Anwendungsmöglichkeiten von grünem Wasserstoff in Brasilien

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Seit den durch den Krieg zwischen Russland und der Ukraine ausgelösten Spannungen hat die Sicherheit der Energieversorgung von Ländern, die in hohem Maße von der Einfuhr fossiler Brennstoffe abhängig sind, in der strategischen Planungsagenda des Energiesektors an Bedeutung gewonnen. Die Kürzungen der russischen Gaslieferungen und die Entscheidung der Organisation Erdölexportierender Länder (OPEC) über die Verringerung des Ölangebots führten zu einem Anstieg der Energiepreise.

In dieser veränderten Weltlage haben die Mitgliedstaaten der Europäischen Union vorrangig Maßnahmen zur Verringerung der Abhängigkeit von Importen aus Russland ergriffen und gleichzeitig strategische Initiativen zur beschleunigten Diversifizierung der Energiematrix hin zu erneuerbaren Energiequellen festgelegt. Die Hauptziele der neuen Energiepolitik lassen sich wie folgt zusammenfassen: Vermeidung von Energieengpässen, die drastische Rationierungsmaßnahmen erfordern würden; Abschwächung der Auswirkungen der hohen Energiepreise, die für die hohen Inflationsraten verantwortlich sind; und höchste Priorität für den Ausbau der erneuerbaren Energien in der Energiematrix.

Ausgehend von diesem letzten strategischen Ziel wird kohlenstoffarmer Wasserstoff als die konsequenteste Alternative zur Verringerung des Verbrauchs von Kohle, Öl und Gas angesehen. Die Schaffung eines Weltmarktes für diesen neuen Rohstoff wird große Investitionen erfordern. In diesem Sinne eröffnen sich Chancen für Länder, die Wettbewerbsvorteile in Bezug auf erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind haben.

Brasilien eignet sich als ausgezeichnetes Beispiel, weil es hervorragende Bedingungen bietet, um weltweit ein großer Produzent von grünem Wasserstoff (H2V) zu werden. Zum einen geht es hier um die Dekarbonisierung der schwer zu elektrifizierenden Industriesektoren, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung von H2V als Input in der Düngemittel-, Stahl-, Zement- und petrochemischen Industrie liegt. Zum zweiten geht es um die Nutzung des Produktionspotenzials von Solar- und Windenergie, die Förderung der Entwicklung von Technologien im brasilianischen Elektrizitätssektor (SEB) und die Suche nach einer höheren Energieeffizienz, die zu einer Senkung der H2V-Produktionskosten führt. Drittens besteht die konkrete Möglichkeit, dass Brasilien eine Wertschöpfungskette für die H2V-Produktion aufbaut, analog zur Autoteileindustrie, die sich in Brasilien seit dem Zielplan 1955 entwickelt hat. Die Ausbildung qualifizierter Arbeitskräfte mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Qualifikationen ist ein wichtiger Faktor angesichts der demografischen Dimension Brasiliens und der Möglichkeit, dass Brasilien mittelfristig zu einem großen Exporteur von Wasserstoff in Länder mit einem geringeren Produktionspotenzial (e.g., EU-Länder) wird. Diese Möglichkeiten sind Gegenstand der Analyse des vorliegenden Artikels.

Mehrere Branchen streben eine Dekarbonisierung durch den Einsatz von H2V und von kohlenstoffarmen Technologien an, deren Einsatz je nach Sektor variieren kann. Als Beispiel kann man die Düngemittel- und Raffinationsindustrie anführen, die bereits heute in großem Umfang grauen Wasserstoff verbrauchen. Andere Sektoren, die ein großes Potenzial für den Einsatz von sauberem Wasserstoff haben, sind diejenigen, die Erdgas und Kohle, einschließlich Pflanzenkohle, in Öfen und Heizungen verbrauchen, wie die Metall-, Stahl-, Keramik-, Glas- und Zementindustrie.

