Energiewende - das ist mehr als nur Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind, Sonne oder Meer. Strom macht nur einen Bruchteil des deutschen Energieverbrauchs aus. Industrie, Verkehr und Heizungen werden noch nicht mit Strom betrieben, sondern durch Verbrennen fossiler Energieträger wie Kohle, Koks oder Benzin.
- Zum Artikel: Wasserstoff - explosives Gas als Hoffnungsträger
Wasserstoffwirtschaft als mögliches Ziel der Energiewende
Und da kommt Wasserstoff ins Spiel, als "Multitalent der Energiewende". So nennt ihn Jonas Aichinger von den Mainzer Stadtwerken, die seit Jahren mit Wasserstoff arbeiten: "Mit dem Wasserstoff können wir verschiedene Nutzungen mit erneuerbaren Energien befeuern: Verkehr, Industrie, Wärmemarkt." Ziel sei es, eine wirkliche Wasserstoffwirtschaft zu etablieren, statt bei der reinen Stromwende stehen zu bleiben.
Was ist Wasserstoff und warum ist er so interessant?
Wasserstoff (als chemisches Element mit H bezeichnet) ist das häufigste Element überhaupt, primärer Treibstoff der Sterne wie unserer Sonne. Er macht etwa drei Viertel der gesamten Masse der Galaxis aus. Als reiner Wasserstoff oder Wasserstoffgas (H2) kommt er allerdings auf der Erde kaum vor. Stattdessen ist er mit Sauerstoff (O) verbunden zu Wasser (H2O).
Wasserstoff ist sehr energiereich: Ein Kilogramm H2 hat etwa so viel Energie wie drei Kilogramm Benzin. Denn Wasserstoff will sich - vereinfacht ausgedrückt - unbedingt mit Sauerstoff zusammentun. In Chemie übersetzt: Er ist sehr leicht brennbar.
Wie Wasserstoff erzeugt werden kann
Um Wasserstoff zu erzeugen, muss man ihn vom Wasser abspalten. Das geht nicht ohne Energie: Unter Einsatz von Strom kann H2O in H2 und O aufgespalten werden. Einziges Abfallprodukt: reiner Sauerstoff.
Dieses Verfahren nennt sich Elektrolyse. Die dazu nötigen Anlagen werden Elektrolyseure genannt und derzeit weltweit entwickelt, erforscht und verbessert.
So funktioniert die Elektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff
An zwei Elektroden, die sich in einer Flüssigkeit befinden, wird eine elektrische Spannung angelegt, um Wasserstoff von Sauerstoff abzuspalten.
Einsatz von Wasserstoff als Energiespeicher
Wenn man Strom einsetzen muss, um den Energieträger Wasserstoff erst zu erzeugen, was hat man davon? Einen Energiespeicher. Und Energiespeicher sind in der Energiewende begehrt wie nie. Denn aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft oder Sonnenenergie erzeugter Strom fließt leider nicht so stetig, dass er gut planbar wäre. Anders als bei Kohle- oder Gaskraftwerken lässt sich die Stromproduktion nicht drosseln oder ankurbeln. Deshalb müssen wir den alternativen Strom dann nutzen, wenn er fließt, und speichern, wenn er gerade nicht nutzbar ist.
Batterien und Akkus speichern Strom, hinterlassen aber selbst einen Berg an ökologischen Problemen. Wasserstoff ist dagegen eine Art Natur-Batterie: H2 speichert Energie - beliebig lange. Allerdings muss das reaktionsfreudige, explosive Gas dazu sicher verwahrt werden.
Wie holt man die Energie aus dem Wasserstoff zurück?
Kehrt man den Prozess der Elektrolyse um, lässt sich mit Wasserstoff wiederum Strom erzeugen: In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und setzt dabei die gespeicherte Energie als Strom frei. Einziges Abfallprodukt: Wasserdampf.
So gewinnt die Brennstoffzelle aus Wasserstoff Strom
In der Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff wieder zusammengebracht. Durch die chemische Reaktion entstehen Energie und Wasser.
