Wasserstoff

Wasserstoff als Patent-Lösung für die ins Stocken geratene Energiewende? An das geruchlose, saubere und brennbare Gas knüpfen sich derzeit viele Hoffnungen. Ein Bericht über Aufbrüche und Hürden auf dem Weg in eine Wasserstoff-Wirtschaft.

„Wasserstoff ist der fehlende Baustein für den Klimaschutz und die Energiewende“, sagt Jeannette Uhlig von der Deutschen Energie-Agentur (Dena). Die Vision scheint bestechend: Unstetig produzierter Strom aus Windrädern oder Solaranlagen ließe sich in einer Wasserstoff-Wirtschaft so aufbereiten, dass er fernab und unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung genutzt werden könnte – fürs Autofahren, Fliegen, Heizen, in Agrarbetrieben oder in industriellen Prozessen wie etwa der Stahlerzeugung. Und das, ganz ohne CO2 (Kohlendioxid) frei zu setzen.
Dena-Experten schätzen, dass hierzulande im Jahr 2050 bis zu 908 Terawattstunden an Kraftstoffen, die auf erneuerbaren Energien basieren, genutzt werden könnten. Das wäre fast die doppelte Menge des derzeitigen Stromverbrauchs in Deutschland. Der Wasserstoff-Rat, ein Zusammenschluss von mehr als 60 Unternehmen – darunter Firmen wie Daimler, Shell oder Linde – argumentiert in die gleiche Richtung. Im Auftrag des Rats haben die Berater von McKinsey das Potenzial von Wasserstoff ausgerechnet. Demnach könnte Wasserstoff 18 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs bis 2050 abdecken. Die Technologie sei vorhanden, urteilen nicht nur die Fachleute der Deutschen Energie-Agentur. Nun sei es an der Zeit für einen „zügigen Markthochlauf“.

Vorreiter in vielen Wirtschaftsbereichen

Vorreiter in der Automobilindustrie ist Toyota. Bis zum Jahr 2050 will der japanische Hersteller die Emission seiner Automobile im Vergleich zum Jahr 2010 um 90 Prozent reduzieren. In Sachen Brennstoffzellen, die Strom aus Wasserstoff erzeugen können, arbeitet BMW eng mit Toyota zusammen. Anfang der 2020er Jahre will der bayerische Automobilhersteller eine Kleinserie des mit Wasserstoff betriebenen X5-Modells herausbringen; bis zum Jahr 2025 soll ein massentaugliches Auto mit Brennstoffzelle die Modell-Palette von BMW bereichern.
Damit Wasserstoff-Autos überhaupt massentauglich werden können, braucht es eine geeignete Infrastruktur zur Betankung. Schon Ende des Jahres 2019 soll es in Deutschland ein Netz von 100 Wasserstoff-Tankstellen geben. Zurzeit wird hierzulande im Schnitt alle zwei Wochen eine Wasserstoff-Tankstelle eröffnet. Bis 2023 will das Netzwerk H2Mobility (H2M) in Deutschland 400 Tankstellen aufgebaut haben. Auch in vielen anderen Ländern ist eine öffentliche H2 Tankstelleninfrastruktur im Entstehen. Der Vorteil von Wasserstoff: er lässt sich in etwa so schnell wie Benzin tanken.
Einer der großen Player der Wasserstoff-Wirtschaft ist der Öl- und Gaskonzern Royal Dutch Shell. Im rheinischen Wesseling, wo Shell bisher Benzin oder Diesel herstellt, will der Konzern nun auch Wasserstoff produzieren. 20 Millionen Euro werden hier in die bisher größte Elektrolyse-Anlage der Welt investiert, die eine Hälfte vom Ölkonzern Shell, der die Raffinerie betreibt, die andere von der Europäischen Union. Die Eröffnung soll 2020 sein. Zehn Megawatt Strom, so viel wie zwei große Windkraftanlagen erzeugen, sollen hier per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und direkt für industrielle Prozesse eingesetzt werden. Derartige Power-to-Gas-Anlagen können als Puffer in Momenten einspringen, in denen zu viel Strom aus Wind und Sonne ins Netz gelangt. Später lässt sich mit dem Gas wieder Strom herstellen, indem es in Gaskraftwerken beigemischt wird.

