Wasserstoffwirtschaft

Die Wasserstoffwirtschaft ist das Konzept einer Energiewirtschaft,^[1][2] in der auf allen Ebenen mit Wasserstoff gehandelt und gewirtschaftet wird. Grundelemente dieser Wasserstoffwirtschaft sind:

1. die Herstellung von Wasserstoff;
2. die Speicherung und Verteilung von Wasserstoff;
3. die energetische Nutzung des Wasserstoffs;

Geschichte

• 1874 - beschreibt der Schriftsteller Jules Verne in einem Dialog seiner Romanfiguren auf die Frage, was in späteren Zeiten einmal statt Kohle verbrannt werden solle, erstmals die Vision, Wasserstoff und Sauerstoff als Energiequelle zu verwenden.^[3]

• 1923 - beschreibt der Wissenschaftler John Burdon Sanderson Haldane in einem Aufsatz zum ersten Mal die Grundzüge einer Wasserstoffwirtschaft.^[4]

• 1970 verwendet der Elektrochemiker John Bockris erstmals den Begriff "Wasserstoffwirtschaft" (engl: „Hydrogen economy“) während einer Besprechung im General Motors Technical Center in Warren, Michigan.^[5]

• 1975 - entwirft John Bockris zusammen mit dem Physiker Eduard Justi das vollständige Konzept einer Wasserstoffwirtschaft.^[6]

• 1980 - entwickelt der Physiker Reinhard Dahlberg unter dem Eindruck der Ölkrise das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft, in der solarer Wasserstoff in Wüstengebieten erzeugt und über Pipelines zu den Verbrauchern transportiert wird.^[7] Wesentlicher Beweggrund war der Ersatz der versiegenden fossilen Rohstoffe. Dahlberg hat aber nicht nur die technischen, sondern auch die wirtschaftlichen Aspekte seiner Wasserstoffwirtschaft betrachtet.

• 1987 - demonstriert die Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH auf einem Testgelände im oberpfälzischen Neunburg vorm Wald den gesamten Kreislauf einer Wasserstoffwirtschaft.^[8]

• 1999 - nimmt die Isländische Regierung das Ziel einer Wasserstoffwirtschaft (unter dem Vorbehalt von Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit) in ihr Regierungsprogramm auf.^[9] Der Fokus Islands liegt dabei besonders auf Wasserstoffantrieben für Fahrzeuge und die Fischereiflotte, um unabhängig vom Öl zu werden - das Land besitzt keine abbaubaren fossilen Brennstoffe, ist aber reich an stromerzeugender Wasserkraft und Geothermie.

• 2002 - beschreibt der Ökonom Jeremy Rifkin das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft in seinem Buch Die H2-Revolution. Für Rifkin sind die negativen Auswirkungen auf die Wirtschaft durch steigende Ölpreise und der Endpunkt der fossilen Brennstoffe als "prekärster Augenblick der postindustriellen Geschichte" ein wichtiger Beweggrund.^[10][11]

• 2007 - nimmt das Europäische Parlament eine Erklärung an, in der die Schaffung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft mit einer funktionierenden Wasserstoffinfrastruktur bis 2025 gefordert wird. Als Begründung werden in der Erklärung die globale Erwärmung und die zunehmenden Kosten der fossilen Brennstoffe aufgeführt.^[12]

• 2008 - beschreibt der Ingenieur Karl-Heinz Tetzlaff in seinem Buch „Wasserstoff für alle“ das Konzept einer solaren Wasserstoffwirtschaft, in der die Erzeugung von Wasserstoff aus Biomasse eine große Rolle spielt.^[1] Er weist auch auf die Widerstände der etablierten Energiekonzerne und deren starken Lobbyeinfluss auf die Politik hin. Tetzlaff stellt unter Anderem folgende Vorteile seines Konzeptes der Wasserstoffwirtschaft heraus:

• die umweltfreundliche und nachhaltige Energiewirtschaft durch erneuerbare Energien in einem geschlossenen Stoffkreislauf;
• die Vermeidung des Freisetzens von Kohlenstoffdioxyd und damit das Verringern der globalen Erderwärmung;
• die Unabhängigkeit von den fossilen Brennstoffen und von Energieimporten aus Staaten mit unsicheren politischen Systemen;
• die Vermeidung von kriegerischen Auseinandersetzungen um die zur Neige gehenden fossilen Brennstoffe;
• die Verlagerung der Geldströme von der fossilen Energiewirtschaft hin zur lokalen Landwirtschaft;

Herkunft des Wasserstoffs aktuell

Wasserstofffabrik von Praxair, USA

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, der wie elektrischer Strom aus anderen Energieträgern hergestellt werden muss. Die weltweit produzierte Menge von Wasserstoff beträgt ca. 500 Mrd. m³ i.N. und ca. 19 Mrd. m³ i.N. in Deutschland (Stand 1999).^[13] Die 19 Mrd. m³ i.N. entsprechen ca. 53 TWh (Heizwert). Zum Vergleich: Der Verbrauch an elektrischer Energie in Deutschland belief sich im Jahr 2008 auf ca. 524 TWh. Immerhin könnten mit dieser Menge Wasserstoff 8 Mio. Brennstoffzellenfahrzeuge (z. B. Mercedes B-Klasse: Verbrauch 0,97 kg/100 km^[14] bei 33,3 kWh/kg) jedes Jahr mehr als 20.000 km zurücklegen.

