Wasserstoffwirtschaft | <<< | >>> | Feedback |
Definition: eine Energiewirtschaft, die in erheblichem Umfang auf Wasserstoff als Energieträger basiert
Für eine ferne Zukunft ist es vorstellbar, dass die Energieversorgung in großem Umfang auf Wasserstoff als Energieträger basieren wird. In einer solchen Wasserstoffwirtschaft (H2-Wirtschaft) würden insbesondere fossile Energieträger wie z. B. Erdölprodukte durch Wasserstoff ersetzt, der dann nicht nur an Teile der Industrie, sondern in erheblichem Umfang auch zu den Endverbrauchern geliefert würde. Zu einer Wasserstoffwirtschaft würde also gehören,
- dass große Mengen von Wasserstoff auf umweltverträgliche Weise erzeugt werden können,
- dass umfangreiche Einrichtungen zur Lieferung des Wasserstoffs an viele Endverbraucher betrieben werden,
- und dass viele Endverbraucher einen wesentlichen Teil ihrer Nutzenergie (z. B. in Form von elektrischer Energie und Wärme) mit Hilfe des Wasserstoffs gewinnen.
Auf diese Weise würde Wasserstoff also einerseits fossile Energieträger ersetzen und andererseits zumindest teilweise auch den Ferntransport elektrischer Energie.
Im Folgenden wird die Verwendung von Wasserstoff in einer Wasserstoffwirtschaft diskutiert. Der Artikel über Wasserstoff beschreibt bereits die grundlegenden Eigenschaften dieser Substanz und die technischen Möglichkeiten.
Erzeugung von Wasserstoff
In einer Wasserstoffwirtschaft dürfte anders als heute die Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas keine große Rolle spielen, da sonst eine starke Abhängigkeit von einem fossilen Energieträger entstünde. Dies würde sich allenfalls ändern, wenn unerwartet große und gut nutzbare Erdgasvorkommen entdeckt würden und gleichzeitig die Sequestrierung (Abscheidung und sichere unterirdische Lagerung) des entstehenden Kohlendioxids praktiziert werden könnte, um die entsprechenden Klimagefahren durch CO2-Emissionen zu vermeiden.
Die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser würde für die großtechnische Anwendung interessant, wenn in großem Umfang kostengünstige und umweltfreundliche elektrische Energie gewonnen werden könnte. Hier ist einerseits an diverse Quellen erneuerbarer Energie zu denken – beispielsweise an Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie – und andererseits an Kernenergie, zukünftig eventuell in der Form von Kernfusion. Allerdings reichen die bisher entwickelten erneuerbaren Energien schon nicht aus, um die fossilen Energieträger direkt bei der Stromerzeugung zu verdrängen; somit ist für die nächsten Jahrzehnte kein Ökostrom übrig, um zusätzlich noch Wasserstoff zu erzeugen und auf diese Weise z. B. Erdölprodukte zu ersetzen. Hinzu kommen die Kostenprobleme. Die Voraussetzung für eine Wasserstoffwirtschaft auf der Basis erneuerbar erzeugter elektrischer Energie werden also zumindest für einige Zeit noch nicht erfüllt sein. Allenfalls könnte ein kurzzeitiger Stromüberschuss, wie er beispielsweise bei entsprechenden Wetterlagen aus Windenergie entstehen kann, für die Wasserstoff-Elektrolyse genutzt werden, aber dies ergäbe keine allzu großem Mengen.
Auch bei der Kernenergie reicht das bisher vorhandene Potenzial ebenfalls bei weitem nicht aus, um allein schon die Kohlekraftwerke zu verdrängen, und diese Aufgabe erschiene aus der Sicht des Klimaschutzes als prioritär. Somit ist es schwer vorstellbar, dass die Kernenergienutzung weltweit derart ausgeweitet werden könnte, dass damit zusätzlich noch in großem Umfang Wasserstoff erzeugt werden könnte – selbst wenn für die bekannten Probleme der Kernenergie (Atommüll, Unfallgefahren, Proliferation von Atomwaffen) überzeugende Lösungen gefunden würden. Die Kernfusion hätte zwar im Prinzip die Chance, diese Probleme weitgehend zu entschärfen, jedoch ist bis heute unklar, ob sie technisch und vor allem in wirtschaftlich vertretbarer Weise realisierbar sein wird – selbst mit einem Zeithorizont von einem halben Jahrhundert.
