Elektrolyseure für die Wasserstoff­revolution

Nickel und Platin: Indonesien und Südafrika sind (k)eine Alternative zu Russland und China

Für AEL-Anlagen werden keine seltenen Metalle benötigt; lediglich Nickel und (nickel­beschichteter) Edelstahl müssen näher be­trachtet werden. Zwar sind Nickelvorkom­men weder selten noch geographisch kon­zentriert, die Versorgung mit Nickel ist aber problem­behaftet. Bislang stammen zwi­schen 35 und knapp 50 Prozent der Importe nach Deutsch­land bzw. in die gesamte EU aus Russland, gemessen am Handelswert oder Gewicht. Russ­land nimmt weltweit den vier­ten Rang bei den Nickelreserven ein und ist daher ebenfalls ein relevanter Akteur sowohl für unraffinierten als auch für raffi­nierten Nickel (vgl. Grafik).

Andere Länder wie Indo­nesien (22 %), die Philippinen (5 %) und Australien (22 %) ver­fügen zusam­men über fast die Hälfte der glo­balen Nickelreserven und weisen einen ähn­lichen Anteil bei der globalen Bergwerk­förderung von Nickelerzen auf. Sie stellen somit eine Alter­native zu Russ­land dar. Allerdings hat Indonesien 2020 einen Ex­port­stopp für Nickel­erze be­schlos­sen, um die Wertschöpfung im eige­nen Land zu halten – was für die EU An­lass war für eine Beschwerde bei der Welt­handels­orga­ni­sation. Andererseits decken Aust­raliens Raffinierungskapazitäten gerade einmal 7 Prozent des globalen Marktes.

Insbesondere im Verhüt­tungswesen, einer wichtigen Vorstufe zur Raffination, und im Raffinierungswesen ist trotz indo­ne­sischer (und längerfristig philippinischer) Ambitionen China ein Schlüssel­akteur: Das Land hat zwar keine großen Nickelreserven, stellt aber laut Schät­zungen über drei Viertel der Schmelzöfen für die Verhüttung sowie ein Drittel der welt­weiten Raffinadepro­duktion. Unter den aktuellen Bedingungen müsste die EU also entweder bereits ver­hütte­ten Nickel aus Indonesien erwerben und dabei mit China konkurrieren oder bei­spielsweise von Australien und den Philippinen Nickel­erze beziehen, die aber bislang weitest­gehend in China ver­hüttet werden. – Kos­ten und Risiken einer Loslösung aus der Ab­hän­gigkeit von Russland sind signifikant.

Deutlich schwieriger noch ist die Lage bei PEM-Elektrolyseuren. Hier basiert die Kathode meist auf Platin und die Anode auf Iridium – zwei der seltensten, emissionsreichsten und teuersten Metalle. Sie gehö­ren zu den Platingruppen­metallen (PGM). Für Iridium in PEM-Elektrolyseuren sind keine Alternativen bekannt. Europas Im­port­abhängigkeit für Platin liegt bei 98, dieje­nige für Iridium bei 100 Prozent.

Die Vorkommen sind stark in Süd­afrika konzentriert, das Land ist der welt­weit größte Platin- und Iridium­lieferant (vgl. Grafik). Die derzei­ti­gen Abbau­raten von Iridium und Platin reichen vor­aussichtlich nur, um die PEM-Elektro­lyse­-Kapa­zitäten jähr­lich um 3 bis 7,5 GW zu er­höhen. Es wird aber er­wartet, dass der Bedarf bis 2030 massiv steigt. Dies würde eine enorme Zu­nahme der Minenaktivität bedeuten.

Versorgungsschwierigkeiten für Iridium ergeben sich nicht primär aus der geologischen Knappheit, sondern aus den sozialen und ökonomischen Voraussetzungen für die zu steigernde Exploration. 2013 etwa führ­ten blutig niedergeschlagene Pro­teste gegen die Arbeitsbedingungen in süd­afri­ka­nischen Platinminen zu einem zeit­wei­li­gen Exportstopp und hohen Preisspitzen.

