung von Synthesegas und deren Kopplung mit chemischen Syntheseprozessen.
Literaturverzeichnis:
IEA (2023), Global Hydrogen Review 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2023, Licence: CC BY 4.0
Metz, S. et al. (2022). Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse und weitere Verfahren (S. 211 ff.). In: Neugebauer, R. (eds) Wasserstofftechnologien. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-64939-8_9
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* Begrifflichkeiten haben große inhaltliche Schnittmengen aber auch Unterschiede: Nicht bei jeder Elektrolysetechnologie welche mit Polymeren als Elektrolyten arbeiten, werden Protonen ausgetauscht (siehe: AEM).
Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte sind essenziell für die Entwicklung neuer Technologien, besonders in frühen Innovationsphasen, in denen es gilt Pilotanlagen zur kommerziellen Anwendung zu skalieren. Wir analysieren öffentliche Datenbanken zur Forschungsförderung in Hinblick auf Aktivitäten zum Thema Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse. Mit diesen Daten identifizieren wir relevant Projekte, Akteure und zwischen ihnen bestehende Kollaborationen. Konkret basieren die nachfolgenden Ergebnisse auf der relevanten Projektförderung der deutschen Bundesregierung, die in der EnArgus-Datenbank systematisch erfasst und zugänglich gemacht werden. Zur Identifikation relevanter Projekte arbeiten wir primär mit einschlägigen Stichwortsuchen, anhand derer wir auch eine Zuordnung zu den im vorangegangenen Reiter definierten Technologiegruppen, also der PEM (Proton Exchange Membran) Elektrolyse, der alkalischen Elektrolyse und der Hochtemperatur-Elektrolyse, zuordnen. Ferner stellen wir zur Aufbereitung und Bereinigung der gesammelten Daten logische Verknüpfungen zwischen verschiedenen Suchabfragen her, prüfen verfügbare Meta-Daten (z. B. der Förderplansystematik) und die inhaltlichen Informationen zu den Projekten. Diese können dabei nicht nur einer, sondern auch keiner (z. B. bei Fokussierung auf eine Anwendung) oder mehreren Technologiegruppen (z. B. bei Bearbeitung mehrerer oder hybrider Technologien) zugeordnet werden.
Abbildung 1 gibt einen ersten Überblick über die Technologiezuordnungen der Suchergebnisse, die als Basis für weitere Analysen dienen. Insgesamt konnten 1174 Datenbankeinträge in EnArgus dem Thema Elektrolyse zugeordnet werden (wobei für Verbundprojekte dort zumeist individuelle Einträge für jeden Konsortialpartner erfasst werden). Aus dieser Grundmenge ordnen wir einen Teil dieser Projekte der Erforschung spezifischer Technologien zu. Darunter verzeichnet die PEM-Elektrolyse mit 372 Einträgen die meisten zugeordneten EnArgus-Einträge. Es zeigen sich zudem relativ große Schnittmengen mit den anderen Technologie-Kategorien, welche sowohl auf parallel bearbeitete wie auch hybride Technologien zurückzuführen sind (z. B. PEM/AEM).
In Netzwerkdiagrammen kann die Zusammenarbeit zwischen Akteuren in Verbundprojekten untersucht und dargestellt werden.
Abbildung 2 zeigt ein Netzwerkdiagramm für die Elektrolyseprojekte allgemein (siehe Abbildung 1). Zur besseren Übersicht beschränkt sich die Darstellung auf Akteure mit mindestens vier Projektbeteiligungen. Das vollständige Netzwerkdiagramm ist unter diesem Link zu finden. Die Projekte wurden dabei nach ihren zugeordneten Technologien gekennzeichnet (»/« für PEM, »T« für Hochtemperatur, »@« für Alkalisch und »+« für mehrere Technologien). Akteure aus der Wissenschaft werden dabei entsprechend ihrem Typ mit blauen Symbolen dargestellt. Bei industriellen Akteuren unterscheiden wir zwischen Großunternehmen (Orange) und Mittelstand (gemäß KMU-Definition; Gelb). Andere Förderempfänger, wie zum Beispiel Verbände und Vereine, sind in weiß dargestellt, die fördergebenden Bundesministerien in beige.
Das Forschungsnetzwerk zur Elektrolyse in Abbildung 2 zeigt klar den hohen Involvierungsgrad einschlägiger Konzerne wie Siemens, Heraeus, Thyssenkrupp und BASF mit jeweils vielen Projektbeteiligungen. Heraeus legt dabei den Fokus auf Projekte im Bereich der PEM-Elektrolyse, während Siemens an mehreren Projekten in allen drei definierten Technologien zur Konstruktion und Konzeptionierung von Elektrolyseuren und deren Anwendung zur Erzeugung von Wasserstoff beteiligt ist. Ein Beispiel dafür ist die Zusammenarbeit mit der BASF zum Aufbau einer 54-MW-Elektrolyseanlage, mit welcher 8000 t/a Wasserstoff für den Einsatz in der chemischen Industrie produziert werden sollen.[1] Ferner zeigt das Netzwerk das Engagement von drei wesentlichen Fördergebern auf: Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV). Natürlich zählen große Forschungsnetzwerke wie die Helmholtz-Gemeinschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft häufig zu den Förderempfängern, aber auch namenhafte Universitäten wie die RWTH Aachen oder die LMU und TUM aus München engagieren sich stark in der Elektrolyseforschung.
In den folgenden Abschnitten werden wir zunächst die spezifischen Forschungsnetzwerke zu den drei Technologie-Bereichen näher betrachten, bevor wir eine quantitative Analyse der Förderung diskutieren.