Die zur Zeit gebräuchlichste und technisch meistgenutzte Form ist die Dampfreformierung aus dem im Erdgas primär enthaltenen Methan. Aber auch durch die partielle Oxidation von Schweröl wird Wasserstoff gewonnen. → Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffherstellung. Die weltweit produzierte Menge von Wasserstoff aus Erdgas und Schweröl beträgt ca. 310 Mrd. m³ i.N. und ca. 9 Mrd. m³ i.N. in Deutschland (Stand 1999).^[13] Erdgas und Schweröl sind fossile Primärenergieträger. Deshalb wird bei der Herstellung von Wasserstoff das klimaschädliche Kohlendioxid freigesetzt. Dies steht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft entgegen.^[12]

Ein Teil des Wasserstoffs entsteht auch als Nebenprodukt in der chemischen Industrie, z.B bei der Benzinreformierung und der Ethylenproduktion. Es entsteht aber auch Nebenproduktwasserstoff bei der Chloralkali-Elektrolyse und der Herstellung von Kokereigas durch die Kohlevergasung. 1999 wurden durch die chemische Industrie weltweit 190 Mrd. m³ i.N.und in Deutschland 10 Mrd. m³ i.N. hergestellt.^[13] Meist wird der so entstandene Nebenproduktwasserstoff durch Verbrennung direkt vor Ort energetisch genutzt.

Herkunft des Wasserstoffs in einer klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft

Biomasse

→ Siehe auch Hauptartikel: Biowasserstoff.

Die Erzeugung von Wasserstoff aus dem Primärenergieträger Biomasse ist klimaneutral, weil das bei der Herstellung freigesetzte Kohlendioxid der Atmosphäre vorher durch die Photosynthese entzogen wurde. Dies entspricht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft.^[12]

Wasserstoff kann aus Biomasse durch Gärung oder thermochemisch, z. B. durch Dampfreformierung, hergestellt werden. → Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffherstellung.

Eine großtechnische Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse existiert mit Stand 2011 nicht. Die Verfahren befinden sich meist noch im Stadium der Entwicklung. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt "Blauer Turm" im Herten. Die geplante Anlage wird 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren.^[15]

Parallelen bestehen zu thermochemischen Verfahren der Herstellung von BTL-Kraftstoffen. Hierbei wird aus Biomasse durch Vergasung zunächst ein wasserstoffreiches Synthesegas erzeugt. Aus diesem Synthesegas werden dann die gewünschten BTL-Kraftstoffe hergestellt. Mit einigen Modifikationen kann hierbei auch Wasserstoff hergestellt werden. Eine erste Anlage wurde 2008 von Choren Industries in Freiberg errichtet.^[16] Weitere großtechnische Anlagen sind im brandenburgischen Schwedt^[17] und in Frankreich geplant.^[18]

Aktuelle Situation

Energiepflanzen zur Erzeugung von Bioenergie werden heute bereits in großem Maßstab angebaut. Häufig verwendete Pflanzen sind z. B. Mais, Weizen, Zuckerrohr, Soja, Raps und Palmöl. Diese Pflanzen werden in großen Mengen zu Biokraftstoffen wie Bioethanol oder Biodiesel verarbeitet.

Dabei kann es zu folgenden Problemen kommen:

1. Durch Flächenkonkurrenz steigen die Nahrungsmittelpreise, was besonders in der dritten Welt und in den Schwellenländern zu einem Problem geworden ist.
2. Regenwälder werden gerodet, um Palmöl- und Zuckerrohrplantagen anzulegen
3. Intensive Bodenbearbeitung unter Verwendung von Kunstdünger und Pflanzenschutzmitteln führen zu Grundwassergefährdung und einer artenarmen Landschaft.

→ Siehe auch Artikel: Vor- und Nachteile der Bioenergien.

Miscanthus (Riesen-Chinaschilf) als möglicher Wasserstofflieferant im Anbau

Ökologisch weniger problematisch für eine nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff ist die Verwendung von Holz und Energiepflanzen, die nicht als Nahrungsmittel verwendet werden und die fast ohne Düngung und ganz ohne Pestizide bei extensiver Bewirtschaftung auskommen. Hinzu kommt der Vorteil, dass diese Pflanzen meist auch auf Böden wachsen, die für den Nahrungsmittelanbau nicht geeignet sind, so dass eine Flächenkonkurrenz weitgehend ausgeschlossen werden kann. Als Beispiel für solche Pflanzen seien Miscanthus, Igniscum und schnell wachsende Holzarten in Kurzumtriebsplantagen genannt.^[19]

Potential und Flächenbedarf der Energiepflanzen

→ Siehe auch Artikel: Potentiale und Flächenbedarf und Biomassepotential

Nach den Energieszenarien der Bundesregierung kann die zur Erzeugung von Biomasse genutzte Fläche bis 2050 ca. 4 Mio. ha (2011: 1,8 Mio. ha) betragen, ohne in Nutzungskonkurrenzen mit der Nahrungsmittelerzeugung zu geraten. Das sind nur 24 % der heute landwirtschaftlich genutzten Flächen. Daraus wird ein Primärenergiepotential von 740 PJ (18,5 MJ/kg bei 10 t/ha) errechnet.^[20] (Die Einheit Joule ist die Maßeinheit für die Energie. Ein Petajoule (PJ) sind eine Billiarde Joule. Zum Vergleich: der Energieverbrauch der privaten Haushalte Deutschlands lag 2006 bei 2675 PJ.)

Am Beispiel der Ertragswerte von Miscanthus (18,5 MJ/kg bei 20 t/ha) errechnet sich ein Primärenergiepotential von 1480 PJ/Jahr.

Abhängig von den angenommenen Parametern kann der Wert stark schwanken, z. B. kann sich durch erwartete Fortschritte bei Zucht und Anbau der Ertrag noch steigern. Bei einem Ertrag von 30 t/ha ergibt sich ein Potential von 2220 PJ.

