Special | USA | Wasserstoff

Die USA läuten das Wasserstoff-Zeitalter ein

Wasserstoff rückt als Energiespeicher für Wind- und Solarstrom, weiterhin als Energiequelle in den Vordergrund. Die USA bieten dafür vielfältige Geschäftsmöglichkeiten. 


  • Die USA wollen die Nummer eins bei Wasserstoff werden

    Die USA streben die Technologieführerschaft für Wasserstofftechniken an. Neben der Dekarbonisierung der Wirtschaft locken lukrative Exportmöglichkeiten.

    In den USA werden vielfältige Technologien zur Erzeugung, zum Transport, zur Lagerung und zur Nutzung von Wasserstoff in der verarbeitenden Industrie sowie in der Energie- und Transportwirtschaft entwickelt. Staat und Wirtschaft arbeiten dabei Hand in Hand. Auf föderaler Ebene finanziert das Department of Energy (DOE) entsprechende Forschungsprojekte.

    Damit übernimmt das DOE einen Teil der sehr hohen Entwicklungskosten, bevor sich durch Skaleneffekte die Kosten reduzieren lassen. Bislang hat das DOE im zurückliegenden Jahrzehnt zwischen 100 Millionen und 280 Millionen US-Dollar (US$) pro Jahr an Zuschüssen gewährt. Seit 2017 liegt Bundeszuschuss bei jährlich 150 Millionen US$.

    Entwicklungsprognosen für Wasserstoff

    2020

    2022

    2025

    2030

    Bedarf an Wasserstoff (in Mio. MT)

    11

    12

    13

    17

    Verkaufte Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb

    2.500

    30.000

    150.000

    1.200.000

    Gabelstapler mit Wasserstoffantrieb

    25.000

    50.000

    125.000

    300.000

    Tankstellen

    63

    165

    1.000

    4.300

    Umschlagstellen für Wasserstoff

    120

    300

    600

    1.500

    Investitionen in Mrd. US-Dollar

    k.A.

    1

    2

    8

    Jobzuwachs pro Jahr

    k.A.

    50.000

    100.000

    500.000

    Quelle: ROAD MAP TO A US HYDROGEN ECONOMY, McKinsey, Fuel Cell & Hydrogen Energy Association, Electric Power Research Institute


    Auf Ebene der Bundesstaaten werden ebenfalls Fördergelder ausgeschüttet. Auf dieser Verwaltungsebene ist außerdem die Kompetenz zur Ausarbeitung und Inkraftsetzung technischer Normen und Standards für die neuen Wasserstofftechnologien angesiedelt, die dann in den entsprechenden Bundesstaaten gelten. Landesweit einheitliche Normen und Standards existieren somit nicht. 

    Wirtschaftsstarke Großstädte entwickelten darüber hinaus eigene Initiativen, unter anderem zur Dekarbonisierung ihrer regionalen Ökonomien, bei denen Wasserstofftechnologien eine wichtige Rolle spielen. Dazu gehört zum Beispiel der Climate Action Plan von Houston, wonach die Öl- und Gas-Metropole bis 2050 CO2-neutral aufgestellt sein möchte. Ähnlich geartete Vorstöße unternehmen unter anderem New York City, ChicagoSan Francisco und Los Angeles.

    Neben Umweltaspekten und Aspekten des Klima- und Katastrophenschutzes sind die Initiativen der Bundesstaaten und Metropolen stark kapitalmarkgetrieben. Die regionale Politik bietet der Industrie mit Wasserstoffanwendungen neue Geschäfts- und Investitionsfelder an, beugt damit einen ansonsten drohenden Kapitalabfluss vor und zieht sogar neue Investoren und Unternehmen an. Insgesamt haben 32 Bundesstaaten Aktionspläne für den Klimaschutz verabschiedet, die in ihrer weiteren Modifizierung zunehmend Zukunftsthemen wie Wasserstoff mit beinhalten.

    Geopolitik spielt eine Rolle

    Die US-Bundespolitik möchte die Technologieführerschaft der USA bei Wasserstoff sicherstellen. Angestrebt wird der Aufbau einer breit aufgestellten Wasserstoffindustrie, die 2030 ein jährliches Einkommen von 140 Milliarden US$ generiert und 700.000 Personen beschäftigt. Dies geht aus einer Studie hervor, die McKinsey und die Fuel Cell and Hydrogen Energy Association veröffentlicht haben. Das National Renewable Energy Laboratory (NREL), das unter anderem auch an Wasserstoffzellen und -technologien forscht, kam zu einer ähnlichen Zukunftsprojektion.
     