Abbildung 3 zeigt das Netzwerkdiagramm für Projekte über die PEM-Elektrolyse. Aus der Industrie sind hier Konzerne wie Linde, Siemens und Heraeus stark in der Forschung zur PEM-Elektrolyse vertreten. So sind diese Unternehmen maßgeblich an den H2Giga-Projekten beteiligt, welche darauf abzielen bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 10 GW in Deutschland aufzubauen.[2] Die teilnehmenden Unternehmen untersuchen dabei diverse Bauteile und Thematiken bezüglich des Baus von Elektrolyseuren. Als Materiallieferant konzentriert sich Heraeus auf die Katalyse. Hier kommen zumeist Edelmetalle wie Iridium oder Platin zum Einsatz, die es effizient zu nutzen oder durch Alternativen zu ersetzen gilt. Der Mittelständler wie H-TEC-Systems spezialisiert sich dagegen auf den Bau von Elektrolyseanlagen. Auch die Firma Fumatech, ein Spezialist für die Membranherstellung, ist in mehreren Projekten mit Beiträgen zur Optimierung der Herstellung von Membranen für die PEM-Elektrolyse beteiligt.[3]
Abbildung 4 bildet das Netzwerkdiagramm für alkalische Elektrolyse ab. Dieser Kategorie ordnen wir auch die deutlich abgewandelte AEM-Elektrolyse zu, kennzeichnen die relevanten Projekte aber mit einem »M«. In dieser Kategorie sind unter anderem bekannte Unternehmen wie Siemens oder Fumatech in mehreren Projekten vertreten. Das Netzwerk umfasst aber auch zahlreiche mittelständige Unternehmen, welche gemeinsam an Projekten zur alkalischen Elektrolyse beteiligt sind, wie beispielsweise AP-Miniplant (Bau Labor- und Pilotanlagen)[4], SITEC (Prozessaufbau zur Stackherstellung), MIOPAS (Messtechnik und Messsysteme in der Gassensorik)[5] und MTV NT (Metallische Beschichtung der Kernkomponenten)[6].
Abbildung 5 stellt das Netzwerkdiagramm für die Hochtemperatur-Elektrolyse dar. Hier nimmt die SunFire GmbH, welche sich (u. a.) auf die Konstruktion von Hochtemperatur-Elektrolyseuren spezialisiert, eine herausgehobene Stellung ein. Viele gemeinsame Projektbeteiligungen belegen eine etablierte Entwicklungszusammenarbeit von SunFire mit der Helmholtz-Gemeinschaft (insb. DLR) zur Entwicklung und zur Skalierung von Hochtemperatur-Elektrolyse-Anlagen. Im Netzwerk nimmt auch der Keramikspezialist KERAFOL eine herausgehobene Rolle ein,[7] da temperaturbeständige keramische Werkstoffe (wie Zirkoniumdioxid oder Yttriumoxid) entscheidend für den Aufbau des Festkörper-Elektrolyten von Hochtemperatur-Elektrolyseuren sind.[8]
Der große Umfang an staatlich geförderten Projekten verdeutlicht die Relevanz und das wachsende Interesse an der Entwicklung von Elektrolyseuren zur Wasserstoffsynthese in diversen Anwendungsbereichen. Die einzelnen Projekte variieren dabei stark in Art, Umfang und Dauer und wurden folglich auch in unterschiedlichem Umfang mit staatlichen Mitteln unterstützt. Im Folgenden analysieren wir die nominellen Fördervolumina (also ohne Ausgleich von Inflationseffekten oder weitere Differenzierung nach Charakter der Förderprojekte). Ferner gehen wir von einer linearen Verteilung der Projektmittel über den Förderzeitraum aus. Berücksichtig wurden ausschließlich von der Bundesregierung geförderte und bei EnArgus verzeichnete Projekte.
In Abbildung 6 sind die jährlichen Fördersummen seit 1969 dargestellt. Aufgrund der hohen Differenzen in jährlichen Fördersummen wurde zur Übersichtlichkeit eine logarithmische Skala verwendet. Im Allgemeinen ist eine deutliche Steigerung der Fördersummen über mehrere Größenordnungen seit den 70er-Jahren erkennbar. Allerdings brach die Förderintensität nach einem zwischenzeitlichen Maximum um 1990 deutlich ein. Nach zwei Dekaden mit rückläufiger Förderung für die Elektrolyse, ist die Aufmerksamkeit der öffentlichen Hand für das Thema seit etwa 2010 wieder kontinuierlich und substantiell angewachsen. Seit 2013 werden die vormaligen Höchstwerte der Förderung aus den 1990er Jahren wieder übertroffen, seit 2020 beschleunigt sich die Dynamik weiter bis zu einem Fördervolumen von fast 800 Mio. € im Jahr 2023.
Abbildung 7 schlüsselt die vergebenen Fördermittel nach Technologie-Bereichen auf, wobei Mehrfachzuordnungen jeweils anteilig berücksichtig wurden. In einer frühen Phase (zwischen 1975 und 1992) fand eine langfristige Förderung der Hochtemperatur-Elektrolyse (auf einem Niveau von wenigen Millionen Euro pro Jahr) statt. Ab Mitte der 1980er Jahre wechselte der Fokus der Förderung jedoch schrittweise zur alkalischen Elektrolyse, die Anfang der 1990er Jahre ein Förderniveau von fast 5 Millionen Euro pro Jahr erreichte, welches aber schon von der Jahrtausendwende wieder erheblich zurückfiel. Parallel dazu wurden bereits in vergleichbarem Umfang Projekte zur grundlegenden Exploration geeigneter Anwendungen (insb. Mobilität/Transport) für den durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff gefördert. Es folgte eine ausgedehnte Periode, in der die Elektrolyse-Forschung in Deutschland weniger systematisch (und nur auf geringem Niveau) gefördert wurde, bis das Thema im Verlauf der vergangenen Dekade wieder erheblich an Priorität gewann.
Die jüngere Entwicklung der Elektrolyseforschung in Deutschland (seit etwa 2010) wurde zunächst angeführt von großskaligen Anwendungsprojekten wie der Integration in die Stahlherstellung (bei Prozessumstellung auf Direktreduktion mithilfe von Wasserstoff) oder dem Einsatz in Wasserstofftankstellen (zur lokalen Produktion des Wasserstoffs). Bei diesen und ähnlichen Projekten steht die Erforschung der relevanten Elektrolysetechnologien nicht im Zentrum der Förderung, daher sind sie in der Darstellung ausschließlich der allgemeinen Kategorie zugeordnet. Zug um Zug gewann auch die Erforschung aller Elektrolyse-Technologien selbst wieder erhebliche Dynamik. Zunächst erreichte die relativ neue PEM-Elektrolyse ein substantielles Förderniveau (> 5 Mio. €/Jahr; ab 2013), welches wenige Jahre später auch für die alkalische Elektrolyse (ab 2016) und die Hochtemperaturelektrolyse (ab 2017) erreicht wurde.
