Wasserstofftankstelle

Warum Wasser­stoff eine wichtige Rolle in der Energie­wende spielt

Wasserstoff gilt als der Idealstoff der Energiewende: Er lässt sich leicht herstellen und kommt in nahezu unendlichen Mengen vor. Er kann relativ einfach gelagert und transportiert werden. Wenn man Wasserstoff schließlich in einer Brennstoffzelle zu Strom umwandelt, werden keine Abgase ausgestoßen. Etwas Besseres ist noch nicht erfunden.

Was wäre, wenn es einen Stoff gäbe, der sich aus schier unendlichen Ressourcen produzieren ließe? Ein Stoff, der Energie enthält und sich, im Vergleich zu Strom aus Windkraft oder Photovoltaik, relativ einfach speichern und verteilen lässt? Ein Stoff, durch dessen Verbrennung man stationäre und mobile Maschinen antreiben kann und der keinerlei Schadstoffe bei diesem Prozess hinterlässt? Wäre das nicht eine wichtige und gute Sache? Ist es. Das Beste daran: Es gibt ihn bereits. Wir kennen ihn unter dem Namen Wasserstoff.

Wasserstoff: Der Urstoff

Wasserstoff ist nicht selten, sondern vielmehr das am meisten verbreitete Element im Universum. So besteht zum Beispiel die Sonne fast vollständig aus Wasserstoff. Auf der Erde ist Wasserstoff selbstverständlich in Wasser enthalten. Wasser ist die Grundlage allen Lebens. Ob Planeten bewohnbar sind oder potenziell Leben dort existiert, man macht es an der Existenz von Wasser fest. Es gibt eine ganze Menge davon auf der Erde, nämlich 1.386 Trillionen Liter. Chemisch betrachtet besteht Wasser aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom – H₂O. Aber Wasserstoff ist darüber hinaus noch in vielen anderen Stoffen gebunden, zum Beispiel in Erdgas, kommt allerdings niemals allein und frei vor, muss also immer unter Einsatz von Energie erzeugt werden.

Wenn man das Gas Wasserstoff freisetzt und mit einem Funken die Reaktion mit Sauerstoff auslöst, dann gibt es die wunderbare Knallgasreaktion. PENG! Übrig bleibt: Wasser. Das Experiment liebt jeder Schüler und es zeigt: Es steckt ganz viel Sprengkraft bzw. Energie im Wasserstoff, der daher ganz viel Potenzial hat, zum Treibstoff der Energiewende zu werden. Aber hier zeigt sich eben auch das Negativpotenzial der hochexplosiven Reaktivitätsneigung von Wasserstoff.

Idealstoff der Energiewende

Warum ist Wasserstoff so geeignet, um in der Energiewende eine wichtige Rolle zu spielen? Eine der zentralen Herausforderungen des Umstiegs von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energieerzeugung ist die Speicherproblematik. Bei der regenerativen Stromproduktion mit Windrädern und Solaranlagen wird es der Normalzustand werden, dass Erzeugung und Verbrauch des Stroms sich zeitlich verschieben. Nachts wird eben Strom gebraucht, der aber dann aus Photovoltaik nicht erzeugt wird. Ähnliches kann bei der Windkraft auftreten, wenn Flaute herrscht. Bei beiden Szenarien handelt es sich um Umstände mit mangelhafter Stromversorgung, die technisch nur durch Speichersysteme beherrschbar sind. Das gilt natürlich auch umgekehrt, wenn zum Beispiel bei einem nächtlichen Sturm sehr viel Strom produziert wird, der in dem Moment gar nicht abgenommen werden kann. Will man also die Energiewende umsetzen, kann man auf Speichersysteme nicht verzichten und zwar in großem Maßstab.

Für die Speicherung von Energie aus erneuerbarer Erzeugung gibt es viele technischen Konzepte, aber noch keines hat sich als wirklich ideal im großtechnischen Maßstab erwiesen. Denn was technisch möglich ist, ist noch lange nicht kostendeckend. Und groß muss gedacht werden. Denn um eine hoch industrialisierte Volkswirtschaft bedarfsgerecht und zuverlässig mit Strom zu versorgen, bedarf es ja gigantischer Mengen Energie. Eine Studie des Deustschen Instituts für Wirtschaftsförderung aus dem Jahr 2018 hat errechnet, dass man bei Nutzung von 100% erneuerbarer Energie etwa 16,3 Terrawattstunden Speicherkapazität benötigt, um in Deutschland die Stromversorgung in gewohnter Versorgungssicherheit gewährleisten zu können. Zum Vergleich: Den derzeit größten Lithium-Ionen-Akku in einem Pkw verbaut aktuell das Unternehmen Tesla mit einer Kapazität von 100 KWh. Um die genannte Kapazität von 16,3 TWh zu speichern, bräuchte man also 163 Millionen dieser Autos. Das Rechenbeispiel macht die Dimensionen deutlich: Allein mit Akkus kann man diese Strommengen kaum speichern.

Systemische Vorteile des Wasserstoff

Warum also nicht auf Wasserstoff setzen? Das Gas bietet mehrere systemische Vorteile. Zunächst einmal lässt es sich technisch relativ einfach aus Wasser erzeugen. Doch um Wasser in seine Bestandteile zu zerlegen, bedarf es des Einsatzes von Energie in Form von Strom. Dabei geht Energie als Abwärme verloren, weshalb die Erzeugung von Wasserstoff mit Strom aus konventioneller Erzeugung absolut sinnlos wäre. Anders stellt sich das mit Strom aus regenerativer Produktion dar. Denn dieser Strom ist theoretisch gratis: Sonne und Wind kosten nichts. Zwar wäre es auch in einem Szenario mit 100% erneuerbarer Erzeugung besser, den Strom direkt und sofort zu nutzen. Aber wenn mehr erzeugt wird, als abgenommen werden kann, ist es sicher besser, daraus Wasserstoff zu erzeugen. Alternativ müssten nämlich sonnenbestrahlte Solaranlagen oder bei Sturm im Überfluss drehende Windkraftanlagen vom Stromnetz getrennt werden.

Wasserstoff könnte ein gutes Medium sein, um die Umwandlung von „Power to Gas“ so umzusetzen, dass die gespeicherte Energie wieder gut zugänglich ist. Wasserstoff kann zudem anteilig im bestehenden Gasnetz gespeichert und verteilt werden.

Wasserstoff in der Brennstoffzelle

Wenn also die Herstellung, die Speicherung und die Verteilung von Wasserstoff im Prinzip technisch beherrschbar und ökologisch sinnvoll sind, wie sieht es dann mit der Rückumwandlung von Wasserstoff in nutzbare Energie aus? Man kann feststellen: Sehr gut sieht es damit aus. Die Maschine, die dabei zum Einsatz kommt, nennt man Brennstoffzelle. Das Besondere an einer Brennstoffzelle, das sie von anderen Motoren unterscheidet: Der eingesetzte „Brennstoff“ wird eben nicht im herkömmlichen Sinne „verbrannt“. Es wird daher bei der Rückwandlung von Wasserstoff in Strom auch kein klimaschädliches CO₂ freigesetzt. Vielmehr wird der Wasserstoff durch eine chemische Reaktion und physikalische Vorgänge direkt in Strom zurückgewandelt, unter Zuführung von Sauerstoff und etwas Strom. 

Emittiert die Brennstoffzelle Abgase? Nein, aber man erhält einen „Abfallstoff“: reines Wasser. Eine sehr saubere Sache also. Wäre das nicht eine wünschenswerte Technologie zum Beispiel für leistungsfähige Automobile, die Strom nicht in Akkus speichern, sondern in einem Gastank mitführen? Letzteres hätte zwei Vorteile: Mehr Reichweite und kürzere Ladezeiten. Nur ein konkretes Anwendungsgebiet für Wasserstoff aus erneuerbarer Erzeugung.

Autos, die mit Wasser fahren

Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb sind keine Zukunftsmusik. Die gesamte Wasserstofftechnologie ist längst dem Labormaßstab entwachsen. Es gibt inzwischen mehrere Hersteller, die Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle ausgerüstet und auf die Straße gebracht haben. Letztlich handelt es sich um Elektroautos, die den Strom für den Elektromotor nun aus einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle erhalten. Als Energiepuffer dient ein handelsüblicher Akku, allerdings ein wesentlich kleinerer als bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen.

Betankung Wasserstoffauto
Betankung eines Wasserstoffautos mit einer Zapfanlage

Damit wäre dann auch das für Elektroautos hinderliche Problem der geringen Reichweite gelöst, verbunden mit zuweilen zeitaufwändigen Ladezyklen. Einige der bekanntesten Modelle sind der Toyota Mirai, der Honda Clarity und der Hyundai Nexo. Brennstoffzellenautos lassen sich ganz einfach an einer Wasserstofftankstelle betanken. Davon gibt es inzwischen bereits über 70 in Deutschland.

Fazit

Die Wasserstoffwirtschaft ist wissenschaftlich erforscht und technisch erprobt. Von der Erzeugung, über die Speicherung, die Verteilung bis hin zur Nutzung lässt sich Wasserstoff sicher, effizient und sauber anwenden. Wasserstoff könnte also eine zentrale Rolle bei der Umsetzung des Umstiegs auf erneuerbare Energien spielen.

Links

Informationsplattform der Bundesregierung zur Zukunft von Wasserstoff und Brennstoffzelle
Aktuelles Verzeichnis von Wasserstofftankstellen: h2.live
Studie des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung zu Speicherkapazitäten: www.diw.de

Fotos

EnBW / Dirk Baranek

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