Wasserstoffwirtschaft
Definition: eine Energiewirtschaft, die in erheblichem Umfang auf Wasserstoff als Energieträger basiert
Englisch: hydrogen economy
Kategorien: erneuerbare Energie, Grundbegriffe
Autor: Dr. Rüdiger Paschotta
Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen
Ursprüngliche Erstellung: 16.10.2010; letzte Änderung: 20.08.2023
URL: https://www.energie-lexikon.info/wasserstoffwirtschaft.html
Es ist vorstellbar, dass z. B. in ein paar Jahrzehnten 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. Denkbar wäre die Verwendung von Wasserstoff zur dezentralen Stromerzeugung, aber auch für den Antrieb vor allem größerer Fahrzeuge und für diverse andere Anwendungen. Zu einer Wasserstoffwirtschaft würde 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 teilweise auch den Ferntransport elektrischer Energie (z. B. von Nordafrika nach Mitteleuropa). Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit der Speicherung (→ Wasserstoffspeicher), um Erzeugung und Verbrauch zeitlich zu entkoppeln.
Für eine Wasserstoffwirtschaft wurden allerdings sehr unterschiedliche Konzepte vorgeschlagen (siehe unten), die sich in verschiedener Hinsicht stark unterscheiden; es gibt also nicht Pläne für "die" Wasserstoffwirtschaft, sondern ganz unterschiedliche Versionen davon, die auf unterschiedliche Erzeugungswege und Arten der Verwendung setzen.
Im Folgenden wird die mögliche Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff in einer Wasserstoffwirtschaft diskutiert. Der Artikel über Wasserstoff beschreibt dagegen die grundlegenden Eigenschaften dieser Substanz und weitere technische Details.
Erzeugung von Wasserstoff
Gewinnung aus Erdgas
Bislang wird der vor allem von der chemischen Industrie in großen Mengen benötigte Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas gewonnen. Damit nutzt man jedoch eine fossile Quelle, die erstens endlich ist und zweitens zu klimaschädlichen CO2-Emissionen führt.
In einer Wasserstoffwirtschaft dürfte dieser Weg deswegen keine große Rolle spielen – höchstens in begrenztem Umfang mit einer modifizierten Version, die nicht CO2 als Abfallprodukt liefert, sondern elementaren Kohlenstoff, der abgelagert werden könnte, um die klimaschädliche Wirkung zu eliminieren. Alternativ könnte man das Prinzip der CO2-Abscheidung und -Speicherung praktizieren, um die entsprechenden Klimagefahren durch CO2-Emissionen zu vermeiden bzw. wenigstens zu minimieren. Die Abhängigkeit von einem endlichen fossilen Energieträger bliebe damit allerdings bestehen – wegen der reduzierten Effizienz sogar in vergrößertem Maße.
Elektrolyse
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 vor allem an diverse Quellen erneuerbarer Energie zu denken – beispielsweise an Wasserkraft, Windenergie und Sonnenenergie. Bisher reichen zwar die erneuerbaren Energien schon nicht aus, um die fossilen Energieträger direkt bei der Stromerzeugung zu verdrängen; somit ist bislang jedenfalls in Europa kein Ökostrom übrig, um zusätzlich noch Wasserstoff zu erzeugen. Jedoch ist für die nächsten 20 Jahre ein starker Ausbau denkbar, der solche Kapazitäten schüfe. Außerdem ist an den möglichen Aufbau großer Solar- oder Windenergieanlagen in abgelegenen Regionen zu denken, die für den Abtransport der elektrischen Energie mit Hochspannungsleitungen zu weit von den Verbrauchszentren entfernt sind. Neben dem Transportproblem würde der Wasserstoff auch das Speicherproblem lösen; damit ließen sich auch saisonale Speicher gut realisieren.
