Wie man die Infrastruktur für die Produktion, den Transport, die Speicherung und die Verteilung von Wasserstoff aufbaut

Kohlenstoffarmer Wasserstoff kann eine wichtige Rolle bei der grünen Transformation spielen, zB als klimafreundliche Alternative zu Erdgas, als Rohstoff für die Chemie- und Düngemittelindustrie, als Kraftstoff für den Verkehr, als Schritt im Produktionsprozess von grünem Methan aus Biomasse oder als Mittel zur längerfristigen Speicherung von Strom. Damit kohlenstoffarmer Wasserstoff zu einer preislich wettbewerbsfähigen Alternative für herkömmliche Technologien und Energiequellen werden kann, muss zunächst ein ausreichend großer Markt für klimafreundlichen Wasserstoff geschaffen werden. Ein solcher Markt erfordert Infrastruktur und umgekehrt.

Zu den spezifischen Infrastrukturen für Wasserstoffmärkte gehören Produktionsanlagen wie Elektrolyse-Anlagen, Speicheranlagen wie Tanks, Transportinfrastrukturen wie Pipelines oder Entladestationen für Anhänger für den Straßentransport oder Schiffe mit geeigneten _H(2)-Tanks, Terminals zum Be- und Entladen von Wasserstoff in Häfen, aber auch Tankstellen, Betankungsstationen auf Flughäfen und Ähnliches.

Der Aufbau einer solchen Infrastruktur erfordert erhebliche Investitionen und wirtschaftliche Planbarkeit, einschließlich Rechtssicherheit für Investoren, Betreiber und Wasserstoffkunden. Rechtssicherheit erfordert wiederum ein Mindestmaß an Gesetzgebung und/oder Regulierung.

Im Falle von (grünem) Wasserstoff und seinen noch zu etablierenden Märkten ist jedoch mehr erforderlich, nämlich politische und finanzielle Unterstützung für die Anlaufphase dieser Märkte, einschließlich der genannten Infrastruktur. Regierungen und internationale Organisationen haben diese Notwendigkeit erkannt, machen ihre Unterstützung jedoch – aus verschiedenen Gründen, wie der Wahrung der Nichtdiskriminierung und Transparenz – auf noch von weitergehender Regulierung abhängig.

Im Folgenden wird auf die verschiedenen Rahmenbedingungen für den Aufbau einer H₂-Infrastruktur eingegangen.

A. Vergleich der politischen Strategien

Wasserstoffstrategie der EU anerkennt den Bedarf an mehr Infrastruktur

Die Wasserstoffstrategie der Europäischen Kommission für ein klimaneutrales Europa [1]   wurde im Juli 2020 verabschiedet. Bis zum ersten Quartal 2022 sollten alle 20 Aktionspunkte umgesetzt und abgeschlossen sein. Diese Maßnahmen zielten darauf ab, die Nachfrage nach und die Produktion von grünem Wasserstoff zu fördern. Sie unterstützt durch einen Rahmen für die EU-weite Planung der Infrastruktur für den Transport und die Betankung (einschließlich der transeuropäischen Netze/TEN). Schließlich legt sie Marktregeln fest, die im Zuge ohnehin notwendiger Gesetzesrevisionen umgesetzt werden sollen.

In seiner Strategischen Agenda 2024-2029 legt der Europäische Rat als Priorität für das Parlament und die Kommission fest, einen vorhersehbaren Rahmen zu schaffen und zwar für den Ausbau der europäischen Produktionskapazitäten für klimaneutrale Technologien und Produkte. Dies soll mit Investitionen in eine umfassende grenzüberschreitende Energieinfrastruktur sowie in Netze, Speicher und Verbindungen einhergehen.