Ab 2020 gewinnt die Entwicklung abermals weiter an Dynamik, in der ein ganz neues Niveau der Förderintensität in der Elektrolyseforschung erreicht wird. Mit wachsendem Reifegrad der Technologien wechseln die Fragestellungen schrittweise von der Grundlagenforschung hin zur Skalierung der Produktion als Voraussetzung zur Erreichung der Marktreife und breiten Diffusion. Entsprechend steigt auch der Forschungsaufwand in neue Größenordnungen. Hier liegt die PEM-Elektrolyse mit weit über 100 Millionen Euro pro Jahr deutlich vorn, aber auch die alkalische und Hochtemperatur-Elektrolyse erhalten substantielle Förderung (von jährlich weit über bzw. etwa 50 Mio. €). Die Forschung zum industriellen Einsatz dieser Technologien überwiegt diese Summen inzwischen bereits bei weitem, hier wird aktuell fast die Schwelle von 1 Milliarde € pro Jahr erreicht. Anhand der erfassten Daten kann auch ein Überblick über die Prioritäten der fördergebenden Bundesministerien gewonnen werden.
Abbildung 8 stellt die kumulierten Fördersummen für die Elektrolyseforschung für die relevanten Fördergeber und schlüsselt deren Verteilungen auf die Technologiebereiche auf. Gemessen am Projektvolumen ist BMWK mit 1,9 Mrd. € der bedeutendste Fördergeber für die Elektrolyse. Zu der hohen Summe tragen insbesondere einige bedeutende Projekte zur industriellen Nutzung der Elektrolyse bei, so etwa das Projekt SALACOS in dem die Salzgitter AG die Umstellung der Stahlherstellung auf Basis von Wasserstoff erforscht (etwa 700 Mio. €) oder das Projekt Hy4CHem der BASF zur Wasserstoffversorgung der chemischen Industrie (etwa 87 Mio. €). So ist die Mehrheit (74 Prozent) der Elektrolysemittel des BMWK nicht primär der Erforschung bestimmter Elektrolysetechnologien gewidmet. Anders beim BMBF, das die Entwicklung der Elektrolyse (mit schwankender Intensität) über den gesamten Untersuchungszeitraum (seit 1969) nachhaltig unterstützt. Die Fördermittel von insgesamt etwa 1,4 Mrd. € sind primär der Erforschung konkreter Technologien gewidmet. Im Vordergrund steht dabei die PEM-Elektrolyse, der auch einige besonders große Projekte (z. B. H2Giga-TP, H2Mare und H2Verde) gewidmet sind. Parallel dazu unterstützt das BMBF auch die Entwicklung der alkalischen und der Hochtemperatur-Elektrolyse substantiell. Auch dem BMDV ist eine signifikante Förderung (0,3 Mrd. €) der Elektrolyse zuzuordnen. Diese betrifft primär die Versorgung von Brennstoffzellfahrzeugen sowie den Aufbau und die Versorgung der dazu benötigten Tankstelleninfrastruktur mit grünem Wasserstoff.
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[2] www.wasserstoff-leitprojekte.de/leitprojekte/h2giga
[5] www.miopas.de/
[7] www.kerafol.com/
[8] www.cme-keramik.uni-bayreuth.de/de/forschung/projekte/HTEL/index.html
Die Entwicklung neuartiger Technologien stellt für viele Unternehmen der Industrie einen zentralen Aspekt ihrer wirtschaftlichen Tätigkeit dar – und soll langfristig deren Existenz sichern. In diesem Kontext kommt dem Schutz des resultierenden geistigen Eigentums eine essenzielle Bedeutung zu. Strukturierte Verfahren zur Patentanmeldung und -prüfung existieren primär auf nationaler Ebene, Erfindungen sind jedoch zumeist für globale Märkte relevant. Anmelder streben dazu also oft eine internationale Ausdehnung der Schutzrechte an. Dazu können Patentanmeldung nach etablierten Verfahren in weiteren Ländern repliziert werden, oft auch mithilfe supranationaler Organisationen dem Europäischen Patentamt (EPO) oder der Weltorganisation für geistiges Eigentum (WIPO).
Patente gleichen Inhalts in unterschiedlichen Märkten werden dabei als Patentfamilien bezeichnet. Deren Entstehung gilt als klares Indiz für den antizipierten wirtschaftlichen Wert der zugrundeliegenden Erfindung, da Kosten und Aufwand transnationaler Patentanmeldungen mit der Anzahl der abgedeckten Märkte erheblich steigen. Eigenheiten nationaler Innovationssysteme wie etwa sekundäre Motivationen abseits des kommerziellen Verwertungsinteresses (z.B. Prestige, Karriereentwicklung, Forschungsförderung) haben dagegen nur einen untergeordneten Einfluss. Deshalb gelten transnationale Patente als fundierte Basis für aussagekräftige Patentanalysen. Wir kombinieren dazu die Stärken des World Patents Index (WPI) in der Stichwortsuche und von PATSTAT im umfassenderen Zugriff auf die Patentdaten
Elektrolyse erlaubt die Synthese von Wasserstoff unter Einsatz elektrischer Energie. Sie bildet somit das Fundament der angestrebten nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft. Wir differenzieren in unseren Analysen drei Technologie-Bereiche der Elektrolyse: Alkalische (AEL), Protonenaustausch (PEM) und Hochtemperatur (HT).
Abbildung 1 bietet einen Überblick über die Menge transnationaler Patentfamilien im Themenbereich Elektrolyse. Als Grundmenge betrachten wir transnationale Anmeldungen in der relevanten IPC-Klasse für die Elektrolyse (C25B), welche gemäß einschlägiger Stichwortsuchen die Herstellung von Wasserstoff betreffen. Aufgrund von typischen Sperrfristen (ca. 18 Monate) sind aktuelle Anmeldungen nicht zugänglich, wir analysieren daher die jüngsten 20 vollständig verfügbaren Anmeldejahrgänge (2002–2021).
