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Wasserstoffwirtschaft

Definition: eine Energiewirtschaft, die in erheblichem Umfang auf Wasserstoff als Energieträger basiert

Englisch: hydrogen economy

Kategorien: erneuerbare Energie, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 16.10.2010; letzte Änderung: 11.09.2019

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,

Auf diese Weise würde Wasserstoff also einerseits fossile Energieträger ersetzen und andererseits teilweise auch den Ferntransport elektrischer Energie. Hierfür wurden allerdings sehr unterschiedliche Konzepte vorgeschlagen (siehe unten), die sich in verschiedener Hinsicht stark unterscheiden. Manche Konzepte würden Wasserstoff hauptsächlich als Energiespeicher einsetzen, andere dagegen als einen primären Rohstoff, der unmittelbar (ohne den Umweg über elektrische Energie) mit erneuerbaren Energien gewonnen würde.

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 Voraussetzungen 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 großen Mengen, und ebenfalls gäbe es Probleme mit der Wirtschaftlichkeit solcher Elektrolyseure.

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 (radioaktive Abfälle, 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 kaum auf deutlich unter 50 % zu drücken, während der direkte Transport elektrischer Energie mit Hochspannungsleitungen selbst über Tausende von Kilometern mit weniger als 10 % Verlust machbar ist – mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung sogar wesentlich weniger. Selbst mit Abwärmenutzung, soweit sie möglich ist, würde die Energiebilanz des Energietransports mit Wasserstoff nicht entscheidend verbessert.

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 durch Biomassevergasung und anschließende CO-Shift.

Transport und Speicherung

Der Transport und die Speicherung von Wasserstoff bringen geringere Schwierigkeiten mit sich als die Erzeugung. Wasserstoff-Pipelines sind nicht grundlegend aufwendiger als die bereits in großem Umfang verwendeten Erdgas-Pipelines, jedoch ist ihre Transportkapazität geringer (bei gleicher Größe), und die Energieverluste sind wegen der geringen Energiedichte von Wasserstoff wesentlich höher. Ähnliches gilt für Erdgas-Speicher, z. B. in Form von großen Kavernen: Sie könnten teilweise auch für Wasserstoff genutzt werden, aber mit viel geringerer Kapazität. Für den Ferntransport wäre es auch möglich, Wasserstoff in tiefgekühlter flüssiger Form (bei −252 °C) in großen Schiffen zu transportieren, allerdings mit hohem Energieaufwand und hohen Kosten v. a. für die Verflüssigung.

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, andererseits 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 bringt Wasserstoff beim Transport hauptsächlich Nachteile: Höhere Energieverluste als mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung entstehen in einer teureren Infrastruktur. Schon gar nicht attraktiv ist die Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff und wieder zurück (gleich mit welchen Technologien). Ein Vorteil ist allenfalls die Möglichkeit, einen Ferntransport per Schiff vorzunehmen, ohne eine teure Trasse bauen zu müssen (ähnlich wie bei Flüssigerdgas). Wirtschaftlich dürfte dies trotzdem kaum interessant sein.

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) recht 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 vielleicht 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 sowohl bei der Herstellung des Wasserstoffs als auch beim Transport. Auf der Seite der Nutzung könnten vor allem Brennstoffzellen verwendet werden, aber ihre Wirtschaftlichkeit müsste noch stark verbessert werden.

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. Diese Technologie ergäbe also einen Speicher für elektrische Energie und könnte in dieser Form die Energiewende unterstützen. Allerdings sind die Energieverluste dieser Technologie wesentlich höher als z. B. die von Pumpspeicherkraftwerken oder auch von Druckluftspeicherkraftwerken, die 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 zugunsten einer Wasserstoffwirtschaft ändern, wenn neue Quellen elektrischer Energie entwickelt würden, die ein sehr großes Potenzial aufweisen, welches zudem kostengünstig und umweltfreundlich nutzbar ist. Ähnliches würde natürlich auch für neue Verfahren zur direkten Erzeugung von Wasserstoff gelten. Alle diese Entwicklungen müssen jedoch bisher als höchst unsicher gelten. In jedem Fall wäre kaum zu erwarten, dass Wasserstoff dann elektrische Energie verdrängen würde; eher würde man damit Erdöl im Fahrzeugbereich substituieren.

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 erscheint es bisher als unwahrscheinlich, dass eine eigentliche Wasserstoffwirtschaft entstehen wird.

Literatur

[1]U. Bossel, “Wasserstoff löst keine Energieprobleme”, "http://wwwm.htwk-leipzig.de/~m6bast/rvlwasserstoff/091104vierteRIVLBossel.pdf" (2006)

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Wasserstoff, Energieträger, Brennstoffzelle, Elektrolyse, erneuerbare Energie, Biomassevergasung, Kernenergie, Klimaschutz, Speicher für elektrische Energie
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Grundbegriffe

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Kommentare von Lesern

20.12.2017

Manche behaupten, Wasserdampf als “Abfallprodukt” der Wasserstoffwirtschaft würde den Treibhauseffekt weiter anheizen (z. B. beim “Wasserstoffauto”). Andere sagen, der Wasserdampf sei Teil des natürlichen Wasserkreislaufs und hätte somit keine Auswirkungen. Was ist davon zu halten?

Antwort vom Autor:

Diese Befürchtung ist nicht fundiert. Es ist zwar richtig, dass Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas der Erde ist. Jedoch nimmt der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre durch solche Emissionen nicht wirklich zu; es gibt dann einfach ein bisschen mehr Niederschläge. Auch die Kühltürme von Großkraftwerken verdampfen große Mengen von Wasser, ändern damit aber nur das lokale Klima.

Indirekte Effekte gibt es übrigens durchaus: CO2-Emissionen erhöhen durch ihren Treibhauseffekt die Temperatur, dies erhöht dann wiederum den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre, und letzteres verstärkt den Treibhauseffekt dann noch erheblich weiter. Ohne dies wäre der CO2-Effekt gar nicht so schlimm.

08.09.2019

Wasserstoffwirtschaft wird trotz der bekannten Nachteile neuerdings wieder heiß diskutiert. Offenbar ist zu wenigen Befürwortern bekannt (oder schlimmer noch - egal) dass das technische Handling von Wasserstoff nur von wenigen großen Gaseherstellern (Linde, Messer, AirLiquide ...) beherrscht wird. Zu Ende gedacht, würde das neue Monopole in der Energieversorgung schaffen, da die Infrastruktur für Wasserstoff erst geschaffen werden muss.

Alternativ sollte die von Nobelpreisträger George Olah vorgeschlagene Methanolwirtschaft gefördert werden.

Literatur:

Antwort vom Autor:

In der Tat hat Methanol erhebliche Vorteile; mir scheint, dass diese Idee durchaus attraktiv ist.

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