[2] Die politischen Leitlinien von Ursula von der Leyen für die Europäische Kommission 2024-2029 versprechen ambitioniert ein Gesetz zur Beschleunigung der Dekarbonisierung der Industrie sowie Pläne für Investitionen in den Aufbau eines Wasserstoffnetzes. Die Kommission kündigte außerdem Pläne an, ihren Mechanismus zur Steuerung der Gesamtnachfrage von Erdgas auf Wasserstoff auszuweiten.  [3] Obwohl es sich hierbei lediglich um politische Ziele handelt, bieten diese Pläne für grenzüberschreitende Pipeline-Infrastrukturen in Europa Investoren ein Mindestmaß an Verlässlichkeit, dass die EU einen integrierten europaweiten Wasserstoffmarkt schafft.

Die 2023 veröffentlichte Strategie und Roadmap der EU legten konkrete Ziele, marktorientierte Messgrößen und konkrete Maßnahmen zur Erfolgsmessung in allen Sektoren fest. Eine behördenübergreifende Wasserstoff-Taskforce wurde eingerichtet, um einen gesamtstaatlichen Ansatz für sauberen Wasserstoff voranzutreiben.  [4]

Schaffung von Wasserstoffmärkten

Die Verordnung 2024/1798 über den Binnenmarkt für u. a. Wasserstoff sowie die Gasmarktrichtlinie 2024/1788 zielen darauf ab, die Entstehung gut funktionierender und transparenter Märkte mit einem hohen Maß an Versorgungssicherheit zu erleichtern. Dies erfordert eine Harmonisierung der Netzzugangsregeln für den grenzüberschreitenden Austausch von Wasserstoff. Die Mitgliedstaaten haben einen regulierten Zugang Dritter zu Wasserstoffnetzen auf Grundlage veröffentlichter Tarife zu gewährleisten, die objektiv und diskriminierungsfrei angewendet werden.

Wie auf den Strom-, Erdgas- oder Telekommunikationsmärkten müssen Netzbetreiber zunächst von der Produktion entflochten werden. Netzbetreiber erhalten Zugang zum Netz anderer Wasserstoffnetzbetreiber. Händler und Nutzer müssen diskriminierungsfreien Zugang zu diesen Netzen und bis 2026 auch zu Wasserstoffspeichern erhalten. Wie Elektrizitätsmarkt darf Zugang nur wegen mangelnder Kapazität oder fehlender Anbindung verweigert werden. Denn die Netznutzer müssen sich auf eine neutrale Kapazitätszuweisung und ein neutrales Engpassmanagement, Ausgleichsregeln und Ausgleichsabgaben sowie die Erleichterung des Kapazitätshandels verlassen können. Jeder EU-Mitgliedstaat erstellt einen integrierten Netzentwicklungs- und Finanzierungsplan, der auch Speicheranlagen und Bestimmungen zu Terminalbetreibern umfasst.

Die nächsten Jahre werden zeigen, ob sich ein Wasserstoffmarkt schneller entwickelt, wenn er von Anfang an streng geregelt ist, oder ob es sich um eine Überregulierung handelt  [5]  und zunächst ein traditioneller Markt mit vollständig integrierten Akteuren erforderlich ist, der erst in einem zweiten Schritt liberalisiert wird.

Als nächste Rechtsquelle zielt die RED III (Renewables Energy Directive 2023/2413) auf einen weiteren Aspekt ab, nämlich die Beschleunigung der Genehmigungsverfahren für Infrastrukturen und damit die Verringerung des Bewilligungsaufwands.

Die auf der Grundlage der RED III erlassenen delegierten Rechtsakte für RFNBO schließlich sehen (relativ) klare Regeln vor, wo und unter Verwendung welcher Stromerzeugungsanlagen Wasserstoffanlagen geplant werden müssen, um Herkunftsnachweise für den Handel und die Speicherung dieses Wasserstoffs zu erhalten.

In den Vereinigten Staaten: Fokus auf den Verkehrssektor, Pipelines und Sicherheit

In den Vereinigten Staaten wurde im Rahmen der National Clean Hydrogen Strategy and Roadmap  [6]  untersucht, wie sauberer Wasserstoff in verschiedenen Branchen zur Erreichung der nationalen Dekarbonisierungsziele beitragen kann. Als Reaktion auf den Infrastructure Investment and Jobs Act (Public Law 117-58), auch bekannt als Bipartisan Infrastructure Law (BIL), gibt er einen Überblick über die Wasserstofferzeugung, den Transport, die Speicherung und die Nutzung in den Vereinigten Staaten und präsentiert einen strategischen Rahmen für die groß angelegte Produktion und Nutzung sauberen Wasserstoffs.