Insgesamt erfassen wir so 2918 transnationale Patentfamilien, die den Themenbereich Elektrolyse betreffen. Allerdings zielt nur ein Teil davon im Kern auf die Weiterentwicklung spezifischer Elektrolysetechnologien ab, während andere eher Anwendungen oder die Peripherie von Elektrolyseuren betreffen. Gemäß einschlägiger Stichwortsuchen und Unterklassifizierungen ordnen wir 412 transnationale Patentfamilien der PEM-Elektrolyse zu, 354 der alkalischen Elektrolyse (AEL) sowie 235 der Hochtemperatur-Elektrolyse (HT). Darunter finden sich auch insgesamt 123 Patentfamilien, die wir mehr als einer der Technologie-Kategorie zugeordnet haben. Jedoch gehört die Mehrheit (1994) ausschließlich der allgemeinen Kategorie an (s. o.). Wir nutzen diese Daten zunächst zur Analyse der Entwicklung der Elektrolysetechnologien im Zeitverlauf.
Abbildung 2 vergleicht die zeitliche Entwicklung der Anmeldung transnationaler Patente zu spezifischen Elektrolysetechnologien über den Zeitraum von 2002 bis 2021 (gemäß Prioritätsdatum der Erstanmeldung je Patentfamilie). Bis zum Jahr 2015 lag das Niveau für alle Technologiebereiche mehr oder weniger konstant im Bereich von jeweils etwa 10 transnationalen Anmeldungen pro Jahr. Seither ist jedoch eine ansteigende Dynamik zu verzeichnen, die von den AEL- und PEM-Technologien angeführt wird. In den jüngsten Jahren beschleunigt sich der Trend weiter und überträgt sich mit etwas Verzögerung auch auf die HT-Technologie. Im Jahr 2021 lag die PEM-Elektrolyse mit 93 transnationalen Patentanmeldungen vorn, gefolgt von AEL (68) und HT (37). Unsere Daten zur Forschungsförderung in Deutschland deuten auch auf international stark zunehmende staatliche Investitionen in Elektrolyse-Technologien hin. Infolgedessen ist in den kommenden Jahren mit einem weiteren Anstieg in der Entwicklung und Patentierung relevanter Erfindungen zu rechnen. In diesem Kontext analysieren wir zunächst die globale Verteilung des bestehenden intellektuellen Eigentums im Bereich Elektrolyse.
Häufig treten multinationale Konzerne als Patentanmelder auf. Der Sitz des jeweiligen Hauptquartiers stimmt dabei nicht zwingend mit dem Ursprungsort der Erfindung überein. Allerdings sind bei der Einreichung von Patenten die beteiligen Erfinder und deren Adressen zu benennen. In diesen Daten sehen wir eine bessere Indikation des Ursprungs einer Patentfamilie, da Wohn- und Arbeitsort relativ dicht beieinanderliegen. Natürlich kann hier eine Patentfamilie ggf. mehren Nationen zugeordnet werden, falls Erfinder mit Wohnorten in unterschiedlichen Ländern beteiligt sind.
Abbildung 3 zeigt die weltweite Verteilung der Entwicklung geistigen Eigentums zur Elektrolyse gemessen an transnationalen Patentanmeldungen von Erfindern aus den jeweiligen Nationen auf einer Weltkarte. Für jedes Prioritätsjahr wird in jedem Land jeweils die bis dahin kumulierte Anzahl farbkodiert dargestellt, so dass die Animation den Zeitverlauf abbildet (oder beliebige Jahre mittels Slider angesteuert werden können). Die überwältigende Mehrheit der transnationalen Patentanmeldungen stammt aus wenigen, führenden Industrienationen. Abseits traditioneller Schwerpunkte verbreitert sich die Entwicklung nur langsam, aber doch stetig. So sind inzwischen zumindest auch in einigen Schwellen- und Entwicklungsländern erste Erfolge in Form transnationaler Patentanmeldungen zur Elektrolyse sichtbar.
Wir analysieren die Verteilung der technologischen Schwerpunkte, die in den führenden Nationen gelegt werden. Dazu schlüsselt Abbildung 4 die einschlägig einer Technologiekategorie zuordenbaren Patentfamilien für die führenden 10 Erfindernationen auf. Auf den vordersten Rängen finden sich dabei die USA, Japan und Deutschland. Alle drei weisen eine große Ähnlichkeit der relativen Verteilung zwischen den Technologien auf: Höchste Intensität bei der PEM-Elektrolyse, alkalische und Hochtemperatur-Elektrolyse folgen jedoch jeweils mit einigem Abstand. In vielen anderen Ländern wie Südkorea, Kanada, Italien und Australien (Plätze 6, 7, 8 und 10) wird jedoch eher ein (teils deutlicher) Schwerpunkt auf die AEL-Technologie gelegt. Alle Länder zeigen aber eine gewisse Aktivität im PEM-Bereich, während die Hochtemperatur-Elektrolyse in einigen Ländern kaum berücksichtigt wird. Hier bildet Frankreich (auf Rang 4) eine klare Ausnahme, da dort hauptsächlich transnationale Patente im HT-Bereich angemeldet wurden. Einer Detailanalyse zufolge stammen diese mehrheitlich aus der Periode 2012 bis 2018, was auf eine fokussierte (und inzwischen abgeschlossene) Aktivität hinweist.
Auch in China (auf Rang 5) zeichnen sich andere Prioritäten ab, wobei hier besonders viele Patente jüngeren Datums sind. Wir nehmen diese Beobachtung zum Anlass, die Dynamik der Entwicklung in relevanten Ländern genauer zu analysieren. Als Basis nutzen wird die allgemeine Grundmenge an transnationalen Patentanmeldungen im Elektrolyse-Bereich (vgl. Abbildung 1) und teilen diese nach Alter in drei Gruppen ein.
