Solare Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoffwirtschaft bezeichnet eine Energiewirtschaft, in der Wasserstoff - neben elektrischem Strom - einen weiteren Energieträger darstellt. Wasserstoff soll Benzin, Diesel, Heizöl, Kerosin und Kernbrennstoffe als Energieträger ersetzen.

Wasserstoffeinfüllstutzen an einem BMW mit Hydrogenmotor, Museum Autovision, Altlußheim

Linde-Wasserstofftank, Museum Autovision, Altlußheim

Ein Teil der bei der Herstellung von Wasserstoff investierten Energie wird wieder freigesetzt, wenn er mit Sauerstoff reagiert. Dies erfolgt entweder in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie oder in Verbrennungsmotoren zur Erzeugung mechanischer Energie oder durch einfache Verbrennung zur Wärmeerzeugung.

Chancen

Die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugt reines Wasser. In einer Wasserstoffwirtschaft werden weder Treibhausgase ausgestoßen noch die Luft durch Schadstoffe verunreinigt, wenn bei der Wasserstoffherstellung ausschließlich erneuerbare Energien und keine fossilen Energieträger wie Erdöl oder Erdgas eingesetzt werden.

Wird der Wasserstoff aus Biomasse oder aus fossilen Brennstoffen erzeugt, entstehen große Mengen an klimaschädlichen CO₂.^{[1] [2]}

Umwandlungsverluste

Einzelschritte

Typischer Energiebedarf für Erzeugung, Kompression bzw. Verflüssigung, Transport und Nutzung von Wasserstoff^[3]

Verfahrensschritte	Technische Angaben	Energieverluste in MJ/kg H2	Verluste in % des Ho Wasserstoff) Der Brennwert Ho von Wasserstoff beträgt 142 in MJ/kg
Elektrolyse	1,76 Volt bei 1 atm	61	43 %
Kompression	1 bar –> 200 bar	10	7 %
Kompression	1 bar –> 400 bar	13	9 %
Kompression	1 bar –> 800 bar	17	12 %
Verflüssigung	100 kg / h	65	46 %
Verflüssigung	1000 kg / h	45	32 %
Verflüssigung	10.000 kg / h	35	28 %
Straßentransport	200 bar, 200 km	18	13 %
Straßentransport	200 bar, 400 km	36	25 %
Straßentransport	flüssig, 200 km	3	2 %
Pipeline	10 bar, 1000 km	12	8 %
H2-Elektrolyse an Tankstelle	entspricht 60.000 Liter Benzin pro Tag	80 (einschl. Wasseraufbereitung, Kompression, Gebäudeenergiebedarf usw.)	56 %
Betanken	100 bar auf 400 bar	5	4 %
Brennstoffzelle	Verstromung	142 (Oxidierung)	50 %

Gesamtkette bei Wasserstofftransport in Tanks

Verfahrensschritt	Wirkungsgrad	Energieverlust in MJ	noch vorhandene Energie in MJ
Wechselstrom-Energie ab Kraftwerk			100
Gleichrichter	95 %	5	95
Elektrolyse	75 %	23,8	71,2
Verdichtung auf 800 bar	88 %	8,5	62,7
Transport 400 km	75 %	15,7	47
Brennstoffzelle PAFC	38 %	29,1	17,9
Wechselrichter	95 %	0,9	17

Die Gleichrichtung entfällt, wenn der elektrische Strom von Photovoltaikzellen geliefert wird. Zum Vergleich: Die direkte Übertragung der Wechselstromenergie über Hochspannungsleitungen bewirkt bei gleicher Entfernung von 400 km nur etwa 3 % Verluste, es kommen also noch 97 MJ an.

Gesamtkette bei Wasserstoffverflüssigung und -speicherung ohne Transport

Verfahrensschritt	Wirkungsgrad	Energieverlust MJ	noch vorhandene Energie MJ
Wechselstrom-Energie ab Kraftwerk			100
Gleichrichter	95 %	5	95
Elektrolyse	75 %	23,8	71,2
Verflüssigung 10000 kg/h	72 %	19,9	51,3
Tankverlust pro Tag	2 %	1	50,3
Brennstoffzelle PAFC	38 %	31,2	19,1
Wechselrichter	95 %	0,9	18,2

Die Gleichrichtung entfällt, wenn der elektrische Strom von Photovoltaikzellen geliefert wird. Zum Vergleich: Ein Pumpspeicherkraftwerk hat etwa 80 % Wirkungsgrad und würde 80 MJ liefern.

Probleme

• Der Wirkungsgrad der Elektrolyse ist mit 60 bis 80 % vergleichsweise zu gering.
• Die gespeicherte Energie kann mit Brennstoffzellen am effizientesten genutzt werden. Diese sind aber anfällig gegen feuchtes und kaltes Klima und derzeit (Mai 2007) liegt die Lebensdauer noch weit unterhalb üblicher Standzeiten konventioneller Technologien und arbeiten mit mäßigen Wirkungsgraden um 40 %.
• Die geringen Wirkungsgrade der notwendigen Umformungsschritte Elektrolyse und Brennstoffzelle begrenzen den Gesamtwirkungsgrad auf 0,7·0,4 = 28 %.
• Lagerung und Transport sind energieaufwändig und teuer, Tanks sind schwer und/oder groß, Leckagen und Diffusion verursachen große Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad weiter verringern.
• Die Verbrennung von Wasserstoff in Motoren und Triebwerken ist nur bei niedrigen Verbrennungstemperaturen schadstofffrei, andernfalls entstehen Stickoxide, die nur mittels nachgeordneter Katalysatoren beseitigt werden können. Zur Erzielung hoher Wirkungsgrade in Verbrennungskraftmaschinen (Gasturbinen, Ottomotoren, Rakentenantriebe) sind jedoch hohe Verbrennungstemperaturen wünschenswert.
• Die Realisierung großer Wirkungsgrade von Verbrennungskraftmaschinen erfordert neue Werkstoffe, die den hohen Temperaturen und Verbrennungsgeschwindigkeiten widerstehen.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen^[4]:

• Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
• Erdgas: 13,9 kWh/kg
• Benzin: 12,7 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

• Benzin: 8760 kWh/m³
• Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
• Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
• Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
• Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Kritik

Wasserstoff ist in der chemischen Industrie und weiteren Fertigungsverfahren ein seit langem verwendeter Grundstoff und wird es auch bleiben. Der Begriff der Wasserstoffwirtschaft bezieht sich jedoch im engeren Sinne nur auf dessen Verwendung als Energieträger und -speicher und hierbei insbesondere als Treibstoff-Alternative für ein Zeitalter nachhaltiger Energieerzeugung. Seine besondere Präferierung hierfür scheint jedoch häufig politisch und ideologisch begründet zu sein: Wind- und Sonnenenergie sowie Kernenergie und geothermische Kraftwerke erzeugen elektrischen Strom, der mittels Elektrolyse Wasserstoff liefern kann. Biomasse liefert Kohlenwasserstoffe sowie darüber hinaus eine potentielle Kohlenstoffquelle, um damit z. B. aus solarem Wasserstoff klimaneutral Kohlenwasserstoffe wie Methanol herzustellen, das wesentlich leichter und effizienter transportiert und gespeichert werden kann (Methanolwirtschaft). Da sowohl Otto- und Dieselmotoren, aber auch Brennstoffzellen mit Kohlenwasserstoffen (Methanol oder Ethanol) betrieben werden können, ist der Einsatz von Wasserstoff zumindest als Treibstoff für Fahr- und Flugzeuge nicht notwendig. Alternativ zu einer Umsetzung zu Wasserstoff kann Strom aus erneuerbaren Energien auch in weiterentwickelten Akkumulatorsystemen (Redox-Flow-Zellen), Pumpspeicherkraftwerken oder Druckluftspeicherkraftwerken gespeichert werden, die nach heutigem Stand der Technik wesentlich kostengünstiger sind und bereits industriell eingesetzt werden.

Ein potenziell etwas höherer Wirkungsgrad von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen geht mit einigen Nachteilen einher: hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten, vermehrte Emission von Stickoxiden, schwere und große Tanks, Probleme mit Leckagen und Diffusionsverlusten, Energieverluste bei der Komprimierung bzw. Verflüssigung.

Weiterhin wird kritisiert, dass in Zukunft, in der Energieerzeugung wesentlich auf erneuerbaren Energien basiert, die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger immer nur höchstens etwa 25 % des Stroms nutzen wird, aus dem er gewonnen wird. In einer zukünftigen Energiewirtschaft würden sich fast alle wichtigen Prozesse auf möglichst effizient genutzten Strom stützen, so dass Wasserstoff bis auf Ausnahmefälle nicht konkurrenzfähig sei.

Die H₂/O₂-Verbrennung in so genannten Außenluftunabhängigen Kreislaufmotoren gestattet zwar die Vermeidung von NO_x- Emissionen, ist aber aufwändig.

Das Gas Wasserstoff diffundiert in auffallenden Mengen aus jedem Tank und jeder Rohrleitung und reichert sich in der Atmosphäre an. Über die globalen Auswirkungen bei verstärkter Verwendung können bisher nur Vermutungen angestellt werden^[5].

Forscher am Forschungszentrum Karlsruhe sehen für die Wasserstoffwirtschaft keine Zukunft. Zukünftig wird die Gesellschaft Energie fast ausschließlich aus regenerativen Energien beziehen. Diese liefern fast ausschließlich elektrischen Strom. Damit müsste Wasserstoff über Elektrolyse hergestellt werden. Der Wirkungsgrad dafür ist zu klein. Strom kann dagegen leicht über Leitungen verteilt werden und kann als Ausgangsbasis für jede weitere Energieform dienen. Wirkungsgradverluste sind relativ klein. Eine Wasserstoffwirtschaft kann damit nicht konkurrieren. ^[6]

Siehe auch

• Zero Regio
• Wasserstoffunternehmen

Einzelnachweise

1. ↑ Keine Spur von einer Wasserstoffwirtschaft?
2. ↑ Solare Wasserstoffwirtschaft - die billigere Alternative
3. ↑ Energiebilanzen bei Wasserstoff
4. ↑ Energieinhalte im Vergleich
5. ↑ Wasserstoff im Tank ist weniger harmlos als bisher vermutet
6. ↑ forschung-zentrum-karlsruhe: Wasserstoff löst keine Energieprobleme

Weblinks

• Die Mär vom Wasserstoff - Wasserstoffwirtschaft: reine Energieverschwendung, Die Zeit 42/2004