Je nach Energiequelle müsste die Erzeugung von Wasserstoff dann zeitlich mehr oder weniger variieren. Wenn beispielweise nur nicht anders verwertbare Stromüberschüsse in Europa dafür genutzt würden, könnte die Elektrolyse z. B. nur für wenige tausend Stunden pro Jahr betrieben werden. Ähnlich sieht es bei der Nutzung von Wind- oder Solarenergie in abgelegenen Regionen aus. Die begrenzte Auslastung der Anlagen erhöht leider den Anteil der Anlagekosten an den Erzeugungskosten. Dies könnte auch Kompromisse bzgl. Wirkungsgrad notwendig machen: Der Betrieb von Elektrolyseuren mit hohen Stromdichten vermindert die Anlagekosten, aber leider auch die Energieeffizienz.
Wenn beim Endverbraucher elektrische Energie benötigt wird, hat der Umweg über Elektrolyse und die Brennstoffzelle (als wohl bevorzugte Technologie für die Verstromung des Wasserstoffs) vor allem 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 – vor allem mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung. Selbst mit Abwärmenutzung, soweit sie überhaupt praktikabel ist, würde die Energiebilanz des Energietransports mit Wasserstoff nicht entscheidend verbessert. Vielleicht wird man aber erhebliche Energieverluste akzeptieren als Preis dafür, dass man damit große Energiespeicher realisieren kann – sogar saisonale Speicher.
Gewinnung mit Kernenergie
Kernenergie kann elektrische Energie für die Elektrolyse bereitstellen. Alternativ gibt es im Prinzip die Möglichkeiten, Wasserstoff bei hohen Temperaturen thermisch zu erzeugen; dafür geeignete Hochtemperaturreaktoren wurden jedoch bisher kaum entwickelt.
Bei der Kernenergie reicht das bisher vorhandene Potenzial 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. Deswegen ist ein umfangreicher Einsatz von Kernenergie für eine Wasserstoffwirtschaft höchstens für eine ferne Zukunft denkbar.
Neue Methoden
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 technisch 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 Gas-Speicher, z. B. in Form von großen Kavernen: Sie könnten statt mit Erdgas 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. Die volumetrische Energiedichte ist deutlich geringer als z. B. für Tanks für Benzin oder Dieselkraftstoff, immerhin aber doch sehr viel höher als für Batterien von Elektroautos. Insofern könnte Wasserstoff das Reichweitenproblem der Elektroautos lösen.
Im Vergleich zu elektrischer Energie bringt Wasserstoff beim Transport hauptsächlich Nachteile: Höhere Energieverluste als mit Hochspannungs-Gleichstromübertragung entstehen in einer teureren Infrastruktur. Verlustreich ist insbesondere die Umwandlung elektrischer Energie in Wasserstoff und wieder zurück (gleich mit welchen Technologien). Vorteil sind aber einerseits die Möglichkeit, einen Ferntransport per Schiff vorzunehmen, ohne eine teure Trasse bauen zu müssen (ähnlich wie bei Flüssigerdgas), und andererseits die Speicherfunktion.
Neuartige Technologien könnten diese Probleme zumindest für manche Anwendungen lösen oder wenigstens vermindern. Beispielsweise gibt es organische Flüssigkeiten (flüssige organische Wasserstoffträger, LOHC = liquid organc hydrogen carriers) (→ Wasserstoffspeicher), die große Mengen von Wasserstoff aufnehmen können, indem sie diesen chemisch an sich binden. Eine mit Wasserstoff beladene Flüssigkeit lässt sich dann häufig wesentlich besser transportieren als das Wasserstoffgas selbst – man könnte beispielsweise Fahrzeuge damit betanken ähnlich wie mit einem konventionellen Kraftstoff. Im Fahrzeug muss dann allerdings der Wasserstoff wieder der Flüssigkeit entzogen werden – meist durch Zufuhr von Wärme, die idealerweise als Abwärme von einem anderen Prozess ohnehin zur Verfügung steht – etwa von einer auf geeignetem Temperaturniveau arbeitenden Brennstoffzelle oder von einem Verbrennungsmotor. Entsprechende Technologien befinden sich noch in der Entwicklung und zeigen teilweise schon ermutigende Resultate. Die Anwendung beispielsweise für Züge auf nicht elektrifizierten (also mit Oberleitungen versehenen) Bahnstrecken dürfte von der Technologie her schon bald möglich sein, wobei allerdings der Verbrauch an elektrischer Energie (wenn daraus der Wasserstoff gewonnen würde) rund doppelt so hoch läge wie bei der direkten Stromversorgung der Züge mit Oberleitungen.