Abbildung 5 schlüsselt die Daten transnationaler Patentanmeldungen zur Elektrolyse nach Erfindernation und Periode auf. Ausgewiesen wird jeweils Anzahl, globaler Anteil und Rang je Nation und Zeitraum. Gezeigt werden alle Länder, die mindestens einmal eine Top-10-Position in der Rangfolge für den Zeitraum 2018 bis 2021 eingenommen haben. Die USA und Japan nehmen aktuell nach wie vor mit Abstand die Spitzenpositionen ein, wobei Japan dank absolut steigender Zahlen nun erstmals leicht vorn liegt. Die USA haben dagegen ihre vormalige Dominanz im Feld der Elektrolyse eingebüßt. Noch im Zeitraum 2002 bis 2011 stammten über 40 Prozent der weltweiten Anmeldungen von dort, jüngst ist der globale Anteil auf 14 Prozent (oder nahezu um den Faktor 3) eingebrochen. Die Ursache liegt weniger im Rückgang der lokalen Aktivitäten (jüngst stieg die jährliche Anmelderate sogar wieder), sondern im Anstieg und der Breite der globalen Aktivität.
Deutschland erreicht in allen betrachteten Perioden konstant Rang 3 und konnte seinen globalen Anteil von zuletzt 8,6 Prozent zumindest nahezu halten. Das erfordert jedoch eine steigende Intensität, so verdoppelte sich die jährliche Anmeldrate von transnationalen Patenten deutscher Erfinder nahezu (von 8 für 2002 bis 2011 auf 15,5 für 2018 bis 2021). Allerdings ist China zuletzt fast mit Deutschland gleichgezogen. Aktuell erreicht das Land einen globalen Anteil von 8,4 Prozent, der sich im Vergleich zu 2002 bis 2011 von 2,1 Prozent vervierfacht hat. Setzt sich diese Dynamik ungebrochen fort, wird China bald zu den Spitzenplätzen aufschließen. Auch in anderen Ländern zeigen sich bemerkenswerte Dynamiken. So hat Dänemark erst jüngst signifikante Aktivitäten aufgebaut und mit einem globalen Anteil von 2,9 Prozent eine Top-10-Position erreicht. Länder wie Frankreich und Kanada haben es dagegen zuletzt verpasst, mit der globalen Dynamik schrittzuhalten und sind somit in der Rangfolge deutlich zurückgefallen.
Der globale Markt für Elektrolyseure ist jedoch noch in einer frühen Entwicklungsphase, die Transformation zur Massenproduktion steht noch bevor. Der dafür notwendige technische Fortschritt wird noch viele Erfindungen erfordern und Patente hervorbringen. Aktuell werden die Weichen für den künftigen Markt gestellt. Deutschland bringt dafür bereits recht gute Voraussetzungen mit, muss seine Investitionen jedoch systematisch ausbauen, um seine globale Position zu halten und ggf. auch auszubauen. Abbildung 5 liefert einige Indizien für den Erfolg früher strategischer Investitionen – wenn sie konsequent weitergeführt werden. Das Beispiel von Saudi-Arabien zeigt, dass ein Land im globalen Vergleich durchaus zügig aufschließen und auch wieder zurückfallen kann.
In der Regel treten Institutionen als Anmelder von Patenten auf, da sie Diensterfindungen ihrer Mitarbeiter (nach der jeweiligen nationalen Gesetzgebung) für sich reklamieren können. Auch in anderen Fällen kann die Übertragung der Erfindung auf eine (ggf. selbst gegründete) Firma für Erfinder attraktiv sein, da Beantragung, Aufrechterhaltung und Verwertung von (gerade transnationalen) Patenten zunächst oft mit hohen Kosten für den Anmelder einhergehen. Da die Anmelder in der Regel dann auch die wirtschaftliche Verwertung der Erfindung (direkt und/oder durch Lizensierung) organisieren, können wir so viele relevante Akteure im Markt für Elektrolyse identifizieren.
Konkret schlüsseln die folgenden Abbildungen die aktivsten Anmelder von transnationalen Elektrolyse-Patenten im Untersuchungszeitraum (2002–2021, s. o.) nach Technologiefeld auf. Die Anmelder sind jeweils nach der Zahl der einschlägigen Patentfamilien für die jeweilige Technologie geordnet, zudem weisen wir für jeden gelisteten Anmelder Gesamtzahlen (transnationaler Patente überhaupt und zur Elektrolyse) aus, nebst von uns daraus berechneter Kennzahlen (s. u.).
Abbildung 6 weist besonders relevante Akteure im Feld der PEM-Elektrolyse auf Basis ihrer Aktivität als Anmelder einschlägiger transnationaler Patente aus. Bei den Top-5-Anmeldern in diesem Feld handelt es sich ausschließlich um Unternehmen aus den Top-3 Anmeldenationen für Elektrolysepatente allgemein. Auf den zweiten Blick lassen sich daraus Kategorien bilden:
Bei großen Material- und Technologiekonzernen überrascht eine gewisse Anzahl an Elektrolyse-Patenten nicht wirklich. Allein aus den Daten lässt sich allerdings schwer darüber urteilen, ob es sich um eher zufällige Erfindungen (z. B. Elektrolyse als sekundäres Anwendungsfeld für primär aus anderen Gründen entwickelte Produkte) handelt – oder zielgerichtet ein neues Geschäftsfeld aufgebaut wird. In Analogie folgen auf den (hier nicht gezeigten) Rängen auch einige Universitäten und Forschungszentren, die ihr intellektuelles Eigentum eher lizensieren oder in eine Ausgründung einbringen als es selbst zu kommerzialisieren. Im Kontrast dazu ist bei Unternehmen mit kleinem, aber stark konzentriertem IP-Portfolio häufig von einem aufstrebenden Spezialanbieter auszugehen, der sich der eigenständigen Verwertung der Technologie verschrieben hat. Als Kennziffern dafür weisen wir den Spezialisierungsgrad des Patentportfolios für jeden Anmelder aus, welche sich jedoch nicht direkt zur Identifikation ähnlicher Unternehmen eignet (da zahllose Anmelder nur über ein einziges, aber einschlägiges Patent verfügen). Mit einem semi-empirischen Scoring überwinden wir diese Herausforderung und identifizieren systematisch wahrscheinliche Spezialanbieter. In Abbildung 6 haben wir folglich nicht nur die fünf absolut stärksten Anmelder transnationaler Patente zur PEM-Elektrolyse aufgenommen, sondern zudem auch diejenigen, für die wir die höchsten Score-Werte in diesem Bereich errechnen (grün hinterlegt). Da die Gesamtzahl transnationaler Patente für PEM-Elektrolyse (und die anderen Technologien ebenso, s. u.) anders als bei Brennstoffzellen relativ überschaubar bleibt, haben es die zwei oben genannten Spezialanbieter unter die Top-Anmelder geschafft. Auch die drei weiteren Kandidaten rangieren aktuell auf relativ hohen absoluten Rängen. Sollte der sich in Abbildung 2 absehbare Trend zur massiven Ausweitung des globalen intellektuellen Eigentums zu Elektrolyse in den kommenden Jahren fortsetzen und ausweiten, wird unsere Methodik bei der Identifikation aufstrebender Spezialisten helfen.