    Bis 2050 soll der Anteil von Wasserstoff am Energiemix der USA auf 14 Prozent ansteigen. Im gleichen Jahr soll die Wasserstoffbranche 750 Milliarden US$ pro Jahr an Einnahmen generieren und 3,4 Millionen Menschen beschäftigen.

    Geopolitische Interessen spielen beim Ausbau der Wasserstoffwirtschaft eine nicht zu unterschätzende Rolle. Neben der vor kurzem erreichten weltweiten Führungsposition beim Export von Öl und Flüssigerdgas wollen die USA zusätzlich die Nummer eins bei den weltweiten Lieferungen von Wasserstoff werden. Für die Industrie stellen die Exportmöglichkeiten, vor allem in Länder, in denen es an entsprechenden Technologien und Ressourcen mangelt, einen überaus lukrativen Absatzmarkt dar.

    Anwendungsfelder wachsen

    Bereits angewendet wird Wasserstoff in den USA in Raffinerien bei der Herstellung synthetischer Schmier- und Treibstoffe sowie bei der Gewinnung von Ammoniak. Die Stahlindustrie wendet Wasserstoff zur Sauerstoffbindung bei der  Eisenveredelung an. Auch die Nahrungsmittelindustrie nutzt Wasserstoff für verschiedene Verarbeitungsprozesse. Die Anwendungsfelder werden in den kommenden Jahren sukzessive ausgeweitet.
     
    Die zur breiten Gewinnung von Wasserstoff benötigte Energie sollen nach Angaben von McKinsey und dem DOE die Windkraft und Photovoltaik, die Erdgaswirtschaft und die Kernenergie liefern. Umgekehrt sollen Wasserstoff und Wasserstoffzellen als Langzeitspeicher für temporär überschüssigen Wind- und Sonnenstrom sowie zur autonomen Stromversorgung von Privathaushalten genutzt werden.
     
    Wasserstoff beziehungsweise Wasserstoffzellen kommen, entsprechend den US-Projektionen, vorrangig für den schweren Straßenferntransport, das heißt für Lkw und Zugmaschinen, in Frage. Wogegen für Pkw vorweisbare Ergebnisse beim Ausbau einer notwendigen Tankstelleninfrastruktur vorrangig nur in Kalifornien vorliegen. Weder wurden in anderen Bundesstaaten Wasserstofftankstellen in nennenswerter Zahl gebaut noch hat Kalifornien die selbst gesteckten hohen Ausbauziele erfüllt. Dies wird als ein klarer Hinweis dafür gehandelt, dass sich für Pkw der reine Elektroantrieb als Zukunftstechnologie bevorzugt durchgesetzt hat - zumindest außerhalb von Kalifornien.
     
    Zu den weiteren Anwendungen für Wasserstofftechnologien gehören das Beheizen von Gebäuden. Aktuell werden 47 Prozent des Immobilienbestandes mit Erdgas und 8 Prozent mit Flüssigerdgas beheizt, was mit Hilfe von Wasserstofftechnologie reduziert werden soll. Geprüft wird die Vermischung von Erdgas mit Wasserstoff beziehungsweise der Einbau von Wasserstoffzellen in Gebäuden, mit denen elektrischer Strom zum Heizen und zur Nutzwassererwärmung erzeugt werden kann.
     
    Die Nutzung von Wasserstoff wird in zunehmenden Maße auch für Industriezweige über die Chemie, Petrochemie, Stahl- und Eisenerzeugung und Nahrungsmittelverarbeitung hinaus erwogen. Damit könnte die Industrie als ganzes den Anteil der Kohle und von Erdgas als Energieträger reduzieren. Derzeit laufen auch Untersuchungen, ob stationäre Wasserstoffzellen als Reservequellen in Rechenzentren, Krankenhäusern und anderen Bereichen in Frage kommen, in denen eine ununterbrochene Stromversorgung unabdingbar ist. Auf diese Art könnte die Zahl der Dieselgeneratoren sinken, die bislang für den Notfall in Reserve gehalten werden.