Untersucht wurden Szenarien für 2030, 2040 und 2050. Bereits im Jahr 2022 begann das US-Energieministerium mit der Förderung von Zentren für sauberen Wasserstoff, Elektrolyse sowie Herstellung und Recycling, um die heimischen Lieferketten für sauberen Wasserstoff zu unterstützen. Sein langfristiges Ziel ist die Senkung der Kosten für sauberen Wasserstoff bis 2032 auf 1 USD/kg. [7]

B. Produktion von Wasserstoff

Den meisten Volkswirtschaften fehlen Produktionskapazitäten für kohlenstoffarmen Wasserstoff. Allein der Ersatz von grauem Wasserstoff durch kohlenstoffarmen Wasserstoff wird Jahre dauern – ganz zu schweigen von der Produktion ausreichender Mengen, um andere schmutzige Technologien zu ersetzen.

Hier zeigt sich ein Konflikt zwischen strategischen Zielen: Anlagen zur Wasserstofferzeugung, wie zB Elektrolyseure, sind auch große Verbraucher von Strom, der auch anderweitig genutzt werden könnte. Bevor sich ihre unterstützende Wirkung für die grüne Transformation bemerkbar macht, belastet die Elektrolyse die Stromnetze, die aufgrund der volatilen Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen ohnedies unter Druck stehen.

In der EU: Regulierung

Der Ansatz der EU lässt sich anhand der beiden delegierten Rechtsakte vom Februar 2023 erkennen: Sie schaffen zwar Rechtssicherheit für die Entwicklung von H₂-Produktionsanlagen, wenn der Wasserstoff als grün vermarktet werden soll. Gleichzeitig kennen die delegierten Rechtsakte zu RFNBO wenig Zurückhaltung bei strengen Anforderungen für die Einstufung von Wasserstoff als grün, darunter zum Produktionsort und dem zu verwendenden Stromnetz. Deren Ziel ist offensichtlich, eine Behinderung der Elektrifizierung anderer Sektoren durch die Wasserstoffproduktion zu vermeiden.

Die europäischen Regierungen konzentrieren sich trotzdem seit 2023 auf die Wasserstoffproduktion: In der ersten Hälfte des Jahres 2024 genehmigte die Europäische Kommission staatliche Beihilfen in Höhe von knapp 1 Mrd. EUR für Projekte in den Niederlanden, [8]  € 1,2 Mrd. EUR in Spanien, [9]  € 260 Mio. EUR in Deutschland, [10]  ähnliche Initiativen werden für Italien in Höhe von 450 Mio. EUR, [11]  in Portugal und anderen europäischen Ländern gemeldet. Die Ausschreibungen der Wasserstoffbank des Europäischen Innovationsfonds bieten umfangreiche Unterstützung für Investitionen in Wasserstoffinfrastrukturprojekte. [12]  Österreich beteiligte sich mit einer eigenen Fördertranche auf Basis der WasserstofförderungsG.

Strategien mit regionalem Fokus

In den USA, Großbritannien und anderen Ländern wird das Ziel der Förderung der Infrastruktur für die Wasserstofferzeugung mit einem anderen Ansatz verfolgt: dem Modell der Wasserregionen (hydrogen valleys) oder -zentren. [13] [13.1]   Dabei werden Investitionen in Infrastruktur und Marktentwicklung in einer bestimmten Region gebündelt und gefördert.

