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Wasserstoff Explosives Gas als Energieträger der Zukunft

Wasserstoff hinterlässt beim Verbrennen praktisch keine Abgase. Das macht das Gas zum idealen Ersatz für Kohle, Öl und Erdgas in Industrie und Verkehr. Deutschland soll in der Wasserstoff-Technologie einen Spitzenplatz einnehmen.

Stand: 12.06.2020

Deutschland soll nach dem Willen der großen Koalition bei der Nutzung neuartiger klimafreundlicher Wasserstoff-Energie weltweit zum Vorbild werden. Dazu verabschiedete das Bundeskabinett am 9. Juni 2020 in Berlin eine Strategie, die Milliarden-Zuschüsse, rechtliche Erleichterungen und konkrete Produktionsziele vorsieht. Neben den laufenden Förderprogrammen soll mit sieben Milliarden Euro erreicht werden, dass sich Wasserstoff am Markt durchsetzt. Weitere zwei Milliarden sind für internationale Partnerschaften eingeplant. Im Zentrum steht dabei der sogenannte grüne Wasserstoff, der ausschließlich mit erneuerbarer Energie gewonnen wird.

Wasserstoff als Beitrag zur Energiewende

Wasserstoff ist als Energieträger interessant, weil er nahezu emissionsfrei verbrennt. Allerdings braucht es viel Energie, um das Molekül H2 abzuspalten. Zudem fehlt noch weitgehend die nötige Infrastruktur für diese Technologie. Auch rechtliche Fragen zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff müssen noch geklärt werden.

"Letztlich hängt es von gesellschaftlicher Akzeptanz, technologischem Fortschritt und Wirtschaftlichkeit ab, wie sich Gaskraftwerke, Batterien, Wasserstoff und mögliche weitere Technologien einpendeln."

Thomas Fritz, Berater im Bereich Energieversorgung

Wasserstoff in der Raumfahrt

Ohne Wasserstoff wäre ein Flug ins All undenkbar. Seit den 1960er-Jahren ist das Gas der Treibstoff der Raumfahrt. In den 1970er- und 1980er-Jahren begannen Forscher dann, mit Wasserstoff zu experimentieren und entwickelten die Idee von der "Wasserstoffwirtschaft". Sie hatte zum Ziel, Wasserstoff als Energieträger auszubauen, um damit unabhängig von den fossilen Energieträgern Kohle und Erdöl zu werden.

Strom speichern und transportieren

Solar-Wasserstoffanlage in der Oberpfalz

Die Vision ist, mit Sonnen- und Windkraftwerken Strom zu gewinnen, der dann zur Produktion von Wasserstoff genutzt wird. Das Gas soll es ermöglichen, Energie zu speichern, zu transportieren und damit sowohl die Industrie wie auch die Verbraucher flächendeckend zu versorgen.

Fans wandeln sich zu Kritikern

Von Anfang an hatte die Wasserstoffwirtschaft auch Kritiker - und nicht nur das: Im Laufe der Jahre wurde aus manch einem Fan auch ein Gegner. So war es zum Beispiel bei Ulf Bossel. Anfangs baute der gelernte Maschinenbau-Ingenieur aus Begeisterung eigene Brennstoffzellen, doch inzwischen hält er die Wasserstoffwirtschaft für keine gute Idee mehr, weil sie keine Energieprobleme löse.

"Wenn man dann analysiert, die ganzen Verluste rechnet, kommt man schnell zu dem Schluss, weshalb es die Wasserstoffwirtschaft in der Vergangenheit nicht gegeben hat, weshalb sie sich heute schwer tut und weshalb sie in Zukunft vermutlich nie kommen wird: Es ist im Grunde genommen ein riesiges Energie-Verlustspiel. Und wir haben keine Energie zu verlieren, sondern wir müssen sehen, dass wir die Energie, die wir gewinnen, sinnvoll nutzen."

Ulf Bossel, Schweizer Maschinenbau-Ingenieur und Brennstoff-Zellen Experte

Wasserstoff muss hergestellt werden

Eine Brennstoffzelle für den Laptop kann mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden.

