Wasserstoff am Prüfstand

Nachhaltige Investments, staatliche Förderungen, der gesellschaftliche Bewusstseinswandel sowie innovative Unternehmen wirken beim Thema Wasserstoff als Treiber. Auf die Infrastruktur und den Preis kommt es letztlich an.

2 H2O = 2 H2 + O2

Unter Elektrolyse wird die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff unter Zuwendung von elektrischem Strom verstanden. Damit Wasserstoff überhaupt einmal als nachhaltiger Energieträger in Betracht kommt, ist die Verwendung von sauberem elektrischem Strom wesentlich. Derzeit wird Wasserstoff allerdings vorwiegend aus fossilen Energieträgern erzeugt. In Bezug auf die saubere Variante ist von „grünem Wasserstoff“ die Rede.

Sauberer Strom kommt aus Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie – aber auch aus Klärschlamm.

Die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle geht hingegen vom umgekehrten Prinzip aus. Ein Brennstoff, im konkreten Fall etwa Wasserstoff, wird mit einem Oxidationsmittel zu Wasser und elektrischer Energie verbunden.

2 H2 + O2 = 2 H2O

Grundsätzlich wird Strom aus chemischen Energieträgern erzeugt, indem bei einer Verbrennung zuerst thermische Energie und fortan durch mechanische Arbeit, etwa durch Volumenausdehnung, der elektrische Strom erzeugt wird. In der Brennstoffzelle ist die Effizienz demgegenüber höher, weil die Herstellung von elektrischem Strom ohne die vorherige Umwandlung in Wärme vonstattengeht.

Problematisch sind allerdings die gesamten Energieverluste bei den Prozessen Elektrolyse, Speicherung und Umwandlung in elektrischen Strom.

Die Einsatzorte

Die Anwendung der Technologie der Brennstoffzelle findet traditionell im militärischen Umfeld sowie in der Raumfahrt statt. Vorteilhaft ist die hohe Energiedichte, also der Energiegehalt pro Volumen oder Masse. Die Energiedichte ist beim Wasserstoff zwar volumenbezogen niedrig, aber massenbezogen – aufgrund der geringen molaren Masse des Elementes Wasserstoff – sehr hoch und zwar doppelt so hoch wie beim Erdgas.

Durch Verflüssigung oder Druckspeicherung ist die Energiedichte von Wasserstoff extrem hoch (Shell-Studie) und beträgt mit 120 MJ/kg das dreifache von Diesel, Benzin oder Erdgas. Der Energieaufwand für die Verflüssigung ist allerdings erheblich und beträgt 30% der Endenergie. Bei der Druckspeicherung mit 700 bar sind es etwa 10%. Hinzu werden die Lagerungsbedingungen aufwändiger. Allerdings beträgt die volumenmäßige Energiedichte bei Wasserstoff nur ein Viertel von jener von Diesel, weshalb der Volumenbedarf des Tanks stark zunimmt [1].

Der Einsatz im zivilen Umfeld bezieht sich auf stationäre Lösungen zur kombinierten Strom- und Wärmegewinnung. Das österreichische Unternehmen Fronius ist bereits seit Jahrzehnten in diesem Bereich tätig und liefert interessante Komplettlösungen. Insbesondere in entlegenen Gebieten hat Wasserstoff aufgrund der Energiedichte Vorteile, aber auch dort, wo Strom mittels erneuerbarer Energie, etwa durch Photovoltaik, hergestellt wird.

Darüber hinaus gilt Wasserstoff als Zukunftstechnologie im mobilen Bereich, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, wenngleich derzeit keine Alternative gegenüber der Elektromobilität gegeben ist. Problematisch sind die deutlich höheren Kosten, die durch das deutsche Umweltbundesamt wie folgt dargelegt werden: „Sowohl bei der Bereitstellung des Wasserstoffes, beim Aufbau und Betrieb der Infrastruktur zur Wasserstoffversorgung als auch bei der Fahrzeugherstellung treten im Vergleich zu den anderen Optionen tendenziell höhere Kosten auf. Dies gilt für Pkw wie auch für leichte und schwere Nutzfahrzeuge gleichermaßen“. Das Problem auf den Punkt gebracht: Elektrischer Strom muss mittels Elektrolyse in Wasserstoff und mittels Brennstoffzelle wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden, um als Fahrzeugantrieb zu wirken. Dadurch ist die Technologie ineffizient (Link zu VCÖ-Analyse).

