06.12.2022

Beitragsreihe Wasserstoff Deep Dives: Rohstoffbedarf der Wasserstoffproduktion

Im Verlauf der letzten Jahre ist im Bereich Wasserstoff eine immense Dynamik zu verspüren. Gleichzeitig wurden in Forschung und Entwicklung an vielen Stellen der Wertschöpfungskette große Fortschritte gemacht und wichtige Erkenntnisse erzielt. In der ersten Beitragsreihe zu Wasserstoff wurden die Grundlagen des Gases entlang seiner Wertschöpfungskette von Produktion über Transport und Speicherung bis hin zu Anwendung erläutert. In dieser nun zweiten Reihe wird auf einzelne Fokusthemen im Detail eingegangen und der aktuelle Wissensstand zusammengefasst. Der zweite Artikel beschäftigt sich mit dem Rohstoffbedarf der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse.

Übersicht über die Themen der Beitragsreihe Wasserstoff

  1. Verwendung von Wasserstoff in der Stahlherstellung
  2. Rohstoffbedarf der Wasserstoffproduktion
  3. Ökobilanz von Wasserstoff
  4. Was kostet grüner Wasserstoff?
  5. Effizienz des Wasserstofftransports
  6. Roadmaps zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur

Wie bereits in unserem Artikel „Wo soll Wasserstoff verwendet werden?“ der ersten Beitragsreihe gezeigt werden konnte, kommt grünem Wasserstoff und darauf basierenden synthetischen Energieträgern eine zentrale Rolle bei der Defossilisierung unseres Energie- und Wirtschaftssystems zu. Der daraus resultierende ausgeprägte zukünftige Bedarf wird zu großen Teilen über die Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden. Hierfür sind sowohl in Deutschland als auch global in den nächsten Jahren und Jahrzehnten äußerst ambitionierte jährliche Zubauraten an Elektrolyseuren erforderlich. Da jedoch in Elektrolyseuren, je nach Technologie, potenziell kritische Rohstoffe verwendet werden, gilt es zu untersuchen, ob eine mangelnde Verfügbarkeit dieser Rohstoffe den nötigen Ausbau der weltweiten Elektrolyseurkapazitäten einschränken und verlangsamen könnte. Neben der reinen Verfügbarkeit hat die Kritikalität von Rohstoffen weitere Dimensionen, die im Rahmen dieses Artikels jedoch nicht näher betrachtet werden.

Im Folgenden werden die Rohstoffe Nickel, Platin und Iridium näher betrachtet, die in den drei relevantesten Elektrolysetechnologien, der alkalischen Elektrolyse (AEL), der Polymer-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEMEL von engl. Polymer Exchange Membrane Electrolysis) und der Festoxidelektrolyse (SOEL von engl. Solid Oxide Electrolysis), Verwendung finden.

Um mögliche Versorgungsengpässe dieser Rohstoffe zu identifizieren, wird einerseits deren allgemeine aktuelle und prognostizierte Verfügbarkeit betrachtet. Hierbei werden unter anderem die DERA-Auftragsstudie „Rohstoffe für Zukunftstechnologien 2021“ [1] und der Ariadne-Report „Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045“ [2] herangezogen. Weiter soll auch der zu erwartende globale Rohstoffbedarf, der sich aus dem nötigen Ausbau der globalen Elektrolysekapazitäten ergibt, abgeschätzt werden. Dieser ergibt sich aus dem spezifischen Rohstoffbedarf pro Kilowatt Elektrolyseleistung und der global nötigen Zubaurate an Elektrolyseuren zur Erreichung der Klimaziele. Die Leistung erreicht sowohl in der DERA-Auftragsstudie als auch im „World Energy Transitions Outlook 2021“ für den Zeitraum ab 2040 mehr als 400 GW pro Jahr [1, 3]. Der sich daraus ergebende jährlich zu erwartende globale Rohstoffbedarf wird den aktuellen Fördermengen der betrachteten Rohstoffe gegenübergestellt.

Nickel

Nickel findet sowohl in der AEL als auch in der SOEL Verwendung. In der AEL ist es das dominante Material. Es wird sowohl in den Elektroden als auch im Diaphragma, das die Halbzellen trennt, verwendet [4]. In der SOEL basiert die Kathode der Zelle auf Nickel, wobei hier nicht reines Nickel sondern Nickel-Cermets, also Nickel-Keramik-basierte Verbundwerkstoffe, eingesetzt werden [4].

Im Vergleich zu anderen hier betrachteten Rohstoffen kommt Nickel mit Reserven in Höhe von 94 Millionen Tonnen und Ressourcen in Höhe von 300 Millionen Tonnen verhältnismäßig häufig in der Erdkruste vor [5]. Als Reserven werden hierbei die unter den aktuellen technischen Bedingungen wirtschaftlich förderbaren Vorkommen verstanden. Ressourcen sind jene Vorkommen, bei denen die technische und/oder wirtschaftliche Förderbarkeit aktuell nicht gegeben ist.

Die Nickelförderung liegt heute bei 2,5 Millionen Tonnen pro Jahr, wobei 70 % als Legierungselement für die Produktion rostfreier Stähle verwendet werden [5, 6]. Zukünftig dürfte der Bedarf insbesondere durch die Verwendung in Batterien deutlich steigen [2, 6]. So wird erwartet, dass der jährliche Bedarf bis 2050 auf 5-8 Millionen Tonnen ansteigen könnte und bereits 2025 die Nachfrage größer als das Angebot sein könnte [6]. Bei einem durchschnittlichen spezifischen Nickel-Bedarf der Wasserelektrolyse von ca. 420 g/kW [1] würde sich der jährliche Bedarf bei einer Zubaurate von 400 GW/Jahr auf 168.000 Tonnen/Jahr und somit auf knapp 7 % der aktuellen Förderung belaufen.

Aufgrund des prognostiziertem stark steigenden Bedarfs wird Nickel daher auch im Ariadne-Report als kritischer Rohstoff für die Energiewende identifiziert [2]. Dies zeigt sich insbesondere darin, dass der bis 2045 kumulierte Nickel-Bedarf der deutschen Wirtschaft den nach Wirtschaftsleistung rechnerischen Anteil Deutschlands sowohl an den globalen Nickel-Reserven als auch an den globalen Nickel-Ressourcen übersteigt [2]. Dies ist sogar im Falle eines zu 100 % stattfindenden Recycling des sich im Umlauf befindlichen Nickels zu befürchten [2].

Vor dem Hintergrund, dass Nickel für viele die Energiewende betreffende Technologien relevant ist, sind steigende Kosten und Engpässe zu befürchten, die neben anderen Technologien auch den global nötigen Ausbau von AEL und SOEL entsprechend ausbremsen und ambitionierte Zubauraten verhindern könnten.

Platin

Da es sich bei der PEMEL um die Technologie mit dem größten Marktwachstum und einer Vielzahl angekündigter Projekte handelt, sind die in der PEMEL verwendeten Metalle Platin und Iridium von besonderem Interesse [1]. Platin findet in der Kathode der PEMEL-Zelle Verwendung, wobei der aktuelle spezifische Platin-Bedarf im Schnitt bei ungefähr 0,15 g/kW liegt [1, 7]. Im Rahmen einer Weiterentwicklung der Technologie erscheint es realistisch diesen Bedarf auf unter 0,04 g/kW zu drücken [1, 7]. Somit würde sich bei einem ausschließlichen Zubau der PEMEL in Höhe von 400 GW pro Jahr ein jährlicher Platin-Bedarf im Bereich von 15 bis 60 Tonnen ergeben. Dem steht eine aktuelle Platin-Fördermenge von 190 Tonnen pro Jahr entgegen [1, 7].

Platinbedarf der Elektrolyse
Abbildung 1: Platin-Fördermenge und maximaler Platin-Bedarf für Elektrolysetechnologien je nach Technologieentwicklung [1, 7]

Somit könnten relevante Anteile der jährlichen Platin-Förderung für einen großskaligen Ausbau der PEMEL benötigt werden. Bereits heute übersteigt die Nachfrage nach Platin das Angebot, wobei die hohe Nachfrage aktuell vor allem von der Automobil- und Schmuckindustrie getrieben wird [7]. Je nach Entwicklung von Nachfrage und Förderung ist dementsprechend mit Engpässen und steigende Preisen zu rechnen.

Iridium

In PEMEL-Zellen ist Iridiumoxid als das einzig relevante und aus heutiger Sicht alternativlose Anodenmaterial zu betrachten [1, 7, 8]. Das in Form von Rutheniumoxid potenziell in Frage kommende Ruthenium weist deutlich zu hohe Korrosionsraten auf [1, 9]. Der aktuelle spezifische Iridium-Bedarf der PEMEL kann mit 0,667 g/kW angegeben werden [7, 8], wobei der Literatur auch deutlich höhere Werte von 1 g/kW zu entnehmen sind [1]. Für ein innovatives Szenario wird angenommen, dass der Bedarf auf bis zu 0,05 g/kW sinken könnte, wofür jedoch nach Smolinka et al. [7] ein Zeithorizont bis 2035 angenommen wird. Daraus resultiert bei einem jährlichen globalen Zubau von 400 GW ein Iridium-Bedarf im Bereich von 20 bis 267 Tonnen pro Jahr. Dem gegenüber steht eine globale Iridium-Förderung, die in den letzten Jahren gerade einmal maximal 7,7 Tonnen pro Jahr betrug [8].

Iridiumbedarf der Elektrolyse
Abbildung 2: Iridium-Fördermenge und maximaler Iridium-Bedarf für Elektrolysetechnologien in Abhängigkeit der Technologieentwicklung [7, 8]

Im Ariadne-Report wird vor diesem Hintergrund Iridium als kritischer Rohstoff für die Energiewende eingestuft [8]. Entsprechend wird auch in der DERA-Auftragsstudie ein zukünftiger Marktanteil der PEMEL von nur 10 % angenommen [1]. Selbst wenn beispielsweise ein Drittel der heutigen Iridium-Fördermenge ausschließlich für den PEMEL-Zubau zur Verfügung stünde und eine Reduzierung des Rohstoffbedarfs gemäß des ambitionierten innovativen Technologieszenarios gelänge, würde sich der mögliche jährliche Zubau auf ca. 50 GW beschränken.

Hierbei ist jedoch anzumerken, dass neben den Fördermengen von Primärrohstoffen auch Sekundärrohstoffe aus Recycling zur Verfügung stehen. Gerade in einer Phase der Senkung des spezifischen Rohstoffbedarfs könnte dies die real installierbaren Elektrolyseleistungen in relevantem Umfang steigern. Bei einer Reduzierung des spezifischen Rohstoffbedarfs um 90 % in der Lebensdauer einer Anlage, könnte somit das in 1 GW Elektrolyseuren verwendete Iridium nach dessen vollständigem Recycling für die Installation von 10 GW neuen Elektrolyseuren verwendet werden. Die real installierte Kapazität würde also um 9 GW steigen. Sobald der Rohstoffbedarf sich seinem Minimum annähert, verschwindet dieser Effekt jedoch wieder.

Fazit

Alle drei betrachteten Elektrolysetechnologien nutzen Rohstoffe deren zukünftige Verfügbarkeit als problematisch eingestuft werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die für das Erreichen der Klimaziele nötigen globalen Zubauraten in den 2030er- und 2040er-Jahren realisiert werden sollen. Für die AEL und die SOEL ist Nickel als potenziell den Ausbau hemmender Rohstoff zu nennen. Im Falle der PEMEL ergibt sich insbesondere durch die begrenzte Verfügbarkeit von Iridium ein wohl direkt die Skalierung des Zubaus in den hohen zweistelligen GW-Bereich verhindernder Faktor. Auch die Verfügbarkeit von Platin für die PEMEL könnte sich als problematisch erweisen. Für alle Elektrolysetechnologien gilt es den spezifischen Rohstoffbedarf weiter zu senken und an dem Einsatz alternativer Rohstoffe zu forschen.

Literatur

[1]  F. Marscheider-Weidemann, Rohstoffe für Zukunftstechnologien 2021: „Auftragsstudie“, 2021. Aufl. Berlin: Deutsche Rohstoffagentur (DERA) in der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), 2021.

[2] G. Luderer, C. Kost und D. e. a. Sörgel, „Ariadne-Report – Deutschland auf dem Weg zur Klimaneutralität 2045: Szenarien und Pfade im Modellvergleich“, Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK), 2021.

[3] IRENA, „World Energy Transitions Outlook 2021: 1,5°C Pathway“, Abu Dhabi, 2021.

[4] F. Graf, R. Schoof und M. Zdrallek, Hg., Power-to-Gas: Grundlagen – Konzepte – Lösungen, 1. Aufl. Essen: Vulkan Verlag, 2021. [Online]. Verfügbar unter: https://scifo.de/9783835674462

[5] U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Mineral Commodity Summaries. US Geological Survey.

[6] IRENA, World Energy Transitions Outlook 2022: 1.5°C Pathway. [Online]. Verfügbar unter: https://www.irena.org/publications/2022/Mar/World-Energy-Transitions-Outlook-2022.

[7] T. Smolinka et al., „Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme“, Berlin, 2018. [Online]. Verfügbar unter: https://www.now-gmbh.de/wp-content/uploads/2020/09/indwede-studie_v04.1.pdf.

[8] C. Minke, M. Suermann, B. Bensmann und R. Hanke-Rauschenbach, „Is iridium demand a potential bottleneck in the realization of large-scale PEM water electrolysis?“, International Journal of Hydrogen Energy, Jg. 46, Nr. 46, S. 23581–23590, 2021, doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.04.174.

[9] A. Godula-Jopek, Hydrogen Production: By Electrolysis, 1. Aufl. Weinheim: WILEY-VCH, 2015.