    Von Ullrich Umann | Washington, D.C.

  • Die USA errichten wasserstoffbetriebene Kraftwerke

    Wasserstoff wird ab 2025 in Gaskraftwerken verwendet, die Zwischenlagerung erfolgt in Salzstöcken. In Kalifornien wird Wasserstoff aus der Verbrennung von Altpapier gewonnen.

    Die USA nehmen bei der Entwicklung und breiten Anwendung von Wasserstofftechnologien an Fahrt auf. Im Vergleich zum Forschungspotenzial und zur Wirtschaftskraft der größten Volkswirtschaft der Welt gibt es aber noch viel Raum nach oben. Sowohl die Zahl der Entwicklungsprojekte, die Höhe der Forschungsgelder als auch die Menge der Projektimplementierungen sind vorerst überschaubar. Dies dürfte sich jedoch schnell ändern, da die Technologien zunehmende Marktreife erlangen, weiterhin Skaleneffekte die Investitions- und Betriebskosten senken und die US-Regierung Wasserstoff als einen strategischen Energieträger einstuft, bei dem das Land eine führende Position einnehmen soll.
     
    Noch sind die Forschungsausgaben des Department of Energy (DOE) mit etwa 150 Millionen US-Dollar (US$) pro Jahr im Vergleich zu anderen Bundeszuschüssen, die unter anderem zur Überwindung der Coronakrise vergeben wurden, sehr gering. Auch scheinen die Kohle- und Kernkraftlobby im Kongress und Senat teilweise erheblichen politischen Widerstand gegen die Förderung alternativer Energiearten auszuüben. Das DOE sucht daher Kompromisse, nach denen die Kohleverstromung sauberer und die Kernkraft als Brückentechnologie, zum Beispiel als Stromlieferant zur Wasserstofferzeugung, genutzt werden können. Eine weitere Möglichkeit ist der Export von kleinen Kernreaktoren in Entwicklungs- und Schwellenländer.

    Klimawandel und Umweltkatastrophen, volatile Preise für Kohlenwasserstoffe sowie die hohen Gestehungs- und Nachfolgekosten für Kernenergie haben aber trotz der verbliebenen Widerstände die Tür für alternative Energiequellen in Konzernzentralen und Politik aufgestoßen. Selbst Ölgiganten wie BP geben sich in der Öffentlichkeit inzwischen betont umweltbewusst und investieren in erneuerbare Energien. Sie sehen Wasserstoff insbesondere als Langzeitspeicher für temporär überschüssigen Wind- und Solarstrom.

    Erstes Wasserstoffkraftwerk entsteht

    Aber auch als Beimischung zu Erdgas oder, im Zuge der fortschreitenden Technologieentwicklung, als alleiniger Energieträger bei der Stromgenerierung in Kraftwerken wird mit Wasserstoff geplant. In dieser Frage hat sich Utah einen Namen gemacht. So hat sich in diesem Bundesstaat die Green Hydrogen Coalition gegründet, an der die Projektentwickler für Solaranlagen 8minute und Intersect Power, der Gasversorger SoCalGas sowie das Los Angeles Department of Water and Power (LADWP) teilnehmen. Ziel der Koalition ist die Umstellung des Kohlekraftwerkes Intermountain Power von Kohle- auf Gasbefeuerung, wobei Wasserstoff in schrittweise steigenden Mengen Erdgas beigemischt wird. Der dafür benötigte Wasserstoff soll aus Solar- und Windstrom erzeugt und in unterirdischen Salzstöcken zwischengelagert werden, bevor er dem Kraftwerk zugeführt wird.  
     
    Das Kraftwerk soll ab 2025 zu 70 Prozent mit Erdgas und zu 30 Prozent mit grünem Wasserstoff betrieben werden. Ab 2045 soll es sogar mit 100 Prozent Wasserstoff operieren. Für den Kraftwerksbetreiber LADWP stehen dabei, neben dem Umweltaspekt, die perspektivisch sinkenden Betriebskosten im Vordergrund. Zur technischen Projektleitung hat der Kraftwerksbesitzer die Mitsubishi Hitachi Power Systems für 20 Jahre unter Vertrag genommen, die Erfahrungen in ähnlichen Vorhaben aus Japan und Südafrika mitbringt. Um über ausreichend karbonfreie Elektroenergie zu verfügen, muss die Solar- und Windkraftkapazität ausgebaut werden. Zudem müssen, zur Zwischenlagerung des Wasserstoffs, unteridirsche Salzstöcke ausgebaut werden.