Verwendung von Wasserstoff bei den Endverbrauchern
Stationäre Anwendungen
Bei den Endverbrauchern könnte Wasserstoff auf verschiedene Weisen genutzt werden. Besonders wichtig wären hier Brennstoffzellen, um 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 – vor allem wenn der Betrieb verbrauchernah erfolgt (also eher dezentral). Beispielsweise könnten Heizungsanlagen teilweise oder sogar ganz mit einer Brennstoffzelle arbeiten, damit sowohl die elektrische Energie als auch die Abwärme direkt nutzbar wären. Fraglich ist allerdings, ob die vorhandene Feinverteilung von Erdgas auf Wasserstoff umgestellt werden könnte; alternativ müssten die Brennstoffzellen mit Methan betrieben werden, welches aus dem Wasserstoff zentral hergestellt wird, was allerdings den technologischen Aufwand wieder erhöht und die Energieeffizienz weiter vermindert. Problematisch sind bisher auch die hohen Kosten von Brennstoffzellen; dieses Problem könnte durch weitere Forschung und Entwicklung aber vielleicht noch gelöst werden.
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). Hier wären die wirtschaftlichen Hürden vermutlich geringer als bei ganz dezentralem Einsatz.
Auf einfachere technische 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 problematischen Energieeffizienz der Elektroheizung ähneln. Am ehesten könnte dies für die Erzeugung von Hochtemperatur-Prozesswärme sinnvoll sein.
Mobile Anwendungen
In Fahrzeugen könnten wiederum Brennstoffzellen eingesetzt werden oder (kostengünstiger, aber deutlich weniger effizient) auch dafür entwickelte Verbrennungsmotoren. Das Hauptproblem dürfte hier im Transport des Wasserstoffs bestehen. Wie oben ausgeführt, könnte hier die Entwicklung von flüssigen Wasserstoffträgern wesentliche Fortschritte ermöglichen – zunächst für größere Fahrzeuge wie Züge und Lastwagen, später eventuell auch für Personenwagen.
Die Aussichten für die Realisierung einer Wasserstoffwirtschaft
In die heutige Energiewirtschaft ist Wasserstoff aus mehreren Gründen als Energieträger relativ schwer integrierbar:
- Die Technologie der Elektrolyse ist zwar ausgereift, aber immer noch relativ teuer. In Europa steht zudem nur zeitweise überschüssige (und damit billige) erneuerbare elektrischer Energie zur Verfügung, und damit betriebene Anlagen wären wegen der geringen Auslastung nochmals kostspieliger. Solange der so gewonnene Wasserstoff mit fossilen Energieträgern konkurrieren müsste, wäre er nicht annähernd konkurrenzfähig. Ähnliches gilt für den Ansatz, Wasserstoff aus Biomasse zu gewinnen.
- Leitungsnetze für gasförmigen Wasserstoff stehen nicht zur Verfügung; falls könnten bestimmte Erdgasleitungen auf Wasserstoff umgestellt werden. Vor allem aber besteht keine Infrastruktur für die Feinverteilung von Wasserstoff, beispielsweise zu Tankstellen. Der Transport auf Straßen wäre wenig praktikabel – höchstens bei Einsatz flüssiger Wasserstoffträger, für die die notwendige Technologie derzeit entwickelt wird.