Wasserstoff ist ein Bestandteil des Wassers und fast aller organischen Verbindungen. Wasserstoff ist das häufigste chemische Element im Universium und ist deshalb reichlich vorhanden. Allerdings hat er den Nachteil, dass er nur in gebundener Form vorkommt. Um Wasserstoff als Energieträger nutzen zu können, muss man das Gas daher erst aus Wasser oder Methan gewinnen. Das geschieht zum Beispiel durch Elektrolyse: Bei diesem Verfahren trennt man mit Strom Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff und fängt die aufsteigenden Gase auf.

Probleme bei der Wasserstoffgewinnung

Trifft Wasserstoff auf Sauerstoff, kann eine explosive Mischung entstehen. Weitere Probleme sind, dass manche Techniken der Wasserstoffwirtschaft mit fossilen Energieträgern wie Erdgas arbeiten. Bei den Umwandlungsprozessen kann Kohlendioxid entstehen. So wird aus einem umweltfreundlichen Rohstoff ein wenig ökologisches Endprodukt.

Wo Wasserstoff zum Einsatz kommt

Luft-, Raumfahrt

Zeppeline werden mit Wasserstoff angetrieben.

Wasserstoff treibt nicht nur Raumfähren an, sondern zum Beispiel auch Zeppeline. Seit dem Absturz des Luftschiffs Hindenburg im Jahr 1937 ist Wasserstoff vielen aufgrund seiner chemischen Reaktionsfreudigkeit nicht mehr geheuer. Doch ohne diese Reaktionsfreudigkeit wäre Wasserstoff nutzlos: Er könnte nicht mit Hilfe einer Brennstoffzelle in Strom und Wärme umgewandelt werden. Doch nur mit diesen kleinen Kraftwerken ist ein geschlossener Wasserkreislauf möglich, bei dem keine schädlichen Abgase entstehen.

Auto I: Wasserstoffautos

Es gibt nur wenige Wasserstofftankstellen in Deutschland.

Ende der 1970er-Jahre wurde am Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum eines der ersten Wasserstoffautos in Deutschland gebaut - in Handarbeit. Inzwischen forschen fast alle großen Autobauer am Wasserstoffantrieb. Viele haben mittlerweile Motoren entwickelt, die mit Strom aus Wasserstoff angetrieben werden. Das funktioniert so: Gibt der Fahrer Gas, verwandelt eine Brennstoffzelle Wasserstoff zu Strom, mit dem dann ein Elektromotor angetrieben wird. Statt Abgasen tropft bei Wasserstoffautos Wasser aus dem Auspuff. Zusätzlich lädt sich beim Bremsen eine Batterie auf - eine Technik aus der Formel-1. Sie liefert Strom für den Start des Motors und die Fahrt auf kurzen Strecken. Der Elektromotor sitzt meist unter der Haube, Brennstoffzelle und Wasserstofftanks im Boden des Fahrzeugs. Die Tanks stehen unter einem hohen Druck von rund 700 bar. Kritiker bemängeln, dass bei Wasserstoffautos viel Energie beim Tanken verloren geht. Entsprechende Tankstellen gibt es zudem bisher nur wenige in Deutschland.

Auto II: Elektroautos

Als Alternative zu Wasserstoffautos werden derzeit Elektroautos gehandelt. Bei dieser Technik entfällt der Umweg der Wasserstoff-Herstellung und der Strom wird direkt ins Auto geladen - mit einer Batterie. Diese ist zwar in den vergangenen Jahren leistungsfähiger und billiger geworden, doch Elektroautos schaffen bisher nur kurze Strecken. Ist die Batterie leer, müssen sie an die Steckdose und sind mindestens drei Stunden nicht einsetzbar. Nachladen kann man dafür aber auch in der heimischen Garage. Während Elektroautos also nur für relativ kurze Strecken geeignet sind und noch deutlich mehr kosten als herkömmliche Autos, können Wasserstoffautos länger fahren, brauchen aber spezielle Wasserstoff-Tankstellen und sind noch nicht serienreif.