Potential biogener Reststoffe

Biogene Reststoffe aus der Landwirtschaft, Landschaftspflegeholz, Waldrestholz und unbelastetes Industrierestholz können ebenfalls zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Das Potential biogener Reststoffe wird vom Bundesumweltministerium auf 900 PJ geschätzt.^[20]

Elektrolyse

→ Siehe auch Hauptartikel: Wasserelektrolyse.

Möglich ist die Erzeugung von Wasserstoff aus Wind- und Solarstrom, der bei günstigen Wetterlagen entsteht, vom Verbraucher aber nicht abgenommen wird und auch sonstwo nicht speicherbar ist (Windgas). Diese Energie würde verfallen (d.h., die Windräder müssten vom Netz genommen werden), wenn sie nicht zu Wasserstoff umgewandelt würde. Somit spielt der Wirkungsgrad in diesem besonderen Fall eine untergeordnete Rolle.

Dieses Verfahren wird seit Oktober 2011 in einem Pilotprojekt bei Enertrag im brandenburgischen Prenzlau eingesetzt.^[21] Nicht benötigter Strom wird mit einem 500 kW Druck-Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt und steht so für Berlins Wasserstofftankstellen^[22] zur Verfügung oder wird bei Bedarf in einem Hybridkraftwerk wieder verstromt.

Greenpeace Energy liefert seit Oktober 2011 ebenfalls Wasserstoff aus überschüssigem Windstrom der in reiner Form oder umgewandelt zu Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird.^[23]

Die Audi AG plant, ab 2013 im niedersächsischen Werlte Wasserstoff aus Windstrom zu erzeugen. Der erzeugte Wasserstoff wird zunächst in CNG umgewandelt, um als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge zu dienen. Der erzeugte Wasserstoff kann aber auch direkt in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden.^[24][25]

Hochtemperaturelektrolyse

→ Siehe auch Artikel: Hochtemperatur-Elektrolyseur.

Gute Wirkungsgrade verspricht die Hochtemperaturektrolyse, weil der Bedarf an elektrischer Energie mit steigender Temperatur sinkt. Die Hochtemperaturelektrolyse ist besonders interessant, wenn Abwärme aus anderen Prozessen genutzt werden kann, z. B. bei solarthermischen Kraftwerken.^[26] Das Verfahren befindet sich 2011 aber noch im Entwicklungsstadium.

Speicherung und Verteilung von Wasserstoff

→ Siehe auch : Wasserstoffspeicherung

Wasserstofftankstellen

Tanken mit Wasserstoff

Eine für den Alltagsbetrieb akzeptable Verteilungsinfrastruktur existiert zurzeit nur in kleinem Maßstab über eine geringe Anzahl von Wasserstofftankstellen. Nach Meinung des Linde-Chefs Wolfgang Reitzle,^[27][28] der sich auf den Bericht des Experten Dr. David Hart bezieht,^[29] sind die Kosten für den Aufbau einer derartigen Infrastruktur jedoch gering bis sehr gering. Dabei geht die Studie von einer zentralen Erzeugung und einer Verteilung mit Flüssigwasserstoff-Tankfahrzeugen aus.

Weltweit existieren 2011 ca. 200 Wasserstofftankstellen. In Deutschland sind es ca. 30, davon werden 7 öffentlich betrieben. Um in Deutschland ein flächendeckendes Netz zu erhalten, sind ca. 1000 Wasserstofftankstellen erforderlich. Der Daimler Konzern wird in Zusammenarbeit mit der Linde AG weitere 20 Wasserstofftankstellen bauen, um durchgängige Verbindungen auf der Nord-Süd und der Ost-West Achse zu gewährleisten.^[30] Eine Wasserstofftankstelle kostet ca. 1-1,5 Mio. Euro.^[31]

Wasserstoff in Rohrleitungen

In einer voll ausgebauten Infrastruktur mit entsprechenden Abnahmemengen wird aber eine Verteilung über Pipelines deutlich energieeffizienter und kostengünstiger sein. Dazu könnte ein Großteil des bereits bestehenden Erdgasnetzes verwendet werden.^[32][33] Das Erdgasnetz ist für die Aufnahme von Wasserstoff geeignet.^[34][35] Vor der Umstellung auf Erdgas wurden die deutschen Gasnetze mit Stadtgas betrieben, das zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff bestand.

Die Speicherkapazität des deutschen Erdgasnetzes liegt bei mehr als 200.000 GWh und kann den Energiebedarf mehrerer Monate zwischenspeichern.^[36] Zum Vergleich: die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke beträgt dagegen nur 40 GWh.

Es gibt zudem ausreichend praktische Erfahrungen mit Wasserstoffleitungen: im Ruhrgebiet wird seit Jahrzehnten ein über 240 km langes Wasserstoffnetz betrieben. Weltweit existierten 2010 mehr als tausend Kilometer Wasserstoffleitungen.^[37] Air Liquide betreibt 12 Pipeline-Netze mit einer Gesamtlänge von 1200 km^[38]

Der Energietransport über ein Gasnetzwerk erfolgt mit wesentlich weniger Verlusten (< 0,1 %) als bei einem Stromnetzwerk (8 %).^[39]

Das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Baden-Württemberg will künftig (Stand 2011) den Ausbau einer Wasserstoff-Infrastruktur unterstützen.^[40]

Energetische Nutzung des Wasserstoffs

Wichtigstes Element der Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Sie wandelt die im Wasserstoff enthaltene Energie in Wärme und Elektrizität um.

Nutzung im Haus

→ Siehe auch Artikel: Stationärer Einsatz.