Die US-Regierung bewilligte im Oktober 2023 Fördermittel für Produktionsanlagen in sieben regionalen „Hubs” für sauberen Wasserstoff. Sie strebt an, private Investitionen in Höhe von mehr als 40 Milliarden US-Dollar einschließlich Infrastruktur zu mobilisieren. Es bleibt abzuwarten, inwieweit ob Trump-Regierung diese Strategie beendet. Die Europäische Kommission hat kürzlich finanzielle Unterstützung für neun Wasserstoff-„Täler“ genehmigt. In schnell wachsenden Volkswirtschaften wie Brasilien umfassen Wasserstoffzentren „Regionen“, in denen Industrien wie Düngemittel, Stahl und Metalle oder Petrochemie angesiedelt sind (siehe das Kapitel über Brasilien). Die Wasserstoffgesetze dieser Märkte decken daher alle Aspekte der Infrastruktur im Zusammenhang mit der Produktion, Verarbeitung, Speicherung, dem Transport, dem Verkauf und dem Export von kohlenstoffarmem Wasserstoff ab. Einige Regierungen konzipieren lediglich ein umfassendes Förderprogramm, wie beispielsweise die Tschechische Republik mit ihrem 2,5 Milliarden Euro schweren Programm zur Dekarbonisierung der Industrie und Österreich mit einem vergleichbaren Programm in Höhe von 2,7 Milliarden Euro.

Projekte in solchen Clustern oder Hubs können auch von beschleunigten Genehmigungsverfahren profitieren.

Standardisierung

Ein weiterer Ansatz ist die Standardisierung. Indien beispielsweise hat eine breit angelegte Initiative zur Standardisierung von grünem Wasserstoff gestartet. Indien hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, bis 2030 jährlich 5 Mio. t grünen Wasserstoff zu produzieren, was nach der EU und den USA das dritthöchste Ziel weltweit ist. Diese Initiative muss zwar vor dem Hintergrund einer spezifischen, zersplitterten Genehmigungsregelung in Indien gesehen werden, doch haben beispielsweise die USA zumindest für die Pipeline- und Speicherinfrastruktur einen vergleichbaren Ansatz gewählt (siehe Punkte B. und C. unten). In Indien sind für Projekte im Bereich grüner Wasserstoff insgesamt 73 Genehmigungen erforderlich (43 von der Landesregierung, 23 von zentralen Regierungsstellen und sieben von lokalen Behörden). Dabei handelt es sich um allgemeine und rechtliche Genehmigungen, beispielsweise für die Nutzung erneuerbarer Energien, den Brandschutz, die Kontrolle der Umweltverschmutzung, die Arbeitsbedingungen und die Zuweisung und Nutzung von Flächen. [14]   Die Standardisierung stellt natürlich eine enorme Vereinfachung dar.

C. Transport zum Verbraucher

Unabhängig davon, wo und wie Wasserstoff hergestellt wird, ist ein funktionierender Markt ohne eine angemessene Lieferinfrastruktur undenkbar. Sowohl in den USA als auch in der EU ist die Umwidmung von Erdgas- in Wasserstoffleitungen oder der Bau neuer Wasserstoffleitungen ein wichtiges politisches Ziel. Während in den Vereinigten Staaten die Sicherheit des Transports von Gas, einschließlich Wasserstoff, im Vordergrund steht, konzentriert sich Europa auf den Aufbau miteinander verbundener Wasserstoffnetze.

In den Vereinigten Staaten wurden Pipelines im Allgemeinen, aber auch für Wasserstoff, im Rahmen des „Protecting our Infrastructure of Pipelines and Enhancing Safety Act” von 2020 (PIPES Act von 2020) instand gehalten oder sogar ersetzt, mit dem historische Infrastrukturinvestitionen aus dem „Infrastructure Investment and Jobs Act” (IIJA) von 2021 umgesetzt wurden. Offiziellen Angaben zufolge werden fast zwei Drittel der in den USA verbrauchten Energie über Pipelines transportiert. Sowohl der Infrastructure Investment and Jobs Act als auch das BIL enthalten erhebliche Anreize für den Ausbau der Sektoren Wasserstoff und CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Speicherung (CCUS). Um die Risiken für die Sicherheit und die Umwelt zu mindern, die mit dem Ausbau dieser Pipeline-Infrastruktur verbundenen sind, wurden die Regeln für H2 und CO2 verschärft. Die Sicherheit beim Transport von Wasserstoff und anderen kryogenen Stoffen – per Lkw, Bahn, Flugzeug und Schiff – wurde ebenfalls durch ein Infrastrukturförderprogramm und Sicherheitsvorschriften verbessert. [15]

