Durchbrüche in der Wasserstofftechnologie: Was Anleger wissen müssen

Obwohl die Wasserstofftechnologie bereits seit längerer Zeit existiert, ist sie erst in jüngerer Zeit verstärkt als Hoffnungsträger für die Energiewende ins öffentliche Bewusstsein gerückt. Um jedoch eine bedeutende Rolle bei dieser Energiewende spielen zu können, bedarf es aus heutiger Perspektive weiterer Fortschritte.

Welche Entwicklungs- und Forschungsschwerpunkte die Branche aktuell setzt und welche Preise für grünen Wasserstoff einschlägige Studien prognostizieren, sind zentrale Fragen für Anleger, die in Aktien der Wasserstoffbranche investieren möchten. Dieser Artikel soll Ihnen daher einen Überblick über die aktuellen technologischen Entwicklungen im Bereich Wasserstoff bieten und diese Fragen umfassend beantworten.

Grundlagen der Wasserstofftechnik

Überblick über die verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff

Wasserstoff gilt als eine der Schlüsselkomponenten für den Übergang in eine saubere Energiezukunft. Wasserstoff kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, wobei jede Methode ihre eigenen technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Merkmale aufweist.

Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in die chemischen Elemente Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Stammt der verwendete Strom aus erneuerbaren Energiequellen, bezeichnen wir den gewonnenen Wasserstoff als „grünen Wasserstoff“. Dieses Verfahren gilt als besonders umweltfreundlich, da keine Treibhausgase entstehen.

Dampfreformierung

Die Dampfreformierung von Erdgas ist die derzeit am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von Wasserstoff. Dabei reagiert Erdgas unter hohem Druck und hoher Temperatur mit Wasserdampf zu Wasserstoff. Obwohl diese Methode effizient und kostengünstig ist, steht sie in der Kritik, da sie CO2-Emissionen verursacht und daher als nicht nachhaltig gilt.

Biologische Verfahren

Biologische Verfahren zur Wasserstofferzeugung nutzen lebende Organismen zur Wasserstoffproduktion. Diese Verfahren befinden sich größtenteils noch im Forschungs- oder Entwicklungsstadium, zeigen aber Potenzial für nachhaltige Produktionsprozesse ohne den Einsatz fossiler Brennstoffe.

Thermochemische Verfahren

Thermochemische Verfahren spalten Wasser mittels thermischer Energie (z.B. Sonnenenergie) in Wasserstoff und Sauerstoff. Sie haben ein hohes Wirkungsgradpotenzial, sind CO2-frei und bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten (z.B. solarthermische Kraftwerke). Sie befinden sich jedoch – wie auch die biologischen Verfahren – überwiegend noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Weitere Verfahren

• Photokatalytische Wasserspaltung: Nutzt Sonnenlicht zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Im Gegensatz zu thermochemischen Verfahren, bei denen Wärmeenergie zur Spaltung von Wasserstoff eingesetzt wird, wird hier direkt Lichtenergie genutzt.
• Membranverfahren: Trennt Wasserstoff von anderen Gasen (z.B. Erdgas) mit Hilfe von Membranen. Die Membran lässt nur Wasserstoffmoleküle durch, während andere Gase (z.B. Kohlendioxid) zurückgehalten werden. Das Membranverfahren wird z.B. in der Erdgasaufbereitung eingesetzt, um den Wasserstoffgehalt im Erdgas zu erhöhen.

Im Moment setzen viele Experten große Hoffnungen auf Fortschritte in der Elektrolyse-Technologie. Wenn es gelingt, die Kosten hier deutlich zu senken, könnte das dazu führen, dass Wasserstoff als umweltfreundliche Energiequelle in Zukunft weit verbreitet wird. Im Vergleich zu anderen Methoden wie thermischen oder biologischen Verfahren ist die Elektrolyse-Technologie am weitesten entwickelt.

Innerhalb der Elektrolyse gibt es drei Hauptverfahren:

• Alkalische Elektrolyse
• Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyse
• Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs)

Alkalische Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse ist eine ausgereifte Technologie. Sie wird seit den 1920er Jahren verwendet, insbesondere für die Wasserstoffproduktion in der Düngemittel- und Chlorindustrie. Im letzten Jahrhundert wurden in Ländern mit großen Wasserkraftressourcen (Kanada, Ägypten, Indien, Norwegen und Simbabwe) mehrere alkalische Elektrolyseure mit einer Kapazität von bis zu 165 Megawatt elektrisch (MWe) gebaut, obwohl fast alle von ihnen außer Betrieb genommen wurden, als sich in den 1970er Jahren die Erdgas- und Dampfreformierung zur Wasserstoffproduktion etablierte. Die alkalische Elektrolyse zeichnet sich durch vergleichsweise niedrige Kapitalkosten im Vergleich zu anderen Elektrolyseur-Technologien aus, da auf wertvolle Materialien verzichtet wird.