- Für den Wasserstoffbetrieb geeignete serienmäßig erhältliche Autos gibt es ebenfalls noch kaum; die allerersten Modelle werden derzeit eingeführt (mit recht hohen Preisen). Ähnliches gilt für andere dezentrale Nutzungsarten.
Auch für eine umfangreiche Nutzung wären also noch erhebliche Hürden zu überwinden, und zwar sowohl bei der Herstellung des Wasserstoffs als auch beim Transport und der Nutzung. Auf der Seite der Nutzung könnten (abgesehen von der Chemieindustrie) vor allem Brennstoffzellen verwendet werden, aber deren Wirtschaftlichkeit müsste noch stark verbessert werden.
In Zukunft könnte Wasserstoff eine wichtige Rolle im Verkehrssektor spielen, aber wegen der mäßigen Eignung für Transport und Speicherung vermutlich eher als Zwischenprodukt z. B. für die Herstellung flüssiger Energieträger, auch wenn dadurch der Gesamtwirkungsgrad nochmals reduziert wird. Diese Variante würde aber wohl nicht als Wasserstoffwirtschaft bezeichnet.
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 mit meist deutlich über 50 % wesentlich höher als z. B. die von Pumpspeicherkraftwerken oder auch von Druckluftspeicherkraftwerken, die zudem wesentlich kostengünstiger realisiert werden können.
- Alternativ könnte die Elektrolyse in viel größerem Umfang mit einer höheren Zahl von Jahresbetriebsstunden eingesetzt werden, um damit z. B. viele Fahrzeuge zu versorgen. Ein Beitrag zur Netzstabilisierung würde dann dadurch erreicht, dass die Elektrolyse in Zeiten hohen Strombedarfs reduziert oder eingestellt wird. (Denkbar wäre auch eine Rückverstromung in Zeiten besonders hohen Strombedarfs.) Diese Variante erfordert also einerseits nicht unbedingt eine erhöhte Spitzenleistung der Stromerzeugungsanlagen (Kraftwerke), andererseits aber eine deutlich höhere Jahresproduktion an elektrischer Energie.
Die Situation könnte sich allmählich zugunsten einer Wasserstoffwirtschaft ändern:
- Sehr nützlich wäre die Entwicklung weiterer Quellen elektrischer Energie, 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. Es ist jedoch derzeit nicht klar, wie viel davon in den nächsten Jahrzehnten möglich ist.
- Hilfreich wären auch Technologien für einen praktikableren Transport von Wasserstoff, einerseits im großen Maßstab und andererseits für die dezentrale Verteilung.
- Ähnliches gilt für die Entwicklung verbesserter Speichersysteme für Wasserstoff.
Gleichzeitig wird eine Wasserstoffwirtschaft im engeren Sinne unwahrscheinlicher, wenn Entwicklungen für alternative gasförmige oder vor allem flüssige Energieträger, die aus Wasserstoff hergestellt werden können, voranschreitet. Denkbar wäre beispielsweise ein System, bei dem Methanol eingesetzt würde, das bezüglich Transport und Speicherung wesentliche Vorteile aufweist und eher in die bestehende Infrastruktur integriert werden könnte.
Literatur
[1] | Blog-Artikel: "Die Nationale Wasserstoffstrategie – mehr als heiße Luft?" |
[2] | U. Bossel, "Wasserstoff löst keine Energieprobleme", "https://leibniz-institut.de/archiv/bossel_16_12_10.pdf" (2010) |
[3] | Online-Vortrag und Diskussion mit Dr. Paschotta zu Wasserstoff, https://www.youtube.com/watch?v=Df_IArg2i_8 |
Siehe auch: Wasserstoff, Energieträger, Brennstoffzelle, Elektrolyse, erneuerbare Energie, Biomassevergasung, Kernenergie, Klimaschutz, Speicher für elektrische Energie
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