Vor allem im Verkehrssektor (Luft-, See- und Güterverkehr) bietet die Verwendung von grünem Wasserstoff ein großes Potenzial. Es ist zu beobachten, dass im Rahmen von R&D-Projekten große Anstrengungen unternommen werden, um neue technologische Wege in allen Aspekten der Mobilität einzuschlagen. Im maritimen Bereich liegt der Schwerpunkt derzeit auf dem Einsatz von grünem Wasserstoff, Methanol und Ammoniak. Im Straßenverkehr ist Wasserstoff neben der Elektrizität eine der vielversprechendsten Alternativen, um Benzin und Öl zu ersetzen. Während batteriebetriebene Pkw die Aufmerksamkeit der Branche auf sich ziehen, werden wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenbusse, -Lkw, -Zugmaschinen und -Gabelstapler zunehmend als wirtschaftlich rentabel eingestuft.

Die H2V-Anwendungen in der brasilianischen Industrie konzentrieren sich daher nicht auf die energetische Nutzung, sondern auf die Verwendung als Input für die Herstellung anderer Produkte von großem wirtschaftlichem Wert. Darüber hinaus sollte die Entwicklung und Umsetzung von Technologien für neue Endanwendungen von Wasserstoff, einschließlich schwer dekarbonisierbarer Sektoren, parallel dazu erfolgen. Erforderlich ist hier das Angebot spezifischer Finanzierungslinien und CO2-Preise, um die H2V-Produktion im Land voranzubringen.

In Raffinerien wird das Raffinationsverfahren bereits seit langem zur Herstellung von Kraftstoffen wie Benzin und Diesel eingesetzt, wobei der hiesige Bedarf mehr als 90 % des Verbrauchs an grauem Wasserstoff in Brasilien ausmacht. Dieser Prozess der Wasserstofferzeugung ist jedoch mit der Verwendung von Erdgas durch die Dampfreformierung von Methan verbunden, was zu hohen Emissionen führt und gleichzeitig darauf hindeutet, dass dies ein potenzieller Markt für die Nutzung von H2V ist.

Ein anderer großer potenzieller Markt für den Wasserstoffverbrauch ist die Herstellung von Stickstoffdüngern auf Ammoniakbasis. Bei der Ammoniakherstellung nach dem Haber-Bosch-Verfahren wird Erdgas als Rohstoff verwendet. Allerdings ist der Preis für brasilianisches Erdgas im internationalen Vergleich hoch, so dass es für die brasilianische Düngemittelproduktion schwierig ist, mit importierten Produkten zu konkurrieren. Laut der Global Hydrogen Review 2022 wird geschätzt, dass zur Herstellung einer Tonne Ammoniak etwa 180 Kilogramm Wasserstoff benötigt werden. Ein Beispiel für das Potenzial dieses neuen Marktes hat Unigel mit dem Bau seiner ersten H2V-Anlage im Petrochemie-Zentrum in der Stadt Camaçari (Bahia) gegeben. Ziel ist es, im Jahr 2023 mit der Produktion von 60.000 Tonnen grünem Ammoniak zu beginnen.

Erwähnenswert ist auch die Möglichkeit, Ammoniak aus H2V an Standorten in der Nähe des so genannten Agrargürtels zu erzeugen, und zwar im Sinne einer dezentralen Wasserstofferzeugung, d. h. einer Produktion zur Deckung des lokalen und punktuellen Bedarfs. Nach Angaben des Nationalen Industrieverbands (CNI) ist die dezentrale Wasserstofferzeugung in kleinem Maßstab durch modulare Anlagen am selben Ort oder in der Nähe von Düngemittelherstellern eine Lösung, die weltweit an Bedeutung gewinnt.

Laut World Steel 2021 ist Brasilien der neuntgrößte Stahlproduzent der Welt. Diese Industrie wird sich der Herausforderung der Dekarbonisierung stellen müssen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit in der grünen Wirtschaft zu erhalten. Der Prozess der Eisenreduktion, bei dem hauptsächlich Koks (ein Nebenprodukt der Kohlereduktion) und in einigen Fällen Holzkohle verwendet werden, setzt viel CO2 frei. Bei der Kokserzeugung wird Kohle bei Temperaturen von etwa 1100 ºC in einer sauerstoffarmen Atmosphäre verkohlt, was zur Emission von CO2 in die Umwelt führt. Somit ist die Substitution von Koks durch Wasserstoff ein vielversprechender technologischer Weg zur Herstellung von Eisenschwamm, bei dem Wasserstoff als Energiequelle und Reduktionsmittel für das Eisenerz fungiert und außerdem die Temperatur des Systems senkt, da niedrigere Temperaturen erforderlich sind als bei der Verwendung von Koks.