Heizung

In einem Feldversuch wurden wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen-Heizungen getestet. An dem Test nahmen rund 100 Haushalte in Deutschland teil. Die Voraussetzung für Wasserstoffheizungen ist, dass sie einen Erdgas-Anschluss im Haus haben. Denn statt Wasserstoff kommt hier Erdgas durch die Leitungen. Doch bevor dieses in der Brennstoffzelle genutzt werden kann, muss es erst zu Wasserstoff aufbereitet werden, zum Beispiel durch Dampfreformierung. Dabei wird Wasserstoff mit Hilfe von Wasserdampf abgespalten. Dabei entsteht allerdings klimaschädliches Kohlendioxid!

Die Brennstoffzellen-Heizung liefert Strom und Wärme, schafft beim Heizen allerdings nur 1,7 Kilowatt. Weil das im Winter nicht zum Heizen reicht, enthält das Gerät zusätzlich einen konventionellen Erdgasbrenner mit 20 Kilowatt Leistung. Ein Vorteil für Hausbesitzer ist allerdings, dass sie mit - der noch nicht serienreifen - Heizung zusätzlich Strom gewinnen können.

Kraftwerk

Bei vielen erneuerbaren Energien gibt es ein Problem: Der erzeugte Strom kann nicht langfristig gespeichert werden. Einen Ausweg könnten Wasserstoffhybrid-Kraftwerke bieten, in denen überschüssige Energie in Form von Wasserstoff gespeichert werden soll. Bei Bedarf kann der Wasserstoff wieder in Strom umgewandelt werden. Sollte sich die Technik der Wasserstoffautos durchsetzen, könnte der in den Kraftwerken gewonnene Wasserstoff auch an Tankstellen transportiert werden. Noch fehlt aber die passende Infrastruktur dazu.

Ein Nachteil der Wasserstoffhybrid-Kraftwerke ist, dass sie einen schlechten Wirkungsgrad haben: Es muss erst Energie aufgewendet werden, um Wasserstoff zu erzeugen. Von der Herstellung bis zum Verbrauch gehen so rund drei Viertel der Energie verloren.

Strom- statt Wasserstoffwirtschaft?

Alternative Energien sollten direkt ins Stromnetz eingespeist werden. Bei der Wasserstoffherstellung geht viel Energie verloren.

Energieexperten wie Ulf Bossel sehen in der Wasserstoffwirtschaft einen Umweg. Sie schlagen aufgrund der hohen Energieverluste bei der Herstellung von Wasserstoff vor, besser gleich auf Strom zu setzen. Würde das Stromnetz ausgebaut und Autos sowie Elektrogeräte mit Batterien ausgestattet werden, könnte mehr Energie direkt ins Stromnetz eingespeichert und Stromschwankungen ausgeglichen werden.

Wasserstoff in der Automobilbranche

In Deutschland gibt es rund 100 öffentliche Wasserstofftankstellen.

Als Energieträger scheint Wasserstoff also am ehesten in der Automobilindustrie eine Zukunft zu haben. Allerdings ist das Tankstellen-Netz für Wasserstoffautos in Deutschland noch nicht ausgebaut. Im Vergleich zu konventionellen Elektroautos führen die Brennstoffzellen-Pkw noch einen Dornröschenschlaf. Der Verkehrssektor hat heute einen Anteil von 30 Prozent am Endenergieverbrauch und basiert noch zu 95 Prozent auf fossilen Energieträgern. Ein konsequentes Umdenken in der Mobilität wird in Zeiten der Erderwärmung immer drängender.  

Wasserstoff bei der Stahlherstellung

Wasserstoff könnte die Stahlherstellung umweltverträglicher machen.

Großes Potenzial bietet die Verwendung von Wasserstoff in der Stahlherstellung. Damit ließen sich laut Deutscher Energie-Agentur rund 95 Prozent der CO2-Emissionen gegenüber der konventionellen Hochofenmethode einsparen. Um den Bedarf an grünem Wasserstoff zu decken, wird Deutschland auf Importe aus dem Ausland angewiesen sein. Fündig werden könnte Deutschland zum Beispiel in den Niederlanden, die sich als Wasserstoffexporteure auf dem Weltmarkt etablieren wollen.

  • Wasserstoff - Ergänzung zur E-Mobilität: Rundschau , 05.11.2019, 16:00 Uhr, BR Fernsehen

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