In der EU erhielten die innerstaatlichen Wasserstoffinfrastrukturen in Belgien, Deutschland (das „Kernnetz“) [16] , Italien und Dänemark staatliche Unterstützung 20 , ebenso wie ein Wasserstoffkorridor von Portugal über Spanien und Frankreich nach Deutschland. Ein weiteres Großprojekt ist der Bau einer nördlichen Wasserstoffroute von Finnland über Estland, Lettland, Litauen und Polen nach Deutschland. Das Wasserstoffpipeline-Projekt zwischen Italien, Österreich und Deutschland, das bis 2030 in Betrieb genommen werden soll (der „H2 Collector East“ [17]  als Teil der Wasserstoffregion „H2REAL“ [18] ), eine Anbindung an das europäische Wasserstoff-Backbone [19]  bis 2050 mit Verbindungen mindestens in die Slowakei und nach Slowenien), werden gefördert. Weitere Projekte gibt es zwischen Frankreich und Belgien, Dänemark und Deutschland, Norwegen und Deutschland sowie der Tschechischen Republik und Deutschland. Bulgarien plant eine Wasserstoffpipeline zwischen Thessaloniki in Griechenland und Sofia.

D. Was tun mit Wasserstoff, der nicht sofort verbraucht wird – die Frage der Speicherung

Wasserstoff ist nicht nur ein Kraftstoff oder Rohstoff, sondern kann auch als Energiespeicher genutzt werden. Eine Stärke von Wasserstoff liegt in seiner Fähigkeit, Energie über längere Zeiträume und in großen Mengen zu speichern. Die langfristige Speicherung von Wasserstoff ist in Ländern mit erheblichen saisonalen Schwankungen zwischen Strombedarf und erneuerbarer Stromerzeugung von Bedeutung. In Deutschland beispielsweise ist der Energiebedarf im Winter um 30 % höher als im Sommer, aber die derzeitigen erneuerbaren Energiequellen erzeugen im Winter etwa 50 % weniger Strom. Wasserstoff könnte daher im Sommer produziert werden, um den Bedarf im Winter zu decken. [20]  Aus diesem Grund sind Investitionen in Infrastrukturen für die großtechnische Speicherung zu geringen Kosten (im Vergleich zB zur kurzfristigen Speicherung in Batterien) erforderlich.

Wasserstoffspeicher können auch als Energieträger dienen, sodass E-Methanol, grünes Ammoniak und andere Wasserstoffderivate von ihren Produktionsstätten zu weit entfernten Kunden transportiert werden können. Dabei müssen Entwickler, Betreiber, Verbraucher und Regierungen die Frage klären, wo Wasserstoff (oder seine Derivate) gespeichert werden kann.

Nur wenige Länder verfügen über eine spezifische Regelung für Wasserstoffspeicherung. In den meisten Fällen wird die Speicherung zusammen mit dem Gasmarkt oder Gasinfrastruktur geregelt. Dabei müssen technische Besonderheiten und die Marktfähigkeit von Wasserstoff gewährleistet sein. Dazu gehören einfache Regeln für die Übertragung von Herkunftsnachweisen von erneuerbarem Strom auf den damit produzierten Wasserstoff und die Behandlung von Beimischungen mit anderem Wasserstoff, zB blauem Wasserstoff oder Erdgas.