Nicht nur Sache von Konzernen

Doch nicht nur Konzerne wie Shell, Toyota oder BMW, auch kleinere Unternehmen werden derzeit in Sachen Wasserstoff-Wirtschaft aktiv. Ein Beispiel ist der Leipziger Gasnetzbetreiber VNG. In den Tiefen einer Salzschicht bei Bad Lauchstäd will der Netzbetreiber künftig grünen Wasserstoff aus Windstrom speichern. Der dafür vorgesehene unterirdische Hohlraum bietet Platz für rund 3.800 Tonnen Wasserstoff. Deren Energiegehalt entspricht dem Jahresstromverbrauch von rund 40.000 Zwei-Personen-Haushalten. Doch das Potential des deutschen Gasnetzes ist noch viel größer: rund 505.000 Kilometer zählt das Netz von Pipelines, das Deutschland unterirdisch durchzieht und das ebenfalls als Speicher für Wasserstoff genutzt werden könnte. Bis zu 20 Prozent Wasserstoff ließe sich technisch dem Erdgas beimischen und könnte damit das Heizen wesentlich umweltfreundlicher machen. Derzeit gehört der Wärmesektor zur den großen CO2-Emittenten. Das beste daran: Hausbesitzer könnten ihre bestehenden Gasheizungen weiter nutzen.
Noch steckt die Wasserstoff-Wirtschaft in den Anfängen. Ob sie die Patentlösung für die Energie-Wende ist, bleibt ungewiss. Denn die Wasserstoffwirtschaft ist ein Megaprojekt mit vielen Herausforderungen, etwa der Sicherheit. So muss das explosive Gas mit ganz besonderer Vorsicht behandelt werden. Der erste spektakuläre Unfall mit Wasserstoff war die Explosion des Zeppelins Hindenburg vor mehr als 80 Jahren. Erst kürzlich ereignete sich in Norwegen eine Explosion an einer Wasserstofftankstelle, deren Ursache ein Montagefehler an Hochdrucktanks war.

Eine Frage der Effizienz

Und dann sind da auch noch die Kosten. Wer den Berechnungen von Shell folgt, der ist als Verbraucher zwar erst einmal beruhigt. Denn die Preise sind vergleichbar mit denen für Benzin. Ein Kilogramm Wasserstoff soll an der Tankstelle rund 9,50 Euro kosten. Vier bis fünf Kilogramm fasst der Tank der meisten Fahrzeuge. Rund 100 Kilometer kann ein Auto mit einem Kilogramm fahren.
Aber wie sieht es gesamtwirtschaftlich aus? Da stellen sich angesichts der Effizienz bei der Erzeugung und der Verbrennung von Wasserstoff ganz andere Fragen: Bei der Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse gehen gemäß einer Studie des Öko-Instituts mehr als 30 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie verloren. Wird der Wasserstoff dann wieder in einer Brennstoffzelle zwecks Stromerzeugung verbrannt, entweicht viel Energie durch Wärmeverluste. Eine weitere Verlustquelle ist das Speichern von Wasserstoff. Da er, bezogen auf sein Volumen, nur sehr wenig Energie enthält, muss er aufwändig komprimiert oder durch Abkühlen auf minus 253 Grad verflüssigt werden. Auch das kostet Energie. Weitere Energie geht durch Speichern und Verteilen verloren. Und auch Brennstoffzellen fressen Energie. Am Ende der Umwandlungs- und Verteilungskette kommen von der ursprünglichen Solar- oder Wind-Energie nur ein Viertel bis ein Drittel im Motor an. Würde diese dagegen direkt ins Stromnetz gespeist, kämen 90 Prozent beim Verbraucher an. Ist das ein Totschlag-Argument für den Wasserstoff? Sicherlich nicht. Aber man wird genau hinschauen müssen, in welchen Bereichen sich der Einsatz von Wasserstoff wirklich lohnt.

Die Vision – Wasserstoff beflügelt schon lange Pioniere.
Schon vor dreißig Jahren hatte der renommierte und ökologisch bewegte Techniker Ludwig Bölkow eine Vision: Tankschiffe könnten aus Wasserkraft erzeugten Wasserstoff nach Deutschland bringen. Das Euro-Québec Hydro-Hydrogen Pilot Project (EQHHPP) war das erste detaillierte und systematisch durchdachte Projekt zur Nutzung von Wasserstoff für Transportzwecke. Von 1989 bis 1992 untersuchte es die Machbarkeit der Erzeugung, Anwendung und des transatlantischen Transports von Wasserstoff. Die reale Umsetzung blieb aber vorerst Vision, da trotz Unterstützung durch die Europäische Kommission keine Projektfinanzierung zustande kam. Das Projekt war seiner Zeit voraus. Dennoch bildete EQHHPP den Keim für spätere Wasserstoff- und Brennstoffzellenanwendungen wie dem ersten deutschen Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk in Hamburg, der Umrüstung eines Triebwerks auf Wasserstoffbetrieb oder dem ersten wasserstoffbetriebenen Stadtlinienbus in Erlangen und München bis hin zu den Power -to-Gas Konzepten der jüngsten Zeit.

Element H  – Wasserstoff und seine Eigenschaften
Wasserstoff lässt sich erzeugen, indem Wasser (H2O) unter Einsatz von Strom in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegt wird. Dieser Vorgang wird Elektrolyse genannt. Das Molekül Wasserstoff lässt sich speichern, transportieren, in andere Treibstoffe und Chemikalien umwandeln sowie in Brennstoffzellen zu Strom verwandeln, um beispielsweise Motoren anzutreiben. Dabei entstehen lediglich Wasser und Sauerstoff, weswegen Wasserstoff von vielen als grünes Öl des 21. Jahrhunderts angesehen wird.

QC53F06

Bildnachweis: Fotalia.com | ptk.78