     
    In einem ersten Schritt werden Solarfelder mit einer Gesamtkapazität von bis zu 500 MW bis 2023 eingerichtet. Zusätzlich werden Windkraftfelder von bis zu 1.500 MW, die in Wyoming entstehen, bis 2030 schrittweise zugeschaltet. Das für die Elektrolyse ebenfalls notwendige Wasser wird dem Fluß Sevier entnommen. Eine Entscheidung, welcher Hersteller die Elektrolysetechnologie zur Verfügung stellt, wurde zwar dem Vernehmen nach noch nicht gefällt. Doch kursieren in diesem Zusammenhang die Firmennamen Cummins, Nel ASA, ITM Power und auch Siemens. Die Gasturbinen für das Kraftwerk liefern entweder GE, Siemens oder Mitsubishi Hitachi Power Systems. Im Ergebnis werden die zwei Kohlekraftblöcke mit jeweils 840 MW auf Gasturbinen und -generatoren umgerüstet.

    Salzstöcke zur Wasserstoffspeicherung

    Die in Salzstöcken eingerichteten Zwischenspeicher für Wasserstoff sollen mit 160-MW Durchflussbatterien/Festoxid-Brennstoffzellen ausgestattet werden. Damit wurde das Unternehmen Magnum Development beauftragt. An der Entwicklung entsprechender Elektrolyse-Zellen arbeiten Bloom Energy sowie ein Forscherteam an der Universität von Tennessee, Knoxville. Technische Hilfe leistet auch das vom DOE finanzierte National Renewable Energy Laboratory (NREL).

    Wasserstoff aus Altpapier

    Eine weitere Großanlage zur Erzeugung von 11 Tonnen grünem Wasserstoff pro Tag entsteht im kalifornischen Lancaster. Das Projekt soll 2023 fertiggestellt sein. Dabei kommen laut den beiden Projektbetreibern, dem Unternehmen SGH2 (Solena Group) und der Stadtverwaltung Lancaster, Plasmaöfen zum Einsatz, die ursprünglich für den Bedarf der NASA entwickelt wurden. In diesen Öfen können bis zu 42.000 Tonnen pro Jahr Altpapier verfeuert werden. Die bei der Verbrennung gewonnene Energie soll zur Wasserstoffelektrolyse genutzt werden. Die Projektkosten werden mit 55 Millionen US$ angegeben.

    Von Ullrich Umann | Washington, D.C.

  • Kontaktadressen

    Bezeichnung

    Anmerkungen

    Germany Trade & Invest

    Außenhandelsinformationen für die deutsche Exportwirtschaft, auch Hinweise zu Ausschreibungen

    Exportinitiative Energie

    Informationen zu Veranstaltungen, Markt- und Länderinformationen

    Factsheets der Exportinitiative Energie

    Factsheets mit allgemeinen Energieinformationen zum Land (teilweise mit Technologie- oder Anwendungsfokus)

    AHK USA

    Anlaufstelle für deutsche Unternehmen

    U.S. Department of Energy (DOE)

    Energieministerium auf Bundesebene

    U.S. Energy Information Administration

    Behörde für Informationen zur Energiewirtschaft

    National Renewable Energy Laboratory

    Staatliche Einrichtung für Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energie

    Database of State Incentives for Renewables and Efficiency

    Datenbank zu öffentlichen Fördermitteln für erneuerbare Energien und Energieeffizienz

    American Council on Renewable Energy

    Amerikanische Vereinigung für erneuerbare Energie

    Alliance for Sustainable Energy

    Betreiber des National Renewable Energy Laboratory

    Fuel Cell and Hydrogen Energy Association

    Verband für Brennstoffzellen und Wasserstoffenergie

    Renewable Hydrogen Alliance

    Vereinigung für erneuerbaren Wasserstoff

    Hydrogen Council

    Rat für Wasserstoff

    Electric Power Conference & Exhibition

    Fachkongress und Ausstellung in Denver, Colorado

    Greentech Media

    Portal für grüne Technologien

    GreenFleet Magazine

    Fachzeitschrift

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