Das Umweltbundesamt geht bis 2050 nicht davon aus, dass sich Wasserstoff gegenüber der Elektromobilität durchsetzt. Außer, es gelingt die Wasserstoff-Technologie deutlich billiger einzusetzen. Die Elektromobilität ist allerdings auch Treiber für die Weiterentwicklung der elektrischen Antriebstechnologie, die beim Antriebssystem mit Wasserstoff zur Anwendung kommt. Beim Wasserstoff lädt nämlich der Wasserstoff eine Batterie im Fahrzeug an. Deutlich vorteilhaft ist die reduzierte Ladezeit, die bei der Elektromobilität immer noch sehr hoch ist.

Was wirklich für Wasserstoff spricht, ist die immense Reichweite, welche im Bereich des Verbrennungsmotors liegt. Anders als bei der Batterie muss das Fahren nicht für langanhaltende Ladevorgänge unterbrochen werden. Dadurch, dass die Brennstoffzelle neben elektrischem Strom auch noch Wärme erzeugt, bestehen gerade im Winter entscheidende Vorteile gegenüber dem Elektroauto. Ähnlich dem hybriden Plug-in-hybrid mit Verbrennungsmotos und Elektroantrieb ist ein Plug-In-H2 denkbar, bei welchem Elektroantrieb und Brennstoffzelle kongenial wirken.

Andreas Friedrich vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geht davon aus, dass sich Elektromobilität und Wasserstoffantrieb parallel etablieren werden, ähnlich Benzin- und Dieselantrieb. Darüber hinaus könne es sich kein Automobilhersteller leisten, nicht auf Wasserstoff zu setzen. Besonders, was die hohen Reichweiten betrifft.

Anders als beim PKW-Verkehr stellt sich die Sachlage nämlich grundsätzlich beim Schwerverkehr oder beim internationalen Luft- und Seeverkehr dar, wo der Einsatz der Elektromobilität Schwierigkeiten bedeutet. Die Brennstoffzelle nimmt gegenüber der Batterie bei großen Reichweiten deutlich weniger Gewicht und Volumen in Anspruch und wird folglich zur Schlüsseltechnologie im Rahmen einer nachhaltigen Antriebsstrategie. Wesentlich ist nämlich der Umstand, dass die tabellarischen Werte, die für den PKW gelten, Speichermedium sowie den Motor umfassen. Bei hohen Reichweiten nimmt der Bedarf für das Speichermedium Batterie gegenüber dem Wasserstoff erheblich zu, weshalb sich ein elektrischer Schwerverkehr derzeit schwer tut.

Die Nachrichtenseite Business Insider stützt die Theorie von der Parallelität von Batterie und Wasserstoff:

„Vom übergeordneten Trend, dass die Zukunft der Mobilität rein elektrisch sein wird, ist auch Roland-Berger-Automobilexperte Bernhart überzeugt. Doch dabei werden je nach Fahrzeugart und Anforderungen sowohl Wasserstoff plus Brennstoffzelle als auch reine Batteriesysteme als Energiespeicher zum Einsatz kommen, sagt er. „Besonders für große Autos oder Nutzfahrzeuge eignet sich die Wasserstoff-Technologie. Je mehr Energie ein Fahrzeug braucht, desto schwerer wird die Batterie. Bei einem Lastwagen mit Brennstoffzellen-Antrieb ist der Wasserstoff-Tank maximal doppelt so schwer wie bei einem Verbrenner, während eine entsprechende Batterie schon mehrere Tonnen wiegen würde.“ Damit löst der Antrieb mit Wasserstoff ein wichtiges Problem des Fern- und Personenverkehrs der Zukunft. Somit scheint die Verteilung klar: Busse, Lastwagen und schwere SUV könnten in Zukunft mit der Brennstoffzellentechnologie fahren, während PKW als E-Autos wohl eher auf die Batterie zurückgreifen werden.“

Die Infrastruktur

Damit es zu einer Wasserstoff-Revolution kommen kann, sind neben Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen bei der Produktion von Brennstoffzellen Investitionen in die Infrastruktur notwendig:

• Die Herstellung: Das Um und Auf ist die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom durch die Elektrolyse. Hierzu sind Photovoltaik, Windkraft oder Wasserkraft zentral. Es geht folglich einmal mehr um eine effiziente, zeitgemäße und nachhaltige Energiewirtschaft. Dazu sind heute Investitionen in bestehende Anlagen zur Energieerzeugung sowie weitere Projekte im Energiebereich notwendig. Hinzu kommt die Herstellung von Anlagen zur Produktion von sauberem Wasserstoff.
• Die Speicherung: Plausibel und naheliegend ist natürlich die Speicherung in Tanks oder im Netz. Wenngleich das Speichern in Tanks begrenzte Möglichkeiten verspricht. Als Option gilt die unterirdische Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, die einige hunderte Meter tief gelegen sind.
• Die Verteilung: Die Verteilung des Wasserstoffes erfolgt in großen Mengen effizient in Wasserstoff-Pipelines. Durch die Methanisierung ist allerdings die Verteilung im Erdgasnetz möglich. Durch die Sabatier-Methode wird aus Wasserstoff Methan erzeugt, um ins Erdgasnetz eingespeist zu werden. Problematisch ist bei Wasserstoff, dass dieser aufgrund der geringen Masse sehr flüchtig ist und somit Verlusten im Rahmen der Verteilung entgegen zu wirken ist. Grundsätzlich sind umfangreiche Investitionen in ein Verteilernetz notwendig.
• Die Nutzung: Wasserstoff-Speicher sowie ein entsprechend dichtes Netz an Wasserstofftankstellen sind für die kommerzielle Nutzung der Wasserstoff-Technologie wesentlich. Hier ist die Elektromobilität aufgrund des Stromnetzes natürlich im Vorteil. Wasserstoff-Tanks mittels LKW zu transportieren ist längerfristig gegenüber Wasserstoff-Pipelines wohl keine Option.

Grundsätzlich stellt die Planung einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur folglich ein komplexes Unterfangen dar, welches in Zukunft allerdings notwendig wird.

Der Ausblick

Die derzeitige gesellschaftliche und wirtschaftliche Situation gibt trotz aller Bedenken Anlass zu Optimismus:

• Die Kapitalinvestments in saubere und nachhaltige Technologien nehmen deutlich zu – mitunter auch jene in Wasserstoff. Damit stehen Kapitalressourcen zur Verfügung. Wasserstoff-Aktien schießen teilweise regelrecht durch den Himmel, wenngleich die Dämpfer folgen.
• Das Bewusstsein für eine saubere und nachhaltige Energieversorgung ist so hoch wie nie. Entsprechend hoch ist auch das künftige Engagement der Politik und öffentlicher Förderungen.
• Führende Unternehmen im Sektor Energie setzen auch beim Wasserstoff neue Maßstäbe: Siemens Energy etwa in Chile mit dem „Hara Oni“ Projekt. Aber auch die „Enel Green Power“ setzt deutliche Akzente.
• Getrieben durch innovative und disruptive Unternehmen wie Tesla werden technologische Entwicklungen potenziert.
• Innovative Unternehmen wie Plug power (USA), Ballard Power Systems (Kanada) oder Powecell (Schweden) versuchen die Brennstoffzelle wirtschaftlich und effizient zu gestalten und gelten als Hoffnungsschimmer.

Es ist in Zukunft wohl noch viel stärker notwendig, dass Modell-Regionen entstehen und dass Bauingenieure, Anlagenbauer, Maschinenbauer, Automobilindustrie, Verkehrssysteme, Energiewirtschaft und Infrastrukturplanung an gemeinsamen Lösungen arbeiten, die zukunftsweisend sind.

Weiterführende Beiträge:

Für eine nachhaltige Energiewende

Stromausfall dank Energiewende?

Literatur:

[1] Martin Doppelbauer: „Grundlagen der Elektromobilität – Technik, Praxis, Energie und Umwelt“, Springer Vieweg, Karlsruhe 2020

[2] Michael Demanega: „Sistemi di produzione di energia da idrogeno ed applicazione in ambito abitativo“, Università di Trento – Facoltà di Ingegneria, Corso di Laurea – Ingegneria Civile, 2011-2012