Bei der häuslichen Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle kann wie bei der Blockheizkraftwerktechnik auch eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden, die den Gesamtwirkungsgrad steigert. Da bei dieser Betriebsweise die Wärmeproduktion im Vordergrund steht, werden diese Systeme nach dem Wärmebedarf gesteuert, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Vaillant hat ein Brennstoffzellenheizgerät entwickelt, das über einen Reformer auch mit Erdgas betrieben werden kann.^[41]

Der theoretisch erreichbare brennwertbezogene Wirkungsgrad liegt bei ca. 83 %.^[42] Bezieht man den Wirkungsgrad, wie bei Wärmekraftwerken und Verbrennungsmotoren üblich auf den Heizwert, ergibt sich ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von ca. 98 %. Die Systemwirkungsgrade liegen je nach Brennstoffzellentyp zwischen 40 % und 65 %, wobei unklar ist, ob diese brennwert- oder heizwertbezogen sind.^[43][44]

Nutzung im Verkehr

→ Siehe auch Artikel: Brennstoffzellenfahrzeug

Im Brennstoffzellenfahrzeug wird mit der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt mit dem ein Elektromotor angetrieben wird. Die Versorgung mit Wasserstoff geschieht über einen Drucktank (z. B. 700 bar) der an einer Wasserstofftankstelle aufgetankt werden kann. Mit Wasserstoff angetriebene Elektrofahrzeuge besitzen Reichweiten von bis zu 800 km.^[45]

Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda haben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen drastisch reduziert.

Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, hat Mercedes-Benz eine Weltumrundung mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. Bereits 200 Serienfahrzeuge dieses Typs sind 2010 an Kunden ausgeliefert worden.^[46]

Künftige Entwicklung

Opel wird ab 2015 erste Modelle mit Brennstoffzellenantrieb in Serie fertigen und den Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur für Wasserstofftankstellen parallel zur Markteinführung voranzutreiben.

Toyota plant den Einsatz von Großserien in Japan ab 2015 in Verbindung mit zahlreichen Wasserstofftankstellen in den japanischen Metropolregionen.^[47]

Daimler, wird die Serienfertigung von Brennstoffzellenfahrzeugen entgegen der ursprünglichen Planung um ein Jahr auf 2014 vorziehen. Der Preis soll nur etwa 20% über dem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor liegen.^[48]

Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft

Wirtschaftlichkeit ist ein Maß für den finanziellen Ertrag im Verhältnis zum finanziellen Aufwand. Ein Vorhaben oder Produkt ist wirtschaftlich wenn der Ertrag größer ist als der Aufwand und größer als der Ertrag von konkurrierenden Vorhaben oder Produkten. In einer Marktwirtschaft besteht für jeden Teilnehmer (Unternehmen, Verbraucher) grundsätzlich der Zwang zum wirtschaftlichen Handeln um zu bestehen. Jede Form der Energiewirtschaft wird sich in einer Marktwirtschaft nur dann durchsetzen wenn sie für den Verbraucher wirtschaftlich ist.

Die fossile Energiewirtschaft ist im Jahr 2011 im Gegensatz zu den erneuerbaren Energien und einer klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft wegen der noch günstigen Preise für die fossilen Primärenergien unbestritten wirtschaftlich. Erneuerbare Energien werden vom Verbraucher nur genutzt weil sie für eine Übergangszeit durch staatliche Maßnahmen wirtschaftlich gemacht werden (Förderung der erneuerbaren Energien/Besteuerung der fossilen Energien).

Die Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft ist von mehreren Faktoren abhängig (siehe Tabelle). Einer der bestimmenden Parameter ist der Preis der fossilen Primärenergieträger. Erst wenn das Fördermaximum der fossilen Energieträger überschritten ist und durch die zunehmende Erschöpfung deren Preis ansteigt kommen die erneuerbaren Energien und damit auch eine klimaneutrale Wasserstoffwirtschaft in den Bereich der Wirtschaftlichkeit. Als Vergleichswert dient unter Anderem der Ölpreis. Der liegt im Jahr 2011 um die 100 $/Barrel.^[49]

In einer Studie der DENA, die im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums im Jahr 2009 durchgeführt wurde, sind Preise zwischen 85 $/Barrel und 130 $/Barrel als Gewinnschwelle zur Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen genannt, sofern die Preise für ein Brennstoffzellenfahrzeug im Bereich eines Dieselfahrzeugs liegen.^[50] Nach der Einschätzung namhafter Automobilhersteller wird dies in den Jahren ab 2014 erreicht sein.^[48][27]

Faktoren welche die Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft erhöhen	Faktoren welche die Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft verringern
Die Ressourcenverknappung der fossilen Primärenergien führen zu Preissteigerungen. Damit wird die Preisdifferenz im Vergleich zum Wasserstoffpreis verringert oder kompensiert.	Neue Technologien erfordern zunächst hohe Investitionen (das war z.B. auch bei der Einführung der Kerntechnik so).
Das Potential der Effizienzsteigerung der Wasserstofftechnologien ist 2011 noch nicht ausgeschöpft. Bei den Technologien zur Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff, besonders aber bei der Brennstoffzellentechnik sind Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen zu erwarten.	Das Potential der Effizienzsteigerung der konventionellen fossilen Technologie ist 2011 noch nicht ausgeschöpft. Effizienzsteigerungen sind vor allen bei der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren und bei Hybridantrieben zu erwarten.
Das Klimaschutzziel der Bundesregierung (80 prozentige Reduktion der CO2 Emissionen bis zum Jahr 2050) bedingt hohe Investitionen zur Vermeidung klimaschädlicher Abgase bei den fossilen Energien (z. B. CCS), was die Energieeffizienz senkt und die Kosten erhöht. Damit wird die Wirtschaftlichkeit einer klimaneutralen Wasserstoffwirtschaft erhöht. Aus dem gleichen Grund werden erneuerbare Energien von der Bundesregierung gefördert um sie schneller in den Bereich der Wirtschaftlichkeit zu heben.	Die ökologischen und sozialen Folgen der fossilen Energiewirtschaft sind schwer zu quantifizieren und werden in einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der meist nicht zugeordnet, was die Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft gegenüber einer fossilen Energiewirtschaft scheinbar verringert.