Russland ist mit 13 Prozent der zweit­wich­tigste Platinlieferant weltweit – und ebenso für Europa. Die Ent­koppe­lung von Russland wird Europas Import­abhän­gig­keit von Süd­afrika mithin weiter ver­festigen. Eine echte Diver­sifizierung scheint un­mög­lich, denn Süd­afrika verfügt mit 90 Prozent auch über die mit Abstand größ­ten Reser­ven an PGM. Sta­bile Abbauländer wie die USA oder Kanada werden wiederum selbst einen Nach­frage­anstieg zu verzeichnen haben – na­ment­lich Firmen aus den USA setzen auf die Pro­duktion von PEM-Elektro­ly­seuren. Um ihren eigenen steigenden Be­darf an PGM zu decken, versuchen die USA, mit­hilfe des Defense Produc­tion Act die heimische Pro­duktion zu fördern, um einer sich abzeichnenden Importabhängigkeit vorzubeugen. Die USA könnten also als be­ste­hen­der Liefe­rant am Weltmarkt (Platin: 2 %) ausfallen.

Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass die Probleme hinsichtlich der Diver­si­fizierung der Nickelversorgung weg von Russ­land erheblich, aber trotz allem lös­bar sind. Allerdings wächst damit die Abhängig­keit Europas von der Nickel-Verhüt­tung in China sowie von PGM aus Südafrika.

Abhängigkeiten bei kritischen Komponenten für PEM‑Anlagen

Für die Produktion von AEL-Anlagen gibt es keine Komponenten, die im Hinblick auf die Ver­sor­gungssicherheit Probleme berei­ten. Sämt­liche Komponenten sind Standard­materialien in der Industrie und können von innerhalb Europas bezogen werden.

Die Lieferketten bei PEM-Elektrolyseuren weisen zwar Ähnlichkeiten mit denjenigen von AEL-Anlagen auf, jedoch bestehen bei Kom­ponenten für die Herstellung von PEM-Elektrolyseuren durchaus Abhängigkeiten, und zwar vor­wiegend von den USA, Japan und dem Vereinigten König­reich (VK) (vgl. Grafik). Sie stellen voraus­sichtlich kein geopolitisches Risiko dar; wohl aber kann die Marktkonzentra­tion Preis­risiken und logistische Abhängigkeiten verursachen.

Insbesondere drei Komponenten für die Herstellung von PEM-Elektrolyseuren wer­den als besonders kritisch erachtet: Poly­mer-Elek­trolyt-Membranen, Trägerkatalysatoren und die Membran-Elektroden-Einheit.

Polymer-Elektrolyt-Membranen ersetzen den flüssigen Elektrolyten, wie er in AEL-Modellen vor­kommt, und sind entscheidend für die Leistung von PEM-Elektroly­seuren und die Reinheit des Wasserstoffs. Zwar gibt es in Europa einen Produzenten für das Memb­ran­rohmaterial, weshalb die Abhängigkeiten gering gehalten werden können; die Membranen selbst müssen aber aus dem VK, den USA oder Japan importiert werden. Dadurch können diese drei Länder ihre beste­henden Vorteile in Technologie und Skalie­rung aufrechterhalten.

Trägerkatalysatoren in PEM-Elektroly­seuren verstärken die elektrochemischen Reaktionen der Zelle. Zwei der führenden Unternehmen auf diesem Markt sind in der EU bzw. dem VK beheimatet, das dritte in Japan. Auch hier gilt: Technologie­vor­sprung stellt eine große Eintritts­barriere für andere dar.

Die Membran-Elektroden-Einheit, ein opti­mal aufeinander abgestimmter und zu­sam­mengesetzter Stapel von Protonen-Aus­tausch-Membranen, Katalysatoren und Elek­troden, ist essentiell für die Leistung von PEM-Elek­tro­lyseuren. Einer der führen­den Produzenten hat seinen Sitz im VK; Hersteller in China arbeiten jedoch ebenfalls an Manu­fakturkapazitäten.