Für den Ausbau des Sektors sind Genehmigungen erforderlich. In den USA wird das Problem erneut aus der Sicherheitsperspektive als Kernstück der Infrastrukturentwicklung angegangen: Sicherheitsvorschriften, Konsensnormen, Kodizes usw. aus der Vergangenheit sind für die künftige Nutzung von Wasserstoff möglicherweise nicht mehr ausreichend. Lokale/bundesstaatliche/föderalen Behörden widmen sich  gemeinsam mit Herstellern von Wasserstoffprodukten (zB Automobilindustrie), Normungs- und Standardisierungsorganisationen und Anwendern sich folgenden Themen:

• Identifizierung sicherheitsrelevanter Probleme im Zusammenhang mit der Herstellung und Nutzung von wasserstoffbetriebenen Systemen; und
• Entwicklung oder Aktualisierung und anschließende Validierung von Vorschriften und Normen für den sicheren Transport, die sichere Nutzung und Wartung von wasserstoffbetriebenen Systemen. [21]

Im Gegensatz dazu wendet das Vereinigte Königreich ein System zur Beherrschung der Gefahren bei schweren Unfällen (COMAH) an, das in mehreren Vorschriften statt in Normen festgelegt ist, u. a. für die Wasserstoffqualität, die Auslegung, den Bau und den Betrieb von Rohrleitungen, gefährliche Stoffe und den Transport von Wasserstoff. [22]

Daher muss der Bau der ersten Speicheranlagen wohl finanziell unterstützt werden. Wie bei Pipelines könnte die Umwidmung von Erdgasspeichern ein erster Schritt sein. Pionierprojekte finden sich in Dänemark, wo eine Wasserstoffspeicheranlage finanziert wird. Diese ist als „Green Hydrogen Hub“ in Nordjütland bekannt [23]  und kombinierte die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse mit einer langfristigen unterirdischen Speicherung in großen Salzkavernen. Weitere Projekten sind im Südwesten Frankreichs [24] , wo ebenfalls ein Netz aus Pipelines und Speichern für 2030 geplant ist. [25]  und in Österreich.

E.  Wie sieht es mit der Betankung aus?

Verkehr und industrielle Nutzung sind die beiden dominierenden Anwendungsfälle für Wasserstoff. Im Mobilitätsbereich bleibt jedoch zumindest in Europa der Mangel an Infrastruktur ein Hindernis.

Ende 2023 waren weltweit über 1.000 Wasserstofftankstellen in 35 Ländern in Betrieb. Die meisten davon befinden sich in China, Südkorea und Japan. Japan. [26]  Am Aufbau dieser Infrastruktur sind eine Reihe regionaler und globaler Unternehmen beteiligt, darunter H2 Mobility, Hynet, Shell, Linde, Air Liquide und Air Products.

Doch es muss noch viel mehr getan werden, wenn Wasserstoff als Kraftstoff für große Fahrzeuge wie Busse und Lkw oder als Zusatzkraftstoff für Flugzeuge eingesetzt werden soll. Selbstverständlich muss er auch entlang der am häufigsten befahrenen Strecken verfügbar sein. In Deutschland beispielsweise ist neben dem transeuropäischen Verkehrsnetz (TEN-V) und Industrie- und Logistikzentren auch der Ausbau des Tankstellennetzes in Großstädten mit einem starken Nutzfahrzeugsektor ein wichtiger Standortfaktor.

Eine Studie von McKinsey identifiziert beispielsweise mehrere wichtige Faktoren – vor allem physische Infrastruktur –, die bis 2050 umgesetzt werden müssen, um die zukünftige Wasserstoffwirtschaft zu ermöglichen. In einem optimistischen Szenario würden weltweit über 163.000 Tankstellen für Lkw benötigt, dazu ein Netz von mehr als 40.000 Kilometern Wasserstoffpipelines allein in Europa. [27]  All dies erfordert Regulierung oder Standardisierung.

In Europa gehörte Kroatien zu den ersten Staaten, die Tankstellen unterstützt haben. [28] [28.1]

Schließlich müssen technische Standards für Fahrzeuge und Tankpumpen (Größen, Druck, Temperatur, Brennstoffzellen [29] ) entwickelt werden. Eine Zusammenarbeit zwischen Tankstellenbetreibern und beispielsweise Herstellern von Gaskolbenkompressoren und/oder Kolbenkompressorkomponenten ist erforderlich.