Effizienz der Energiekette

Begriffsdefinition:

Kosteneffizienz	Energieeffizienz
ist ein Maß für den Geldertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Kosten. Je kosteneffizienter eine Technologie, desto höher ist ihre Wirtschaftlichkeit.	ist ein Maß für den Energieertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Energie. Je ernergieeffizienter eine Technologie, desto höher ist ihr Wirkungsgrad.

Kosteneffizienz geht nicht zwingend mit Energieeffizienz einher. So hat z. B. ein Kohlekraftwerk bei der Erzeugung von Strom mit einem Wirkungsgrad von 30-40% eine schlechte Energieeffizienz, ist aber wegen des niedrigen Kohlepreises sehr kosteneffizient und damit auch wirtschaftlich.

Auch in einer Wasserstoffwirtschaft werden, besonders in der Anfangsphase, nicht alle Umwandlungsketten von hoher Energieeffizienz geprägt sein. Die Kosteneffizienz kann dennoch im Bereich der Wirtschaftlichkeit liegen.

Beispiel
Die Umwandlungskette well to tank ohne Rohrleitungsnetz:
Strom aus Windkraft → Stromtransport → Wasserstoff aus Elektrolyse → Wasserstoffverflüssigung → Transport im Tankwagen → umfüllen/lagern an der Tankstelle
ist mit einem Wirkungsgrad 55-60% nicht besonders energieeffizient. 1 kg Wasserstoff kostet dennoch im Mai 2011 nur 8,- Eur.^[51] Dies ist der Wasserstoffpreis den der Kunde an der Tankstelle zu zahlen hat, also inclusive aller zu entrichtenden Mineralöl- bzw. Energiesteuern und inclusive der Investitionen für den Aufbau und Betrieb der Wasserstofftankstelle. Anzumerken ist, dass Mineralöl und Wasserstoff steuerlich unterschiedlich behandelt werden. Derzeit wird auf Wasserstoff keine Energiesteuer erhoben.

Fahrzeug mit Brennstoffzelle	Fahrzeug mit Ottomotor
Um mit einem Brennstoffzellenfahrzeug der Mercedes B-Klasse bei einem Verbrauch von 0,97 kg/100 km[14] und einem Preis von 8,099 Eur/kg[51] 100 km weit fahren zu können zahlt man 7,86 Eur.	Um mit einem Fahrzeug der Mercedes B-Klasse mit Ottomotor bei einem Verbrauch von 7 l/100km und einem Benzinpreis von 1,60 Eur[51] (E10) 100 km weit fahren zu können zahlt man 11,05 Eur.

Damit ist das Brennstoffzellenfahrzeug in Bezug auf den Treibstoffverbrauch trotz mäßiger Energieeffizienz wirtschaftlicher als das Fahrzeug mit Ottomotor.

Auch nach^[29] sind die Nutzenergiekosten bei Verwendung von konventionell durch Dampfreformierung erzeugtem, unbesteuertem Wasserstoff im Verhältnis zu Benzin durchaus wettbewerbsfähig. Die zu erwartende Besteuerung würde durch steigende Preise für Benzin ausgeglichen. Die angeführte Studie geht dabei von konstanten Preisen für die Wasserstoffherstellung aus.

Wirkungsgrade in einer Wasserstoffwirtschaft

Bei der Ermittlung der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft muss die ganze Umwandlungskette von der Herstellung des Wasserstoffs bis zu Erzeugung der Endenergie beim Verbraucher betrachtet werden.

Die Einschätzung der Wirkungsgrade in den Quellen sind teilweise sehr unterschiedlich weil sich viele Verfahren noch in der Entwicklung befinden und praktische Produktionserfahrungen noch fehlen.

Die für die Wirkungsgrade angenommenen Werte wurden aus der Schwankungsbreite gemittelt und können in der Realität durchaus nach oben oder unten abweichen. Die errechneten Gesamtwirkungsgrade können daher nur Näherungswerte sein.

Art	Angenommener Wirkungsgrad	Daten aus verschiedenen Quellen
Wasserstoff thermochemisch aus Biomasse	0,80	Der Wirkungsgrad der thermochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse wird je nach Verfahren zwischen 78 % und 85 %[52] angegeben.
Wasserstoff aus Elektrolyse	0,80	Der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse wird mit 70 bis 90 %[53] angegeben.
Wasserstoff Transport im Gasnetzwerk	0,99	0,01 % Verluste im Gasnetzwerk[39]
Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung	0,95	85 % Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert mit Reformer.[41] Beim Einsatz ohne Reformer wird ein 10 % besserer Wirkungsgrad geschätzt. Bei Heizanlagen kann der Wirkungsgrad auch auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffes bezogen werden, dabei können physikalisch unsinnige Wirkungsgrade über 100 % entstehen.
Brennstoffzelle elektrisch	0,60	Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen wird zwischen 35 % und 90 % angegeben. Der elektrische Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle beträgt 60%[54]
Lithium-Ionen-Akku	0,90	Lithium-Ionen-Akkus haben einen Wirkungsgrad von 90 %
Elektromotor	0,90	Der Wirkungsgrad von Elektromotoren wird zwischen 85 % und 95 % angegeben
Wasserstoff Verdichtung auf 700 bar	0,88	Die Verluste bei der Verdichtung betragen ca. 12 %