Europa mit starker Position, aber Skalierungshindernissen

Die (fehlenden) Produktionskapazitäten für Elektrolyseure sind ein weiterer Hindernisfaktor für die Reali­sie­rung der Vorhaben der EU. Allein um die Ziele des REPowerEU-Plans hinsichtlich heimischer Wasserstoffproduktion zu erreichen, wer­den laut Euro­päischer Kommission 120 GW an Elektrolyse­kapazi­tät benötigt – die in der EU in­stal­lierte Kapazität lag 2021 aber gerade einmal bei 0,135 GW und die welt­weite Manufaktur­kapazität betrug 2020 nur etwa 2 GW pro Jahr. Bereits bis 2030 sind zwar 118 GW Elektrolysekapazität in der EU angekündigt (73 GW davon in Spanien), finale Investitions­entscheidungen stehen allerdings meist noch aus. Von den 750 Pilotprojekten im Rahmen der Clean Hydro­gen Alliance be­tref­fen lediglich 64 die Elektrolyseurproduk­tion.

Europa kann schon heute auf heimische Elek­trolyseurhersteller mit Expertise in allen technologischen Varianten verweisen. Dies umfasst gleichermaßen große indus­trielle Player, wie thyssenkrupp und Siemens, sowie kleinere Unternehmen, die sich häu­fig auf noch unausgereifte Ver­fah­ren kon­zentrieren. Derzeit liegen 60 Pro­zent der weltweiten Produk­tions­kapazität für Elek­tro­lyseure und 40 Prozent des Elektro­ly­seur­bestandes in der EU; auch mit etwa 40 Pro­zent der relevanten Patente ist sie vorn dabei. Insbesondere bei den PEM-Modellen ist ihre Technologieführer­schaft aus­geprägt.

Elektrolyseurhersteller beklagen indes, dass Abnehmer bislang kaum verbind­liche Investitionsentscheidungen getroffen haben und somit keine Produktionskapa­zitäten aufgebaut werden können – die Abnehmer bemängeln ihrerseits die hohen rechtlichen Anforderungen in den Entwür­fen des dele­gierten Rechtsaktes der EK. Die­ser ist maß­geblich für die Definition von grünem Wasserstoff und die für seine Pro­duktion geforderten Bedingungen.

Der ursprüngliche Entwurf verlangte, erstens, »Zusätzlich­keit«: Ab Ende 2026 sollte für die Elektrolyse nur noch Strom aus neu erbauten und nicht subventionierten Solar- und Wind­parks verwendet wer­den. Zweitens sah er räum­liche und zeit­liche Kor­relation vor: Ein Elek­trolyseur sollte ab 2027 nur solchen Strom nutzen dürfen, der in derselben Stunde und in derselben Strom­gebotszone von An­lagen erzeugt wird, die mit dem Elektrolyseur direkt verbunden sind. Diese strikte Regulierung stand aber der Tatsache gegen­über, dass Elektrolyseure mindestens 4.000 Stun­den im Jahr betrie­ben werden müssen, um kosteneffizient zu produzieren. Aus diesem Grund hat das Europäische Parlament mit seiner jüngsten Abstimmung diesen beiden strengen Regeln eine Absage erteilt. Für einen schnellen Markt­hochlauf bedarf es aber weiterer Dis­kussionen und wegweisen­der Entscheidungen, angefangen mit der Definition von sauberem Wasserstoff.

China auf dem Weg zur Markt­führerschaft

Neben regulatorischen Hindernissen sieht sich die europäische Elektrolyseurindus­trie auch mit anderen Konkurrenten konfrontiert – allen voran China. Zur­zeit hält die Volksrepublik etwa 35 Prozent der welt­weiten Produktionskapazität für Elektrolyseure. Obwohl dies unter derjenigen Euro­pas liegt, ist China bereits zum weltgrößten Her­steller von Elektrolyseuren geworden. Dafür sorgen vor allem deut­lich niedri­gere Kosten: Sie betragen trotz zu­neh­mend ähn­licher Effizienz und Qua­li­tät der An­lagen nur ein Fünftel der Kosten europäischer Modelle. Chinas Fokus lag bis­her auf AEL-Anlagen, für die es die Hälfte der glo­balen Produktion stellt.