Wenn beim Endverbraucher elektrische Energie benötigt wird, hat der Umweg über Elektrolyse und die Brennstoffzelle den Nachteil, dass erhebliche Energieverluste auftreten. Diese sind bisher nur schwer auf deutlich unter 50 % zu drücken, während der direkte Transport elektrischer Energie selbst über Tausende von Kilometern mit weniger als 10 % Verlust machbar ist. Allerdings würde die Abwärmenutzung, soweit sie möglich ist, die Bilanz doch wieder deutlich verbessern.
Durchaus denkbar sind diverse direkte Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ohne den Umweg über elektrische Energie. Im Rahmen einer solaren Wasserstoffwirtschaft können photoelektrochemische Solarzellen eingesetzt werden; deren Entwicklung befindet sich allerdings noch in einem sehr frühen Stadium. Ähnliches gilt für die thermische Wasserspaltung in thermochemischen Kreisprozessen unter Verwendung konzentrierter Sonnenstrahlung oder von Wärme aus Hochtemperatur-Kernreaktoren. Untersucht werden auch diverse anspruchsvolle Verfahren zur Wasserstoffherstellung aus Biomasse.
Transport und Speicherung
Der Transport und die Speicherung von Wasserstoff bringen geringere Schwierigkeiten mit sich als die Erzeugung. Wasserstoff-Pipelines sind nicht grundlegend aufwändiger als die bereits in großem Umfang verwendeten Erdgas-Pipelines. Ähnliches gilt für Erdgas-Speicher, z. B. in Form von großen Kavernen. Für den Ferntransport wäre es auch möglich, Wasserstoff in tiefgekühlter flüssiger Form (bei −253 °C) in großen Schiffen zu transportieren.
Problematischer ist der Transport in kleineren Fahrzeugen, z. B. unter Benutzung von Druckgasflaschen, Hydridspeichern oder Tanks für flüssigen Wasserstoff. Der Artikel über Wasserstoff erläutert diese Technologien und ihre Begrenzungen z. B. hinsichtlich der erreichbaren Energiedichte. Diese ist einerseits deutlich geringer als z. B. für Tanks für Benzin oder Dieselkraftstoff, aber doch sehr viel höher als für Batterien von Elektroautos. Insofern ist denkbar, dass Wasserstoff das Reichweitenproblem der Elektroautos lösen wird.
Im Vergleich zu elektrischer Energie könnte Wasserstoff über sehr große Strecken (tausende von Kilometern) günstiger transportierbar sein (trotz der erheblichen Fortschritte der Hochspannungs-Gleichstromübertragung). Für kurze Strecken gilt aber das Gegenteil; hier ist die elektrische Variante effizienter und viel kostengünstiger.
Verwendung von Wasserstoff bei den Endverbrauchern
Bei den Endverbrauchern könnte Wasserstoff auf verschiedene Weisen genutzt werden. Besonders wichtig wären hier Brennstoffzellen, um verbrauchernah elektrische Energie zu gewinnen. Die Effizienz von Brennstoffzellen kann beim Betrieb mit Wasserstoff (eher als z. B. mit Erdgas) sehr hoch sein – unter Umständen deutlich über 50 %. Zusätzlich könnte die entstehende Abwärme lokal genutzt werden. Problematisch sind bisher noch die Kosten von Brennstoffzellen; dieses Problem könnte durch weitere Forschung und Entwicklung aber durchaus noch gelöst werden.
Auf einfachere Weise, z. B. durch direkte Verbrennung oder katalytische Oxidation, lässt sich auch Wärme aus Wasserstoff gewinnen. So würde allerdings das Exergie-Potenzial des Wasserstoffs sehr unvollständig genutzt, insbesondere wenn es um Niedertemperaturwärme geht. Diese Art der Wasserstoffnutzung würde also bezüglich Energieeffizienz der Elektroheizung ähneln.