Unter den in Abbildung 6 gelisteten Patentanmeldern findet sich mit der deutschen Höller Electrolyzer nur ein einziges europäisches Unternehmen. Hier in der Abbildung nicht gezeigt sind beispielsweise das italienische Unternehmen De Nora und die beiden französischen Forschungsinstitute CEA und CNRS.
Das deutsche mittelständige Unternehmen Höller Electrolyzer (Platz 4) spezialisiert sich auf die Produktion von PEM-Elektrolyse-Stacks im kW- und MW-Bereich. Höller Electrolyzer entwickelt auch Elektrolyseanlagen, die für spezielle Anwendungen in der chemischen Industrie zur Erzeugung von Chlor und Kaliumhydroxid verwendet werden. Auch die Unternehmen Ohmium (USA, Platz 3) und Next Hydrogen (Kanada, Platz 4) bauen Elektrolyseure für diverse Anwendungen. Diese Unternehmen werben dabei mit ihren Anlagen und der Errichtung des Grundbausteins für eine grüne Wasserstoffwirtschaft mit diversen Anwendungsbereichen, von Mobilität und Energieanwendungen bis hin zu speziellen Anwendungen in der chemischen Industrie und dem Anlagenbau. Das Unternehmen Utility Global (USA, Platz 1) ist dagegen stark in der Anwendung des Wasserstoffs in der Stahlindustrie zur Erzeugung von grünem Stahl vertreten. Dafür stellen sie mit Pilotelektrolyseanlagen die Grundlage für diese Verwendung dar.
Abbildung 7 zeigt die sechs aktivsten Anmelder von transnationalen Patenten zur alkalischen Elektrolyse, von denen die überwiegende Mehrheit aus Japan stammt. Aber mit De Nora und Air Liquide sind auch zwei europäische Unternehmen recht prominent platziert. Das französische Unternehmen Air Liquide (auf Rang 4) ist ein global führender Anbieter von Industriegasen und investiert daher stark in die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Die italienische Firma Industrie De Nora (Italien, Platz 3) arbeitet zusammen mit der deutschen Firma Thyssenkrupp in dem Joint Venture Thyssenkrupp nucera an der Herstellung alkalischer Elektrolyseure, basierend auf deren Erfahrung mit Chlor-Alkali-Anlagen.
Die japanische Firma De Nora Permelec, eine Tochterfirma von De Nora, ist Weltmarktführer in der Herstellung und dem Vertrieb von Elektroden für alle wichtigen industriellen elektrochemischen Prozesse
Zusammen halten beide De Nora Unternehmen somit mehr einschlägige AEL-Patentfamilien als Asahi Kasei (Japan, Platz 1), welcher marktführender Anbieter von Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien ist. In Bezug auf die Elektrolyse-Technologie sind sie ebenfalls breit aufgestellt und bieten von Membranen und Elektroden für Elektrolyseure auch ganze Elektrolyseure, beispielsweise deren 10 MW-Pilotanlage, an.
Abbildung 8 stellt die Top 6 Patentanmelder bezogen auf die HT-Elektrolyse dar. Im Gegensatz zu PEM-Top-Anmeldern, stammen die Top Anmelder zur HT-Elektrolyse aus einer Vielzahl von Ländern. Die französische Forschungseinrichtung CEA belegt mit 28 einschlägigen Hochtemperatur-Patentfamilien den ersten Platz und erklärt damit den Ursprung der auffällig hohen HT-Patentanmeldungen aus Frankreich (vergleiche Abbildung 3). Die CEA besitzt ein weitgefächertes Forschungsgebiet, welches von Atomkraft bis hin zu diversen erneuerbaren Energiealternativen, wie auch die Elektrolyse, alles erforscht. Im Gegensatz dazu spezialisieren sich Bloom Energy (USA, Platz 2) in der Stromerzeugung mittels aus der Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff und die Toshiba Energy Systems & Solutions (Japan, Platz 5), eine Tochterfirma des Technologiekonzerns Toshiba (Japan, Platz 2), in Bereichen der Wasserstoffspeicherung, Brennstoffzelltechnologie und Carbon Capture Anlagen.
Aufgrund geringer Patentzahlen der aktivsten Anmelder verzichten wir im Folgenden auf die Betrachtung von Spezialanbietern für die HT- und AEL-Elektrolyse.
Zahlreiche Marktstudien befassen sich mit dem Themenbereich Wasserstoff, seiner Erzeugung und Nutzung sowie dem Wechsel zu einer nachhaltigen Erzeugung (oft unter der Bezeichnung »grüner Wasserstoff«). Einige Studien widmen sich besonders dem Elektrolyseur-Markt als Schlüsseltechnologie für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Letztere bilden die Grundlage für unsere nachstehende Analyse. Der Zugang zu kommerziellen Marktstudien ist in der Regel kostenintensiv, was insbesondere Möglichkeiten für vergleichende Analysen einschränkt. Viele Anbieter von Marktstudien stellen jedoch begrenzte Informationen zu Werbezwecken kostenlos zur Verfügung. Diese öffentlich zugänglichen Informationen umfassen in der Regel aggregierte Daten zum Marktvolumen, Prognosen für Wachstumsraten, sowie die Namen von Unternehmen, die in der vollständigen Studie ausführlicher behandelt werden. Wir haben relevante Vorschaudaten aus 28 Marktstudien aus den Jahren 2019 bis 2023 zum Thema Elektrolyseur-Markt gesammelt, um die folgende Meta-Analyse durchzuführen (Stand November 2023).