PEM-Elektrolyse

PEM-Elektrolyse-Systeme wurden erstmals in den 1960er Jahren von General Electric eingeführt, um einige der betrieblichen Nachteile alkalischer Elektrolyseure zu überwinden. Sie verwenden reines Wasser als Elektrolytlösung und vermeiden so die Rückgewinnung und Wiederverwendung der Kaliumhydroxid-Elektrolytlösung, die bei alkalischen Elektrolyseuren erforderlich ist.

PEMs sind relativ klein, was sie potenziell attraktiver als alkalische Elektrolyseure in dicht besiedelten städtischen Gebieten macht. Sie sind in der Lage, hochkomprimierten Wasserstoff für die dezentrale Erzeugung und Speicherung an Tankstellen zu erzeugen und bieten eine flexible Betriebsweise. So kann der Elektrolyseur bei entsprechender Auslegung der Anlage und der Leistungselektronik kurzzeitig überlastet werden.

Sie benötigen jedoch teure Elektrodenkatalysatoren (Platin, Iridium) und Membranmaterialien und haben derzeit eine geringere Lebensdauer als alkalische Elektrolyseure. Ihre Gesamtkosten sind derzeit höher als bei alkalischen Elektrolyseuren und sie sind weniger verbreitet.

Festoxid-Elektrolyse

Festoxid-Elektrolyseure (SOECs) sind die am wenigsten entwickelte Elektrolysetechnologie. Sie steht erst am Anfang ihrer Kommerzialisierung und wird von Unternehmen wie Bloom Energy vorangetrieben. SOECs verwenden Keramik als Elektrolyt und haben niedrige Materialkosten. Sie arbeiten bei hohen Temperaturen und mit einem hohen elektrischen Wirkungsgrad.

Da sie Dampf für die Elektrolyse verwenden, benötigen sie eine Wärmequelle. Würde der erzeugte Wasserstoff zur Herstellung synthetischer Kohlenwasserstoffe verwendet, könnte die Abwärme dieser Syntheseprozesse zur Erzeugung von Dampf für eine weitere SOEC-Elektrolyse zurückgewonnen werden. Auch Kernkraftwerke, solarthermische oder geothermische Heizsysteme könnten Wärmequellen für die Hochtemperaturelektrolyse sein.

Im Gegensatz zu alkalischen und PEM-Elektrolyseuren ist es möglich, einen SOEC-Elektrolyseur im Umkehrbetrieb als Brennstoffzelle zu betreiben, Wasserstoff wieder in Elektrizität umzuwandeln und somit in Kombination mit Wasserstoffspeichern Ausgleichsleistungen für das Netz zu erbringen. Dies würde den Gesamtnutzungsgrad der Anlage erhöhen.

Es ist auch möglich, einen SOEC-Elektrolyseur für die Co-Elektrolyse von Wasserdampf und Kohlendioxid zu verwenden, um ein Gasgemisch (Kohlenmonoxid und Wasserstoff) für die anschließende Umwandlung in einen synthetischen Kraftstoff zu erzeugen. Eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung von SOEC-Elektrolyseuren ist die Beherrschung der Materialdegradation, die durch die hohen Betriebstemperaturen verursacht wird.

Fortschritte bei der Wasserstofferzeugung

Neue Entwicklungen in der Elektrolysetechnik

Verbesserungen in der Materialwissenschaft und im Design von Elektrolyseuren haben bereits zu erheblichen Leistungssteigerungen geführt. Moderne Elektrolyseure können heute höhere Stromdichten verarbeiten, was die Wasserstoffproduktion pro Einheit erhöht, ohne die Lebensdauer der Anlagen zu beeinträchtigen.

Ein weiterer Schlüssel zur Kostensenkung ist die Skalierung der Produktion. Größere und effizientere Elektrolyseanlagen senken die Kosten pro produzierter Wasserstoffeinheit. Darüber hinaus hat der zunehmende Wettbewerb in der Branche zu einer Beschleunigung der technologischen Entwicklung und damit zu weiteren Kostensenkungen geführt.