Mit Blick auf die Wettbewerbsbedingungen in Brasilien hat die Entwicklung der H2V-Industrie bei wirtschaftlichen und staatlichen Akteuren Priorität erlangt. Ein Beispiel für die Bemühungen, Strategien und Lösungen für diese neue Industrie zu entwickeln, war der von der AHK Rio im Oktober in Rio de Janeiro veranstaltete Green Hydrogen Application Summit, bei dem qualifizierte Fachleute zusammenkamen, um Themen rund um H2V und seine industriellen Anwendungen zu analysieren und zu diskutieren.

Ein zentrales Thema war die Frage, wie sich die Industrie für die Erreichung der Dekarbonisierungsziele einsetzt. Titus Schaar erläuterte zum Beispiel die Pläne des Stahlherstellers TERNIUM, H2V in den Öfen des Unternehmens einzusetzen, um Energie zu sparen, und hob dabei die Bemühungen des Unternehmens zur Dekarbonisierung hervor. Ludmila Nascimento beschrieb Vales Projekte zur Elektrifizierung der Lkw-Flotte mittels H2V sowie Pläne für Züge und Seeschiffe und die Anreicherung von Erzen mit einem Energiegewinn von 10 %, mit dem Ziel, die CO2-Emissionen bis 2030 um etwa 33 % zu senken. MAN-Präsident Jens Hueren präsentierte die H2V-Produktlinie des deutschen Maschinenbauers.

Weitere Themen der Veranstaltung waren die Fortschritte von Yara in Brasilien, insbesondere bei der Nutzung von Biomethan und H2V in Cubatão, im Bundesstaat São Paulo, sowie die weltweiten Projekte des Unternehmens zur Energieoptimierung. Außerdem wurden die Initiativen der Lufthansa zur Dekarbonisierung und zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks ihrer Flüge durch Passagierkooperationen und Kompensationsprogramme vorgestellt.

Abschließend wurde betont, dass in Brasilien und weltweit zahlreiche Anstrengungen unternommen werden, um H2V in neue Märkte einzuführen und den stark emittierenden grauen Wasserstoffmarkt zu ersetzen. Neue Möglichkeiten sind absehbar, und es wird davon ausgegangen, dass die Rolle, die die Länder in den künftigen Wertschöpfungsketten für grünen Wasserstoff spielen werden, nicht nur von ihren Ressourcen abhängt, sondern auch von ihrer derzeitigen Positionierung auf den Wasserstoffmärkten und der wirtschaftlichen Beziehung ihrer Industriesektoren zu H2V-Anwendungen.

Brasilien bietet seinerseits Wettbewerbsvorteile aufgrund seiner kontinentalen Ausdehnung, seines über das gesamte Staatsgebiet vernetzten Hochspannungsnetzes, seines immensen Potenzials an Wind- und Solarenergie, seiner robusten Logistik- und Hafeninfrastruktur sowie der Tatsache, dass es über zwei autonome Regulierungsbehörden – ANEEL und ANP – verfügt, die auf regulatorische Innovationen achten, die für die wirtschaftliche und finanzielle Durchführbarkeit der Entwicklung der H2V-Produktionskette erforderlich sind.

Autoren und Autorinnen:

Nivalde José de Castro- Professor am Institut für Wirtschaftswissenschaften der UFRJ und Koordinator der GESEL – Forschungsgruppe Elektrizitätssektor

Sayonara Andrade Eliziário- Professorin an der Föderalen Universität von Paraíba und assoziierte Forscherin von GESEL

Jéssica Luisa Alves do Nascimento – Doktorandin der Ingenieurwissenschaften an der Föderalen Universität von Paraíba