Die Vorhersagen für den globalen Elektrolyseur-Markt weisen eine enorme Spannbreite auf (Abbildung 1). Jährliche Wachstumsraten (CAGR = compound annual growth rate) werden auf zwischen 6 und 97 Prozent prognostiziert (Median aller Studien bei 24,8 Prozent). Der jährliche globale Umsatz lag im Jahr 2023 laut Studien zwischen 217 Mio. und 10,8 Mrd. USD (Median aller Studien bei ca. 505 Millionen USD).
In Abbildung 2 werden die aggregierten Daten aus den verschiedenen Marktstudien für das Jahr 2025 projiziert. Drei Gruppierungen lassen sich dabei erkennen:
Diese Abweichungen bei der Marktgröße spiegeln wider, dass es sich um einen neuaufkommenden Markt handelt, in dem große Unsicherheiten bezüglich der tatsächlichen Marktgröße bestehen. Während bei etablierten Märkten häufig genaue Zahlen vorliegen, sind neue Märkte dagegen deutlich intransparenter und Abschätzungen der Marktgröße hängen stark von der verwendeten Methodik ab. Diese scheint sich bei den verglichenen Marktstudienanbietern deutlich zu unterscheiden.
Die Vielzahl an prognostizierten Wachstumsraten, gekoppelt mit der großen Spannbreite von vergangenen und aktuellen globalen Umsatzzahlen, führt zu drastisch unterschiedlichen Szenarien für die zukünftige Entwicklung der Marktgröße (Abbildung 3).
Für das Jahr 2030 werden jährliche Umsatzzahlen zwischen 651 Mio. USD und 90,4 Mrd. USD prognostiziert (Median von 17,9 Mrd. USD). Im Fokus der Abbildung stehen die Prognosen (explizite Datenpunkte) der Marktstudien, bei welchen wir ein gleichbleibendes Wachstum während des Prognosezeitraums annehmen. Abseits der Prognosen spezifizieren Marktstudien historische Marktvolumina (implizite Datenpunkte), welche nicht immer in perfekter Konsistenz zu den Wachstumsabschätzungen liegen.
Wir führen die großen Unterschiede zwischen den Prognosen auf den bereits oben genannten niedrigen Reifegrad des Elektrolyseur-Marktes und die hohe Dynamik der Energiewende zurück. Wasserstoff wird im nachhaltigen Energiesystem der Zukunft sicher eine wichtige Rolle spielen, allerdings bestehen weiterhin große Unsicherheiten hinsichtlich Geschwindigkeit der Transformation. Unserer Einschätzung nach wird die Marktentwicklung in naher Zukunft stark von öffentlichen Mitteln und großen Initiativen abhängen. Daher sind die Prognosen mit großen Unsicherheiten behaftet und bieten nur eine grobe Einschätzung der kommenden Marktentwicklungen.
Aufgrund der hohen Dynamik des Marktes für Wasserstoff-Elektrolyseure und des entsprechend steigenden Interesses gehen wir davon aus, dass in den nächsten Jahren viele weitere Studien veröffentlicht werden. Diese Erwartungen decken sich mit unseren Ausführungen aus 2019. Eine Konvergenz in den Prognosen der Marktstudien ist weiterhin nicht festzustellen, was sich in Zukunft aber durch andere öffentliche Sichtweisen und Standards bei Elektrolysetechnologien ändern kann.
Einige Marktstudien differenzieren zwischen drei Feldern von Elektrolysetechnologien, wie wir sie unter dem Reiter Technologie verfolgt haben: (a) Protonenaustausch-Membran-Elektrolyse (PEM), (b) Alkalische Elektrolyse (AEL) und (c) Hochtemperatur-Elektrolyse (HT). Aus den betrachteten Studien geht hervor, dass für das Jahr 2030 die alkalische Elektrolyse knapp die Hälfte des Marktes für Elektrolysetechnologien einnehmen wird. Andererseits sind Angaben zum prognostizierten Markanteil der PEM- und Hochtemperatur-Elektrolyse mit einer hohen Standardabweichung verbunden. Die Marktanteile der beiden Technologien werden auf über 1/3 (PEM) bzw. knapp 1/4 (HT) – mit steigender Tendenz – geschätzt.
Die meisten Marktstudien erwähnen Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind und für die Prognosen berücksichtigt wurden. Die Analyse, der in den 46 Studien erwähnten Unternehmen (davon 28 Markstudien mit Angabe von Prognosedaten, siehe oben), führt zu einer Rangfolge der genannten Firmennamen (Abbildung 5). Bei dieser Analyse handelt es sich nicht um eine Bewertung, welches Unternehmen führend oder am aktivsten in dem Bereich ist, sondern sie soll vielmehr einen Eindruck davon vermitteln, welche Unternehmen von wie vielen Marktanalysten als relevant angesehen werden.
Die Datenlage hat sich im Vergleich zur Voruntersuchung in jüngsten Jahren massiv verbessert. In den 46 Markstudien wurden insgesamt 62 verschiedene Unternehmen genannt, wovon in Tabelle 1 die Unternehmen mit mindestens 10 Nennungen abgebildet sind. Mangelnde Konsistenz versuchen wir auf folgende Art und Weise auszugleichen: Zusammenführung von Unternehmen (Fusionen und Rebranding) und vereinheitlichte Schreibweisen bei offensichtlichen Beziehungen. Die wichtigsten hier berücksichtigten Marktentwicklungen sind folgende:
Analysiert man die Herkunft häufig aufgeführter Unternehmen (hier: Unternehmen mit mindestens 5 Nennungen), so stellt man fest, dass die meistgenannten Unternehmen aus den USA (7), China (4) und Deutschland kommen (4). Darüber hinaus sind aber Unternehmen aus zahlreichen anderen Ländern vertreten, wie z. B. Frankreich (3), Italien (3), Japan (3) oder Kanada (2). Unabhängig von der Größe der Unternehmen ist es bemerkenswert, dass über die Hälfte der erwähnten Unternehmen aus dem europäischen Raum stammen.