In einer Wasserstoffwirtschaft ergibt sich also für die Energiekette
Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung
ein Wirkungsgrad von 0,8 * 0,99 * 0,95 = 0,75

Für Brennstoffzellenfahrzeuge ergibt sich die Energiekette
Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Verdichtung auf 700 bar → Brennstoffzelle elektrisch → Elektromotor
mit einem Wirkungsgrad von 0,8 * 0,99 * 0,88 * 0,6 * 0,9 = 0,38

Zum Vergleich: Wirkungsgrade in der fossilen Energiewirtschaft

Art	Angenommener Wirkungsgrad	Daten aus verschiedenen Quellen
Strom aus Kohlekraftwerken	0,31	31 % Wirkungsgrad im Mittel der deutschen Kohlekraftwerke. 2010 beträgt der Anteil der Stein- und Braunkohlekraftwerke an der deutschen Stromerzeugung 43 %.
Stromtransport	0,92	8 % Verluste im Stromnetz[39]
Transport und Aufbereitung Motorenbenzin	0,85	Die Erzeugung und Bereitstellung fossiler Kraftstoffe wie Benzin und Diesel aus Erdöl erfolgt bei Wirkungsgraden bis 85 %[55]
Ottomotor	0,24	Ottomotoren besitzen einen Wirkungsgrad von 10-37 %

Für Strom aus einem Kohlekraftwerk ergibt sich mit der Energiekette
Kohlekraftwerk → Stromtransport
ein Wirkungsgrad von 0,31 * 0,92 = 0,29

Für ein akkugetriebenes Elektrofahrzeug ergibt sich mit der Energiekette
Kohlekraftwerk → Stromtransport → Akku → Elektromotor
ein Wirkungsgrad von 0,31 * 0,92 * 0,9 * 0,9 = 0,23

Für ein Fahrzeug mit Ottomotor ergibt sich mit der Energiekette
Transport und Aufbereitung Motorenbenzin → Ottomotor
Ein Wirkungsgrad von 0,85 * 0,24 = 0,20

Der Vergleich zeigt dass die Gesamtwirkungsgrade einer Wasserstoffwirtschaft durchaus über denen der etablierten fossilen Energiewirtschaft liegen können.

Die Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft wird in den Quellen teilweise leidenschaftlich diskutiert. Je nach den gewählten Ausgangsvoraussetzungen und angenommenen Einzelwirkungsgraden wird die Energieeffizienz eher optimistisch oder eher pessimistisch betrachtet.^[56][57]

Umwelt- und Klimaschutz

Die Nutzung von erneuerbaren Energien ist an sich klimaneutral und emissionsfrei. Bei Nutzung von Biomasse gilt das auch in einer Wasserstoffwirtschaft. Es entstehen weder bei der Vergasung zu Wasserstoff noch bei der Nutzung des Wasserstoffs irgendwelche Luftschadstoffe. Die Nutzung der Biomasse enthält sogar zwei Optionen, um den Treibhauseffekt rückgängig zu machen.

• Die Speicherung des CO2 im Untergrund, welches bei der Herstellung von Wasserstoff zwangsläufig in konzentrierter Form anfällt.
• Die Einarbeitung von Bio-Koks in den Acker, wenn man die Vergasung entsprechend steuert. Das macht den Acker fruchtbarer und ist als Terra preta bekannt.

Durch den Wegfall von Emissionen entfallen die sozialen Kosten der Energieerzeugung. Diese sind von gleicher Größenordnung wie die direkt zu zahlenden Energiekosten.

2003 befürchteten Wissenschaftler des California Institute of Technology in Pasadena aufgrund von Simulationen dass eine umfassende Wasserstoffwirtschaft rund 100 Million Tonnen Wasserstoff in die Atmosphäre freisetzen und damit die Ozonschicht schädigen könnte.^[58]

Nach neueren wissenschaftlichen Untersuchungen des Forschungszentrums Jülich im Jahr 2010 wird dieser Effekt bei realistischen Annahmen aber verschwindend gering sein. Der positive Effekt durch Verzicht auf fossile Energieträger überwiegt. Ursprünglich wurde davon ausgegangen dass ca. 20 % des Wasserstoffes in die Atmosphäre entweicht. Aufgrund der technologischen Entwicklung wird aber heute davon ausgegangen dass weniger als 2% entweichen. Hinzu kommt dass der Wasserstoff seine volle, Ozon schädigende Wirkung nur im Beisein von FCKW entfaltet. Mit dem Rückgang des FCKW in den nächsten Jahren wird der Wiederaufbau der Ozonschicht überwiegen.^[59]

Unfallrisiko in einer Wasserstoffwirtschaft

→ Siehe auch : Sicherheitshinweise
→ Siehe auch : Unfallrisiko bei Wasserstofffahrzeugen

Wasserstoff ist, wie z. B. Benzin oder Erdgas, entzündlich. Bei technischen Anlagen müssen die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoffs berücksichtigt werden. Die chemische Industrie nutzt Wasserstoff in großen Mengen seit über hundert Jahren, so dass hinreichende Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff bestehen.^[60] Wasserstoff ist ungiftig und schädigt nicht die Umwelt. Daher ist auch kein MAK-Wert festgelegt. Atem- oder Hautschutz sind nicht erforderlich. Beim Umgang mit Wasserstoff sind die Sicherheitsbestimmungen einzuhalten.