Nutzung erneuerbarer Energien zur Wasserstofferzeugung

Ein weiterer Faktor, der die Kosten beeinflusst, ist der Preis für elektrische Energie, insbesondere aus erneuerbaren Quellen. Die Integration von Elektrolyseuren in erneuerbare Energiesysteme wie Wind- und Solarenergie ermöglicht die Nutzung von überschüssigem Strom für die Wasserstoffproduktion und hat bereits zu einer Senkung der Betriebskosten geführt. Projekte, die diese Integration vorantreiben, gewinnen daher weltweit an Bedeutung.

Weitere Herausforderungen

• Entwicklung neuer Materialien: Die Entwicklung neuer Materialien mit höherer Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit kann die Effizienz und Lebensdauer von Elektrolyseuren weiter verbessern.
• Speicherung: Die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Speichertechnologien für Wasserstoff ist ebenfalls notwendig.
• Ausbau der Infrastruktur: Der Ausbau der Infrastruktur zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff muss vorangetrieben werden.

Marktperspektiven

Kostenentwicklung und Konkurrenzfähigkeit

Die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff sind ein wesentlicher Faktor für die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen. Wie oben beschrieben, ist in den letzten Jahren bereits eine deutliche Kostensenkung zu beobachten. Diese reichen aber derzeit noch nicht aus, um tatsächlich bereits konkurrenzfähig zu sein.

Eine sich abzeichnende Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff könnte nicht nur die Energiewirtschaft revolutionieren, sondern auch erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Industriezweige haben, von der Mobilität über die Stahlproduktion bis hin zur chemischen Industrie.

Aktuelle Kosten von grünem Wasserstoff

Doch von welchen konkreten Kosten für grünen Wasserstoff sprechen wir eigentlich? Was ist der aktuelle Stand und was ist das Ziel, das grünen Wasserstoff wettbewerbsfähig machen würde? Wann wird dieses Ziel erreicht sein?

Die derzeitigen Kosten für grünen Wasserstoff variieren stark je nach Produktionsmethode, Standort, Anlagenkapazität und anderen Faktoren. Derzeit liegen die Kosten häufig zwischen 3 und 6 Euro pro Kilogramm, können aber auch Preise von über 10 Euro erreichen.

Laut Dr. Christoph Hank, Hauptautor einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE vom September 2023, sind die Produktionskosten derzeit „nirgendwo so niedrig wie in Brasilien, Australien und im Norden Kolumbiens. Zwischen 96 und 108 Euro kostet dort die Produktion einer Megawattstunde grünen Wasserstoffs, das sind rund 3,20 bis 3,60 Euro pro Kilogramm“.

Doch die Produktionskosten sind nur eine Seite der Medaille, wenn es um die Preisgestaltung geht. Denn der Wasserstoffpreis ergibt sich auch aus Angebot und Nachfrage auf den Energiemärkten, die sich täglich ändern. Die Zeitschrift „Energie & Management“ informiert hierzu regelmäßig über einen interessanten Wasserstoffpreisindex, der in Zusammenarbeit mit Enervis Energy Advisors erstellt wurde.

So lagen die Gestehungskosten für grünen Wasserstoff im Zeitraum 26.2. bis 8.3.2024 im Wochenmittel bei 5,42 Euro pro Kilogramm und bewegten sich in einer Bandbreite von 3,87 Euro bis 6,36 Euro pro Kilogramm. Zum Vergleich: Grauer Wasserstoff wurde im gleichen Zeitraum zwischen 2,06 und 2,31 Euro pro Kilogramm gehandelt. Die Produktionskosten für grauen Wasserstoff lagen in den letzten Jahren im Bereich von 1-3 USD pro Kilogramm.

Erwartete Kosten für grünen Wasserstoff

Aus den oben genannten Zahlen geht hervor, dass grüner Wasserstoff derzeit noch mindestens doppelt so teuer ist wie sein graues Pendant. Experten schätzen jedoch, dass die Kosten für grünen Wasserstoff bis 2050 auf 1 bis 2,5 €/kg sinken könnten. Damit könnte grüner Wasserstoff langfristig sogar zu einem der günstigsten Energieträger überhaupt werden.

Aber auch hier gilt: Niedrige Kosten sind vor allem an Standorten erreichbar, die besonders gute Bedingungen für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien bieten. Wichtige Studien beziffern die zu erwartenden Preise für grünen Wasserstoff im Jahr 2030 wie folgt:

• International Energy Agency (IEA): 1,6-2,3 USD/kg bis 2030
• Hydrogen Council: unter 2,5 USD/kg bis 2030 (50% der weltweiten Wasserstoffproduktion)
• BloombergNEF: 1,80-4 USD/kg bis 2030

Bemerkenswert ist auch die Kostensenkung bei Brennstoffzellen, die vor allem auf Innovationen in der Materialwissenschaft und auf effizientere Produktionsverfahren zurückzuführen ist. Diese Entwicklungen verbessern die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellen für ein breites Spektrum von Anwendungen, von der Mobilität bis zur stationären Energieversorgung.