Die Tendenz ist weiter steigend: Für das Jahr 2022 wird von einer Verfünf­fachung der chinesischen Manufakturkapazität auf 2,5 GW jährlich ausgegangen. Diese Ent­wicklung treiben Staat und Industrie aktiv voran. Der 14. Fünfjahresplan Chi­nas (2021–2025) erklärt die Wasserstoffindustrie zu einer von sechs industriellen Prio­ri­täten. Führende Hersteller von Solaranlagen eben­so wie Staatsunternehmen sind in den Markt eingestiegen und verfolgen die gleiche Stra­tegie, die bereits in anderen Sek­toren wie der Solarbranche in die Markt­domi­nanz mündete: massive Skalierung der Produk­tion, damit verbundene Senkung der Stück­kosten und rasche Weiterentwicklung der Technologie. Bislang hat China nur den hei­mischen Markt versorgt; zuneh­mend stellt sich die Industrie jedoch auch (zu höhe­ren Preisen) auf internationale Kunden ein – zum Beispiel in den arabi­schen Golf­staaten.

Globaler Wettbewerb um Markt­anteile … und Elektrolyseure

Ob die europäische Elektrolyseurindustrie dasselbe Schicksal wie die einstmalige hei­mische Solarindustrie erfährt, bleibt eine offene Frage, denn die Branchen unterschei­den sich deutlich: Modulare Solaranlagen sind kleinteilig und im Nachhinein gut transportabel, ihre Herstellung standardisiert. Im Gegensatz dazu sind Elek­troly­seure klobigere Anlagen. Überdies dominier­ten die europäische Solarindustrie hauptsächlich junge Unternehmen, wäh­rend es in der Elektrolyse oft europäische multi­nationale Konzerne sind. In jedem Fall aber zeigt der Aufstieg Chinas zum führenden Produ­zen­ten von AEL-Anlagen, dass Europas technologischer Vor­sprung mehr und mehr dahinschmilzt. Selbst in der PEM-Technologie fasst China allmählich Fuß. Auch die USA sind zuneh­mend an die­sem Markt inter­essiert und ein ernst­hafter Kon­kurrent für PEM-Elektro­lyseure geworden.

Elektrolyseure selbst könnten sich also als globaler Flaschenhals herausstellen. Trotz der erwarteten fünffachen Steigerung der europäischen Produktionskapazitäten bis 2023 werden diese voraussichtlich nicht ausreichen, um die europäischen Ambitionen zu erfüllen. Die Verwirklichung der EU-Pläne würde einen für Energietechnologien beispiellosen Fort­schritt in der Produk­tion und Installation von Elektrolyseuren erforderlich machen – was vermutlich nur mit einer zentralen Steuerung von Ressour­cen wie in Kriegszeiten möglich wäre. Dem­entsprechend wahr­scheinlich ist es, dass Europa auf die wachsende chinesische Elek­trolyseurindustrie zurückgreifen muss – neue Abhängigkeiten inbegriffen.

Wohlgemerkt zielt REPowerEU nicht nur darauf ab, grünen Was­serstoff in der EU her­zustellen, sondern ebenso auf den Im­port derselben Menge – für deren Herstel­lung wiederum Elek­tro­lyseure gebraucht wer­den. Das par­allele Hochfahren von Im­por­ten und hei­mischer Produktion könnte dem­nach, bedingt durch die begrenz­ten Kapa­zi­täten, einen Zielkonflikt herauf­beschwören. Zu­dem exis­tieren auch außer­halb Europas Pläne für die Was­serstoff­pro­duktion und ‑nut­zung. China selbst zielt mit der China Hydrogen Alli­ance auf eine ähn­liche Größenordnung ab wie die EK: 100 GW bis 2030. Je nach Geschwindigkeit des (glo­ba­len) Ausbaus der Produktionskapazitäten für Elektrolyseure bergen also die hohen Installationsziele die Gefahr, neue Abhän­gig­keiten zu schaffen und / oder die Preise für Elektrolyseure massiv nach oben zu treiben.