Als lokale Versorgungsunternehmen tragen Stadtwerke maßgeblich dazu bei, nachhaltige Energiekonzepte in Städten und Regionen umzusetzen. Im Zuge der Energiewende gewinnt die Integration von Wasserstoff als umweltfreundlicher Energieträger zunehmend an Bedeutung. Stadtwerke können eine zentrale Figur in dieser Entwicklung einnehmen, indem sie ihre Infrastruktur, Erfahrung und regionale Präsenz nutzen, um Wasserstofftechnologien voranzutreiben. Aus diesem Grund haben wir die Rolle deutscher Stadtwerke und regionaler Energieversorger in geplanten und bereits umgesetzten Elektrolyseprojekten untersucht.
Zunächst wurden dabei strukturierte Projektdatenbanken von Fördergebern in Deutschland und der EU zur inhaltlichen Datensammlung herangezogen. Dadurch kann in der Untersuchung ein großer Teil bundesweit und europäisch ausgeschriebener Projekte abgedeckt werden. Dennoch impliziert der Momentaufnahmencharakter eine mögliche Dunkelziffer nicht erfasster Projekte. Insgesamt konnten 35 Elektrolyseprojekte mit Beteiligung von Stadtwerken in Deutschland identifiziert werden (das entspricht 4 Prozent der Grundgesamtheit deutscher Stadtwerke).
Die geplanten und abgeschlossenen Vorhaben verteilen sich heterogen auf den Westen, Süden und Norden Deutschlands (Abbildung 1). Alleinig die ostdeutschen Bundesländer liegen mit nur zwei Projekten im Zeitraum von 2013 bis 2026 abgeschlagen zurück. Bei den übrigen acht Projekten existieren über den Planungshorizont von 2026 hinaus weitgehend keine konkreten Daten über die Inbetriebnahme des Elektrolyseurs. Abbildung 2 illustriert einerseits die Verteilung deutscher Stadtwerke nach ihrer Größe (Umsatz, Mitarbeiterzahl) und andererseits die Einordnung der in die Untersuchung aufgenommenen Stadtwerkegruppen. Der Großteil deutscher Stadtwerke agiert im Bereich von 20 bis 200 Mitarbeitern und einem Umsatz zwischen 10 und 100 Mio. € jährlich. Dennoch gibt es oszillative Ausprägungen entlang der Ursprungsgeraden, welche auf die komplexe Struktur des deutschen Energieversorgungsmarkt hindeuten können (kommunale Beteiligungen, Unternehmensauslagerungen, Umfirmierungen). Stadtwerke in der oberen rechten Bildhälfte haben sich aus der klassischen Größe von Stadtwerken emporgehoben und können vielmehr regionalen Energieversorgungsunternehmen zugeordnet werden.
Im Gespräch mit bereits aktiven Stadtwerken haben wir herausgefunden, dass die durchschnittliche Projektdauer eines Elektrolyseprojekts, also von der Idee bis zur Inbetriebnahme, ca. 3,5 Jahre beträgt. Der Involvierungsgrad (assoziiert, beteiligt, leitend) von Stadtwerken in den Projekten divergiert dabei stark. Gleichermaßen weichen die (geplanten) Leistungsdaten der Elektrolyseure in den H2-Projekten voneinander ab (0,25–30 MW).
Der eindeutige Fokus in den Projekten der Stadtwerke liegt auf der PEM-Elektrolyse Technologie. Herausforderungen im technischen Betrieb liegen dabei im generellen Umgang mit den Hochlaufzeiten, Leckagen und Kontaminationen, sowie fehlenden Redundanzen bei der H2-Verdichtung und Speicherung. Zur wirtschaftlichen Stromversorgung der Anlagen haben sich einerseits Stromlieferverträge (Purchase Power Agreements) und andererseits Forecastings etabliert, welche den Spotmarktpreis des Stroms prognostizieren und (semi)automatisiert günstige Perioden detektieren soll.
In der Umsetzung befindende und abgeschlossene Projekte der Stadtwerke bestätigen die Notwendigkeit einer soliden finanziellen Ausgangssituation (umfangreiche Förderprogramme), Expertise und Know-How (Weiterbildung und Kooperationen), sowie die Verfügbarkeit regionaler H2-Abnehmer (Industrie oder Mobilität), um ein nachhaltiges Erlösmodell aufzubauen. Besonders das Brechen mit traditionellen Planungshorizonten (bei den traditionellen Assets Strom und Gas häufig 30 bis 50 Jahre Abschreibungszeitraum), sowie die unbeständige Gesetzgebung (Zertifizierung und Herkunftsnachweise von grünem H2) stellen jedoch große Risiken und Ungewissheiten für kommunale Unternehmen dar. Abschließend ist trotz vereinzelter Bemühungen deutscher Stadtwerke kurzfristig mit keinem progressiven Vormarsch in der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyseure zu rechnen. Mit geeigneten politischen Regularien können dennoch weitere kommunale und regionale Versorgungsbetriebe (zum Großteil in kleinerer Größenordnung) für Wasserstoff sensibilisiert und motiviert werden.
Im Rahmen des Projekts »H2 Companion« übernimmt das Fraunhofer ISI zusammen mit den Partnern Fraunhofer IAO, Institut für Ressourceneffizienz und Energiestrategien IREES sowie dem Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg gGmbH ifeu die wissenschaftliche Begleitung zweier Modellregionen Grüner Wasserstoff in Baden Württemberg. Die Modellregionen sind einerseits die Stadt Ulm gemeinsam mit dem Landkreis Reutlingen und dem Alb-Donau-Kreis als auch die Region Stuttgart.
03/2022 – 02/2027
Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft
Wir danken Martin Böhm, Lorenzo Wormer und Paul Städter für die tatkräftige Unterstützung bei der Erstellung dieser Webseite.
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI