Hilft die Digitalisierung dem Ziel von Null-Emissionen?

Das zunehmende globale Bewusstsein für den Klimawandel und die dadurch verursachten irreversiblen Schäden hat die Welt in einen «Code Red» geführt. Waldbrände, Überschwemmungen, Hitzewellen, Erdbeben – überall auf dem Globus wird die Menschheit wachgerüttelt und aufgefordert, ihr Konsumverhalten zu ändern. Die jüngere Generation ist die erste, die die Auswirkungen eines ganzen Produktions- und Konsumsystems zu spüren bekommt, das auf vieles ausgerichtet ist, nur nicht auf Nachhaltigkeit. Nur eine drastische Reduzierung der Treibhausgasemissionen kann die globale Temperatur stabilisieren. Um dies zu erreichen, ist jedoch eine drastische Umstellung auf erneuerbare Energielösungen erforderlich.

Während des Pariser Abkommens, das auch unter dem Namen Pariser Klimaabkommen bekannt ist, haben sich mehr als 191 Länder dazu verpflichtet, ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren, um das gemeinsame Ziel von Netto-Null-Emissionen bis 2030 zu erreichen. Nach diesem Ereignis stieg die Zahl der Projekte zur Erzeugung nachhaltiger Energiequellen deutlich an. Eine Alternative, die es der Welt ermöglichen würde, auf erneuerbare Energien umzusteigen, hat vor allem aufgrund ihres Potenzials, Energie in großen und skalierbaren Mengen für schwer zu reduzierende Sektoren wie Industrie, Verkehr, Luftfahrt und Schifffahrt bereitzustellen, große Aufmerksamkeit erlangt und ist in aller Munde.

«Grüner Wasserstoff» wird auch als das «grüne Öl des 21. Jahrhunderts» bezeichnet

Wasserstoff ist bereits weit verbreitet, wird jedoch zu über 95 % aus Erdgas und Kohle hergestellt, was den Produktionsprozess nicht nachhaltig macht. Grüner Wasserstoff hingegen ist ein nachhaltiger, kohlenstoffneutraler Kraftstoff, der durch Elektrolyse hergestellt wird. Bei der Elektrolyse wird mithilfe von Elektrizität Wasser (H2O) in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Dieser Produktionsprozess zur Erzeugung einer alternativen Energiequelle hat ein hohes Potenzial, eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf Netto-Null-Emissionen zu spielen. Warum ist die Verwendung von grünem Wasserstoff noch nicht weit verbreitet? Die Produktionskosten sind im Vergleich zu herkömmlichem Wasserstoff zwei- bis dreimal so hoch, so dass der Übergang zu einer massiven Einführung aus wirtschaftlicher Sicht nicht machbar ist.

Abbildung 1: Elektrolyse Quelle: DW

Um die Einführung von grünem Wasserstoff in vollem Umfang zu ermöglichen, müssen noch einige andere Aspekte gegeben sein: politische Entscheidungen, rechtliche Rahmenbedingungen, Anreize für seine Einführung, Risikokapital, Investitionen in die notwendige Infrastruktur für seine Herstellung und seinen Transport sowie verlässliche Zusagen des öffentlichen und privaten Sektors. Die Herausforderung, die Produktionskosten für grünen Wasserstoff zu senken, wurde von den wichtigsten Projektleitern in diesem Ökosystem als das größte Hindernis bezeichnet: Dänemark, Deutschland, Chile, IRENA, das Weltwirtschaftsforum, die COP26 High-Level Champions, die Globale Umweltfazilität, Bloomberg Philanthropies und UN-Energy (Außenministerium von Dänemark, 2021).

Wie lassen sich die Produktionskosten für grünen Wasserstoff senken?

Die Skalierung und Verbesserung von Elektrolyseuren hat das Potenzial, die Kosten kurzfristig um 40 % und langfristig um 80 % zu senken und bis 2025 eine Kostengleichheit mit herkömmlichem Wasserstoff zu erreichen.

«Die Koexistenz von Digitalisierung und Nachhaltigkeit wird den Übergang zu grünem Wasserstoff fördern»

Die Digitaltechnik ist eine der wichtigsten Säulen für die Beschleunigung des Übergangs zu grünem Wasserstoff (Ouziel und Avelar, 2021). Ein höherer technologischer Reifegrad kann dazu beitragen, viele der noch bestehenden Hindernisse für einen erfolgreichen Übergang zu beseitigen und die Produktion von grünem Wasserstoff zu unterstützen.

Sehen wir uns die Hauptakteure im digitalen Bereich an:

1. Die Festoxidelektrolysezellentechnologie (SOEC) ist der Hauptakteur, der das Problem der Kostensenkung lösen kann, indem er eine Reihe von wirtschaftlichen Aspekten erreicht, die eine kommerzielle Rentabilität ermöglichen. Die Umwandlungseffizienz von SOEC wurde bisher von keinem anderen technologischen Fortschritt übertroffen.

Haldor Topsoe baut die weltweit erste und größte SOEC-Anlage in Europa und beabsichtigt, die innovative Elektrolyse-Technologie bis 2023 auf den Weltmarkt zu bringen (Ministerium für auswärtige Angelegenheiten Dänemarks, 2021). Die Anlage wird grünen Wasserstoff mit einem geringeren Energieaufwand als bei der Herstellung mit alternativen Methoden produzieren. Die erhöhte Effizienz ermöglicht die Erzeugung von ausreichend Energie in Form von Düngemitteln, Kraftstoffen und Chemikalien zur Versorgung des schwer zugänglichen Sektors. «Wir haben die Technologie, um diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen», erklärt Haldor Topsoe auf seiner offiziellen Website. Die von dieser Technologie verwendeten Produktionsmethoden sind skalierbar und basieren auf reichlich vorhandenen Rohstoffen.

SOEC hat die F&E-Phase verlassen und die Skalierung für die Kommerzialisierung eingeleitet. Die kontinuierlichen Prozessverbesserungen sind auf dem Weg, in naher Zukunft größere und effizientere Anlagen zu ermöglichen. Es wird prognostiziert, dass die Nachfrage nach effizienten Energieerzeugungstechnologien steigen und sich bis 2050 zu einem Billionen-Dollar-Markt entwickeln wird, der neue Unternehmen anzieht, die sich mit innovativen Geschäftsmodellen positionieren, um die Marktnachfrage zu decken. Diese Skalierung wird dazu beitragen, die Produktionskosten zu senken und die Einführung von grünem Wasserstoff rentabel zu machen.

Die verfügbare Energie aus natürlichen Quellen wie Wind und Sonne übersteigt den weltweiten Energieverbrauch um ein Vielfaches. Die Herausforderung, vor der wir in einer stark vernetzten Welt stehen, ist die Integration einer Infrastruktur, die leistungsfähig genug ist, um den gesamten Energiebedarf zu decken. Um ein System aufzubauen, das auf grünem Wasserstoff basieren kann, sind wir daher stark auf Technologie angewiesen.

2. Künstliche Intelligenz der Dinge (Artificial Intelligence of Things, AIoT) spielt eine Schlüsselrolle bei der Messung der wichtigsten Leistungsindikatoren (Key Performance Indicators, KPI) innerhalb solcher Integrationen, die in der Lage sind, den Gesamtenergieverbrauch innerhalb eines Systems, die Anlagenleistung, die Produktionskapazitäten sowie die Effektivität und Effizienz der Prozesse zu steuern und zu überwachen. AIoT kann Anomalien erkennen, indem es über die cloudbasierte Fernüberwachung Echtzeitberichte liefert. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Sammlung, Strukturierung und Visualisierung von Daten in Berichten, die für eine effektive Messung, Überwachung und Prozessverbesserung verwendet werden. Für die Einrichtung eines skalierbaren Systems sind hohe Anfangsinvestitionen erforderlich, die auch mit Wartung einhergehen. In der Vergangenheit hätten diese Investitionen zusammen mit der steilen Lernkurve und der Notwendigkeit, alle spezialisierten Stellen zu besetzen, viele Unternehmen abgeschreckt, was die Übergangszeit und die Masseneinführung verlangsamt hätte.

3. Digitale Zwillinge ermöglichen es Unternehmen und Investoren jedoch, sie zu testen, bevor sie Kapital einsetzen. Für ein junges und unausgereiftes Ökosystem, in dem viele Variablen berücksichtigt werden müssen, sind digitale Zwillinge ideal, denn sie ermöglichen die Modellierung und den Entwurf verschiedener Szenarien zur Optimierung eines ausgewählten Modells, um die Rendite zu maximieren und potenzielle Risiken zu verringern. Schätzungen zeigen, dass digitale Zwillinge das Risiko um 30 bis 50 % reduzieren.

4. Fortgeschrittene Analysen werden eingesetzt, um die riesigen Mengen an neu generierten Daten zu verwalten und in umsetzbare Erkenntnisse zu verwandeln. Von der aktiven Messung des CO2-Fußabdrucks durch die Sammlung von Daten aus verschiedenen Quellen, um die wichtigsten Emissionsquellen zu ermitteln, bis hin zur Extraktion und dem Lernen aus verschiedenen Datenquellen, um Empfehlungen zur Vermeidung von Energieverlusten innerhalb der Wertschöpfungskette, zur Optimierung von Elektrolyseuren, zur Steigerung der Einnahmen usw. zu geben, damit Unternehmen und Investoren strategische Entscheidungen treffen können.

«Die Digitalisierung bringt mächtige Werkzeuge mit sich, aber sie kommt nicht ohne Risiken!»

Die Nutzung der oben genannten digitalen Werkzeuge birgt jedoch auch einige Risiken. Eine frühzeitige Einführung erfordert größere Investitionen in die Forschung, die Technologie selbst, spezialisierte Fachleute in diesem neuen Bereich sowie Zeiten von Versuch und Irrtum, bis die für die Skalierung erforderliche Reife erreicht ist. Das Risiko eines Ausfalls der Elektrolyse-Technologie muss berücksichtigt werden. Eine Unterbrechung des Produktionsprozesses würde erhebliche und kostspielige Verluste bedeuten. Jeder noch so kleine Defekt in der Technologie, die der Schlüssel zum Prozess ist, wird zu Produktionsverzögerungen führen. Eine unsachgemäße Wartung der Anlagen führt zu Korrosion, die in einer Sauerstoff-Wasserstoff-Gasexplosion enden kann. Und wie können wir die Sicherheit und den Schutz der gesammelten Daten gewährleisten? Die Zusammenarbeit zwischen allen Beteiligten, Unternehmen, Regierungen, Wissenschaftlern und Akademikern wird der Schlüssel zur Erzielung von Gewinnen und zum Erreichen dieses Übergangs sein.

«Technologie allein wird keinen Wandel herbeiführen.»

Digitale Lösungen werden für den Übergang zu grünem Wasserstoff von entscheidender Bedeutung sein, doch um die Anpassung effektiv zu gestalten und zu verbreiten, sind gemeinsame Ziele und kollaboratives Handeln der Schlüssel! Mit dem Ziel, eine Welt zu schaffen, die von erneuerbaren Energien genährt wird, lade ich den Leser ein, mit Interesse die Möglichkeiten weiter zu erforschen und die Hoffnung, aber auch die Anstrengung aufrechtzuerhalten, Teil dieses aktiven globalen Übergangs zu sein.

Referenzen

1. Ouziel, S. und Avelar, L., 2021. 4 Technologien, die die grüne Wasserstoffrevolution vorantreiben. Weltwirtschaftsforum. Verfügbar unter: weforum.org/agenda/2021/06/4-technologies-accelerating-green-hydrogen- revolution.
2. Ministerium für auswärtige Angelegenheiten Dänemarks, 2021. Grüner Wasserstoff-Kompaktkatalog. Ministerium für auswärtige Angelegenheiten Dänemarks, S.91. Vereinte Nationen, 2021. Das Pariser Abkommen | Vereinte Nationen. Vereinte Nationen. Verfügbar unter: un.org/de/climatechange/paris-agreement.
3. Hauch, A., Küngas, R., & Blennow, P. (2021). Jüngste Fortschritte in der Festoxidzellentechnologie für die Elektrolyse. Verfügbar unter: science.org/doi/10.1126/science.aba6118 (HQ), H. (2021). Green Hydrogen | Effiziente grüne Wasserstoff-Elektrolyse. Abgerufen am 8. Dezember 2021
4. Yixiang, S., Yu, L., Ningsheng, C., Jiqin Q., Shaorong W., Wenying L., Hongjian W. Experimental characterization and modeling of the electrochemical reduction of CO2 in solid oxide electrolysis cells, Electrochimica Acta ,Volume 88,2013,Pages 644-653, ISSN 0013-4686, Available at: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.10.107.
5. Umdenken in schwer abbaubaren Sektoren | Lombard Odier. (2021). Abgerufen am 11. Verfügbar unter: lombardodier.com/contents/corporate-news/responsible- capital/2021/september/challenge-or-opportunity-rethink.html
6. CLIC™ Wirtschaft | Nachhaltiges Investment | Lombard Odier. (2021). Verfügbar unter: lombardodier.com/clic
7. (HQ), H. (2021). Wasserstoff | H | H2 | Prozess | Katalysator | Technologie. Verfügbar unter: topsoe.com/processes/hydrogen Fortescue Future Industries. (2021). Verfügbar unter: ffi.com.au
8. Rigas, H. (2021). Wie man die Top 10 der aufstrebenden Technologien des Jahres 2020 für das Gute nutzen kann. Verfügbar unter: weforum.org/agenda/2020/11/how-to-harness-the-top-10- emerging-tech-of-2020-for-good
9. Wójcik, A. (2021). Artikel in Science: Festoxid-Elektrolysezellentechnologie zur Erschließung des vollen Potenzials erneuerbarer Energien. Verfügbar unter: blog.topsoe.com/article-in-science-solid-oxide-electrolysis-cell-technology-to-unlock-the-full-potential-of-renewable-power
10. Avelar, L. (2021). Wie man die Kluft zwischen Klimarhetorik und -handeln überbrücken kann. Verfügbar unter: weforum.org/agenda/2021/07/fight-climate-change-with-technology/

Über den Master Digital Administration

Dieser Artikel wurde im Rahmen des Masterstudiengangs Digital Business Administration an der BFH Wirtschaft verfasst. Der Studiengang vermittelt die relevanten Kompetenzen, um die digitale Zukunft von Wirtschaft und Gesellschaft mitzugestalten. Dank aktuellen Live-Cases aus Unternehmen in der digitalen Transformation ist das Studium stark praxisorientiert und vermittelt Erfahrungen im Umgang mit aktuellen und neuen digitalen Technologien. Mehr Informationen finden Sie hier.