Dennoch bleibt die Herausforderung, die Kosten weiter zu senken, um die volle Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen. Subventionen, staatliche Förderprogramme und internationale Kooperationen spielen eine wichtige Rolle bei der Unterstützung von Forschung und Entwicklung sowie der Markteinführung von Wasserstofftechnologien.

Investitionschancen und -risiken

In den Jahren 2020 und 2021 haben Wasserstoffaktien an den Börsen eine steile Kursrallye hingelegt. Sie katapultierte beispielsweise den norwegischen Elektrolysespezialisten Nel ASA zwischenzeitlich auf ein Kursniveau von 3,30 Euro. Im März 2024 notierte das gleiche Papier nur noch bei 40 Cent. Bei den Anlegern ist eine spürbare Ernüchterung eingetreten. Woran liegt das?

Nel Aktie Chart

Aus meiner Sicht gibt es zwei wesentliche Gründe für diese Entwicklung:

1. Der Hype hat viel zu früh eingesetzt. Derzeit befinden sich viele (Groß-)Projekte noch in der Entwicklung und werden erst im Zeitraum 2024-2029 in Betrieb gehen. Erst dann können auch entsprechende Umsätze sichtbar werden, die die hohen Aktienbewertungen auch rechtfertigen. Generell gilt 2030 als eine Art „Schwellenjahr“. Ab dann könnte grüner Wasserstoff billiger werden als grauer.
2. Wir erleben derzeit einen Run auf Tech-Aktien durch den KI-Boom. In diesem Segment tummeln sich aber Konzerne wie Nvidia, Microsoft, Alphabet und Meta Platforms, die bereits über ein funktionierendes Geschäftsmodell mit riesigen Umsätzen verfügen. Natürlich schichten viele Investoren hier um, weil sich mit diesen Aktien kurz- und mittelfristig sehr gute Renditen erzielen lassen.

Ich bin aber zuversichtlich, dass spätestens in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts der große Hype um Wasserstoffaktien wieder aufflammen wird. Dafür ist das Marktpotenzial einfach zu groß. Und je mehr Projekte realisiert werden, je günstiger grüner Wasserstoff wird, desto mehr wird das Interesse an der Technologie wieder wachsen – auch auf Investorenseite. Unternehmen, die technologische Durchbrüche erzielen oder kostengünstige Lösungen anbieten können, werden dabei besonders im Fokus stehen.

Risiken

Die Risiken umfassen technologische Herausforderungen, die Notwendigkeit weiterer Kostensenkungen und die Abhängigkeit von politischen Rahmenbedingungen und Förderungen. Zudem ist der Sektor von der Entwicklung der globalen Energiemärkte und der Preisgestaltung für erneuerbare Energien abhängig. Sprich: Der Zeitfaktor ist entscheidend. Werden die technologischen Durchbrüche früher oder später erreicht? Wann genau fällt der Preis für ein Kilogramm grünen Wasserstoff unter wichtige Marken wie 3 USD oder 2 USD?

Für Aktienanleger ist es daher entscheidend, sowohl die technologischen Entwicklungen als auch die Marktbedingungen genau zu beobachten. Die Bewertung von Unternehmen erfordert ein tieferes Verständnis der spezifischen Technologien, der Marktposition und der finanziellen Stabilität der Akteure.

Fazit

Die Fortschritte in der Wasserstoffproduktion, vor allem durch verbesserte Elektrolyseverfahren und die Einbindung erneuerbarer Energiequellen, verdeutlichen das Potenzial von grünem Wasserstoff als umweltfreundlicher Energieträger. Der Wasserstoffsektor bietet Investoren beträchtliche Chancen, aber auch Risiken. Die dynamische technologische Entwicklung, politische Unterstützung durch Förderprogramme und eine wachsende Marktnachfrage sind positive Anzeichen für das Wachstumspotenzial des Sektors.

Obwohl die Rolle von Wasserstoff in der globalen Energieversorgung noch in den Kinderschuhen steckt, deutet die zunehmende Akzeptanz und Nutzung von Wasserstofftechnologien auf einen Wandel zu einer vielfältigeren und nachhaltigeren Energiezukunft hin. Unternehmen, die an der Spitze dieser Entwicklung stehen, bieten Investoren, die in die Energiezukunft investieren wollen, nach wie vor eine vielversprechende Chance.