Mit Wasserstoff betriebene PKW sind nicht gefährlicher als mit Benzin oder Gas betriebene Fahrzeuge. Wasserstoff ist wegen der geringen Dichte ein sehr flüchtiges Gas. Im Freien verflüchtigt es sich sehr schnell. Der Zeitraum, in dem es dabei ein entzündliches Gemisch bilden kann, ist deshalb sehr kurz.^[61]

Die heute verwendeten Drucktanks halten (im Gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus.^[62][63][64] Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt.

Kritik

Von Kritikern wird das hier beschriebene Konzept als Utopie bezeichnet. Eine Wasserstoffwirtschaft ist zurzeit nirgends im großen Stil verwirklicht und die Umsetzbarkeit ist umstritten.^[65][66] Folgende Aussagen werden angezweifelt: Die Wasserstoffwirtschaft wird als Alternative zur Stromwirtschaft dargestellt. Die Befürworter einer Wasserstoffwirtschaft heben die angebliche bessere Speicherbarkeit von Wasserstoff gegenüber derjenigen von Strom hervor. Wasserstoff besitze die Eigenschaft einer guten Kurzzeitspeicherung in Form von tolerierbaren Druckschwankungen in einem Pipeline-Verteilungsnetz (die Pipeline selbst ist der Speicher), sowie der Langzeitspeicherungsfähigkeit in Kavernen (so wie zurzeit Erdgas gespeichert wird). Benötigte elektrische Energie könne aus Wasserstoff vor Ort mit Hilfe von Brennstoffzellen mit einem Wirkungsgrad^[67][68] erzeugt werden, der deutlich den der deutschen Kraftwerke überträfe:^[69] Allerdings betrachten die angeführten Quellen zur Energieeffizienz der Brennstoffzellen lediglich die Umwandlung von Erdgas beziehungsweise Wasserstoff in Strom, berücksichtigen jedoch die Energieverluste nicht, die bei der Herstellung des benötigten Wasserstoffs anfallen.

Siehe auch

• Wasserstofftechnologie
• Liste der Wasserstofftechnologien
• Wasserstoffantrieb
• Hydrogen highway
• Clean Energy Partnership
• Zero Regio