In Fahrzeugen könnten wiederum Brennstoffzellen eingesetzt werden oder (kostengünstiger, aber deutlich weniger effizient) auch Verbrennungsmotoren. Das Hauptproblem dürfte hier im Transport des Wasserstoffs bestehen.
Auch in der Industrie – beispielsweise in der chemischen Industrie – ließe sich Wasserstoff in vielfältiger Weise nutzen, insbesondere für die Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme (einschließlich Hochtemperaturwärme als Prozesswärme).
Die Aussichten für die Realisierung einer Wasserstoffwirtschaft
In die heutige Energiewirtschaft ist Wasserstoff als Energieträger relativ schwer integrierbar. Auch für eine umfangreiche Nutzung in ferner Zukunft wären noch erhebliche Hürden zu überwinden, und zwar insbesondere bei der Herstellung des Wasserstoffs. Dagegen würde der Langstreckentransport gewisse Vorteile bieten, während der Kurzstreckentransport zwar realisierbar, aber teuer sein dürfte. Ebenfalls wären Nutzungsmöglichkeiten insbesondere durch die bereits vorhandene Brennstoffzellentechnologie schnell zu schaffen.
Im Prinzip könnte Wasserstoff für die Stabilisierung der elektrischen Versorgungsnetze verwendet werden, und zwar auf zwei verschiedene Arten:
- Man könnte die Wasserstoff-Herstellung durch Elektrolyse gezielt nur in Zeiten mit Stromüberschuss einsetzen, den Wasserstoff am Ort speichern und später in Zeiten hohen Strombedarfs mit stationären Brennstoffzellen wieder Strom erzeugen. Allerdings sind die Energieverluste dieser Technologie wesentlich höher als z. B. die von Pumpspeicherkraftwerken – eher vergleichbar mit denen von Druckluftspeicherkraftwerken, die allerdings weitaus kostengünstiger realisiert werden können.
- Alternativ könnte die Elektrolyse in viel größerem Umfang eingesetzt werden, um damit z. B. viele Fahrzeuge zu versorgen. Die Netzstabilisierung würde dann dadurch erreicht, dass die Elektrolyse in Zeiten hohen Strombedarfs reduziert oder eingestellt wird. Diese Variante erfordert also einerseits nicht unbedingt eine erhöhte Spitzenleistung der Stromerzeugungsanlagen (Kraftwerke), andererseits aber eine erheblich höhere Jahresproduktion an elektrischer Energie.
Die Situation könnte sich stark zugunsten einer Wasserstoffwirtschaft ändern, wenn neue Quellen elektrischer Energie entwickelt würden, die ein sehr großes Potenzial aufweisen, welches zudem kostengünstig und umweltfreundlich nutzbar ist. Insbesondere würde Wasserstoff dann interessant, wenn diese Energie fernab von den Verbrauchszentren anfiele, so dass die Vorteile des Langstreckentransports von Wasserstoff in Pipelines zum Tragen kämen. Ähnliches würde natürlich auch für neue Verfahren zur direkten Erzeugung von Wasserstoff gelten. Alle diese Entwicklungen müssen jedoch bisher als höchst unsicher gelten.
Es ist ebenfalls denkbar, dass neue erneuerbare Energien eher dezentral elektrische Energie erzeugen werden und dass somit die direkte Nutzung ohne den Umweg über Wasserstoff günstiger sein wird. Auch eine vorstellbare, wenn auch bisher recht unwahrscheinliche massive Ausweitung der Kernenergienutzung würde nicht unbedingt den Einstieg in eine Wasserstoffwirtschaft begünstigen oder bedingen. Denkbar ist ebenfalls, dass andere neue Energieträger entwickelt werden, die insbesondere leichter zu transportieren und speichern sind als Wasserstoff. Aus diesen Gründen ist es gut möglich, dass eine eigentliche Wasserstoffwirtschaft niemals entstehen wird.
Siehe auch: Wasserstoff, Energieträger, Brennstoffzelle, Elektrolyse, erneuerbare Energie, Kernenergie, Klimaschutz