Weblinks

• Biowasserstoff-Magazin

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Karl-Heinz Tetzlaff: Wasserstoff für alle, BOD Verlag, 2008, ISBN 978-3-8370-6116-1.
2. ↑ Studie des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbandes (Quelle: DWV Stand: 2008)
3. ↑ Jules Verne: Die geheimnisvolle Insel, 1875, ISBN 978-3-401-00260-6.
4. ↑ John Burdon Sanderson Haldane: Daedalus oder Wissenschaft und Zukunft; Drei Masken Verlag, München 1925
5. ↑ History of Hydrogen (Quelle: New York State Energy Research and Development Authority, Abgerufen am: 4. August 2011)
6. ↑ John O. M. Bockris, Eduard W. Justi: Wasserstoff. Energie für alle Zeiten. Konzept einer Sonnen-Wasserstoff-Wirtschaft. Augustus Verlag, ISBN 3-8043-2591-2.
7. ↑ Der Wasserstoff Guide: Geschichte (Quelle: Hydrogeit)
8. ↑ Das Solar-Wasserstoff Projekt (Quelle: Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH Stand: März 1999)
9. ↑ Island auf Kurs zum Wasserstoff (Quelle: Deutscher Wasserstoffverband Stand: 21. Oktober 1999)
10. ↑ Jeremy Rifkin: Die H2-Revolution. Campus Verlag, Frankfurt/Main 2002, ISBN 978-3-593-37097-2.
11. ↑ Ölkrise verändert die Globalisierung (Quelle: Die Zeit, Stand: 3. Juni 2008)
12. ↑ ^{a b c} Schriftliche Erklärung zur Wasserstoffwirtschaft vom 12. Februar 2007 (Quelle: Europäisches Parlament)
13. ↑ ^{a b c} Hydrogeit Herstellung von Wasserstoff (Quelle: Hydrogeit Verlag)
14. ↑ ^{a b} Mercedes-Benz baut serienfertigung für Brennstoffzellen (Stand: 21. März 2011 Quelle: Elektrofahrzeug-Institut GmbH
15. ↑ Der Blaue Turm (Quelle: Wasserstoff-Kompetenz-Zentrum Herten)
16. ↑ Choren nimmt BTL-Anlage in Betrieb (Quelle: Process Chemie Pharma Verfahrenstechnik Stand: 30. April 2008)
17. ↑ Die Ernte für den Autotank (Quelle: Märkische Oderzeitung Stand: 11. Februar 2011)
18. ↑ Choren hat BtL-Projekt in Frankreich an Land gezogen (Quelle: Top Agrar Online Stand: 1. Februar 2010)
19. ↑ Studie: Mais und Raps mit schlechter Klimabilanz (Quelle: Agrar Heute Stand: 27. April 2011)
20. ↑ ^{a b} Ergebnis der Energieszenarien der Bundesregierung (Quelle: Informationsdienst Wissenschaft IDW Stand: 28. April 2011)
21. ↑ Wasserstoff Hybridkraftwerk (Quelle: Enertrag Stand: 18. Januar 2011)
22. ↑ Interview mit Enertrag-Vorstand Werner Diwald (Stand: 12. Mai 2011 Quelle: Autogazette)
23. ↑ Mit Windgas in den Atomausstieg (Quelle: Presseportal Stand: 17. März 2011)
24. ↑ Audi gibt Co2 eine Chance (Quelle: Heise Stand: 18. Mai 2011)
25. ↑ Ein Autohersteller als Öko-Aktivist (Quelle: Der Spiegel Stand: 13. Mai 2011)
26. ↑ Solarer Wasserstoff (Quelle: Forschungsverbund Erneuerbare Energien Stand: 2002)
27. ↑ ^{a b} Interview mit Wolfgang Reizle (Stand: 28. Juli 2011 Quelle: Auto Motor und Sport)
28. ↑ Linde (Quelle: Deutscher Wasserstoffverband Stand: 24. Februar 2005)
29. ↑ ^{a b} The Economics of a European Hydrogen Infrastructure for Automotive (Quelle: International Hydrogen Day Stand: 24. Februar 2005)
30. ↑ Daimler und Linde wollen Wasserstofftankstellen bauen (Quelle: Handelsblatt, Stand 1. Juni 2011)
31. ↑ Daimler baut früher Autos mit Brennstoffzellen (Quelle: Südwest Presse, Stand 3. Juni 2011)
32. ↑ Linde Wasserstoffprospekt 2005 S.13
33. ↑ Biowasserstoffmagazin 18. Ausgabe S.33 Pipelinetechnologie
34. ↑ Zumischung von Wasserstoff im Erdgasnetz (Quelle: Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches Stand Oktober 2010)
35. ↑ Erdgasleitungen als Speicher für Windenergie (Quelle: Heise Stand: 18. April 2011))
36. ↑ Ökostrom als Erdgas speichern (Quelle: Fraunhofer Institut Stand: 26. April 2010)
37. ↑ Transport von Wasserstoff (Quelle: TÜV Süd)
38. ↑ Wasserstoff als Energieträger (Quelle: Air Liquide)
39. ↑ ^{a b c} Wasserstofftransport (Quelle: H2 Works)
40. ↑ Im Land soll eine Wasserstoff-Infrastruktur für eine zukunftsfähige Energienutzung und nachhaltige Mobilität aufgebaut werden (Quelle: Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft, Baden-Württemberg Stand 19. Januar 2011)
41. ↑ ^{a b} Brennstoffzellenheizgerät - Daten und Fakten (Quelle: Vaillant Group)
42. ↑ Richard Herbrik: Energie- und Wärmetechnik B.G. Teubner Stuttgart 1993 2. Auflage; Kap.4.1
43. ↑ Funktionsprinzip von Brennstoffzellen (Quelle: Netzwerk Brennstoffzelle und Wasserstoff NRW)
44. ↑ Wissen Brennstoffzelle (Quelle: Hydrogeit Verlag)
45. ↑ Wasserstoff wird kommen (Quelle: Energie und Technik WEKA Fachmedien GmbH Stand: 12. April 2011)
46. ↑ Mercedes B-Klasse F-Cell auf Weltreise (Quelle: Heise Stand: 31. Januar 2011)
47. ↑ Massenmarkt für Brennstoffzelle startet in Japan 2015 (Quelle: Deutsche Industrie- und Handelskammer in Japan Stand: 14. Januar 2011)
48. ↑ ^{a b} Daimler baut ab 2014 Brennstoffzellenautos in Grossserie (Quelle: Heise Stand: 3. Juni 2011)
49. ↑ Historische Ölpreise (Abgerufen am 28. Juli 2011 Quelle: Tescon)
50. ↑ Woher kommt der Wasserstoff S.43 (Stand: August 2009 Quelle: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena))
51. ↑ ^{a b c} Kraftstoffkostenvergleich (Stand: Mai 2011 Quelle: Auto&Umwelt Autoportal)
52. ↑ Wasserstoffproduktion aus Biomasse (Quelle: H2 Works)
53. ↑ Wasserstoff Hochleistungs-Elektrolyseur (Quelle: Hydrogeit Verlag)
54. ↑ Probefahrt im Toyota FCHV adv (Quelle: Heise Stand: 29. Juli 2011)
55. ↑ Wirkungsgrade verschiedener Energieketten (Quelle: Hydrogen Center Austria Stand: 2009)
56. ↑ Ulf Bossel: Saubere Energie aus Wasserstoff ist Illusion (Stand: 30. Juni 2008)
57. ↑ Karl-Heinz Tetzlaff: Vom Wesen einer Wasserstoffwirtschaft (Stand: Januar 2006)
58. ↑ Wasserstoff als Ozonkiller? (Quelle: Umweltdialog.de Mediengruppe macondo Stand: 30. September 2003)
59. ↑ Wasserstoff ist keine Gefahr für die Ozonschicht (Quelle: Energie Agentur NRW Stand: 25. Februar 2010)
60. ↑ Deutscher Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband: Wasserstoff - der neue Energieträger, Stand: 22. März 2004
61. ↑ Wasserstoff so sicher wie Benzin
62. ↑ Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin
63. ↑ Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Wasserstoff
64. ↑ Video: Chrashversuch der University of Miami
65. ↑ Die Mär vom Wasserstoff (Quelle: Zeit Online Stand 7. Oktober 2004)
66. ↑ Wasserstoff löst keine Energieprobleme, Ulf Bossel. erschienen in "Technologiefolgenabschätzung - Theorie und Praxis"; No.1, 15.Jg – April 2006
67. ↑ Fa Gennex: Brennstoffzellenmodul für hocheffiziente Stromerzeugung (Quelle: Ceramic Fuel Cells GmbH Stand: April 2010)
68. ↑ Fuel Cell Power Modules der Fa. HYDROGENICS(Quelle: Hydrogenics GmbH Stand: 2009)
69. ↑ Energieeffizienz bei der Stromerzeugung (Quelle: Umweltbundesamt Stand: Juli 2009)