Grauer und blauer Wasserstoff - zehnmal so viel CO2
Der Großteil dagegen ist immer noch grauer Wasserstoff: Die Energie stammt aus fossilen Energieträgern. Oder der Wasserstoff wird durch Erhitzen von Erdgas erzeugt, das sich dabei in H2 und CO2 spaltet. Bei der Erzeugung von einem Kilogramm Wasserstoff werden dabei zehn Kilogramm Kohlendioxid frei.
Von blauem Wasserstoff spricht man, wenn das bei der Produktion entstehende CO2 sogleich "eingesammelt" und beispielsweise unterirdisch gespeichert wird. Man nennt das Carbone Capture and Storage (CCS).
Übrigens ist auch grüner Wasserstoff nicht CO2-neutral: Beim Bau der Anlagen für die Stromerzeugung und Elektrolyse, der Brennstoffzellen oder beim Transport zum Verbraucher fallen Kohlendioxid-Emissionen an.
Erster Haken: Die Effizienz
Wenn man Strom braucht, um etwas zu erzeugen, mit dem man wiederum Strom erzeugt, dann geht das nicht verlustfrei - nur ein Teil der aufgewandten Energie kommt am Ziel an. In der Wissenschaft wird diese Effizienz als Wirkungsgrad bezeichnet. Der liegt beim Elektrolyse-Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff bei etwa 70 Prozent. Und könnte sich - so die Hoffnung aller Entwickler und Testbetreiber - in den kommenden Jahren noch steigern.
"Dann sind wir zuversichtlich, dass wir mit der Elektrolyse etwas haben, womit wir die heutigen fossilen Energieträger und Systeme durch Wasserstoffelektrolyse kostenneutral ersetzen," sagt Kai Schulz vom Unternehmen Siemens Energy, das in Erlangen am Elektrolyseverfahren forscht.
Zweiter Haken: Grüner Wasserstoff ist in der Minderheit
Um den Klimawandel und die globale Erwärmung zu bremsen, ist bei einer Wasserstoffwirtschaft die entscheidende Frage, wo der Strom zur Erzeugung herkommt. Stammt er von erneuerbaren Energiequellen, aus Windkraft, Solaranlagen oder Biomasse, spricht man von grünem Wasserstoff. Und der ist noch eine Rarität: Weltweit sind nur ein Prozent des erzeugten Wasserstoffs grüner Wasserstoff.
Wo grüner Wasserstoff eingesetzt werden kann
Für eine klimafreundliche Wirtschaft ist nötig, dass nicht nur der Strom möglichst klimaschonend erzeugt wird, sondern der Energiebedarf insgesamt auf grüne Energie umgestellt wird - vor allem auch bei den großen Energieverbrauchern Verkehr und Industrie. Aber auch Heizen wäre möglich.
Private Haushalte mit Wasserstoff heizen - mit Risiken
Wasserstoffgas ist nicht nur ein Energiespeicher wie eine Batterie, es ist selbst ein nicht-fossiler Energieträger: Das Gas ist leicht brennbar. Es könnte theoretisch also wie Erdgas in Verbrennermotoren oder in Gasheizungen eingesetzt werden. Manche Kommunen testen bereits die Beimischung von H2 in den Gasleitungen. Wasserstoffgas ist jedoch nicht ganz einfach im Umgang, da es im Kontakt mit Sauerstoff sofort reagiert. Leitungen und Tanks müssen daher besonders dicht sein. Zugleich brauchen sie hohe Stabilität, da das Gas unter enormen Druck gesetzt wird, um das Volumen zu verkleinern. Die Rohre des jetzigen Erdgasnetzes müssten vermutlich ersetzt werden gegen speziell ummantelte Rohre, die auch H2, das kleinste Molekül überhaupt, nicht entweichen lassen.
Auch der Chemiker Prof. Robert Schlögl will Wasserstoff nicht gerne in den Händen der Endnutzer sehen. Das Molekül könne man zwar sicher handhaben, doch dafür brauche es erheblichen technischen Aufwand, erläutert er dem MDR in einem Interview.
Grüner Wasserstoff wird beim Heizen eher keine so große Rolle spielen, meint Michael Sterner, Professor für Energiespeicher und Energiesystem an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg, im Interview mit dem Bayerischen Rundfunk. In richtig großen Mengen bräuchte man ihn alleine in der Industrie. "Im Verkehr brauchen wir ihn für Flugzeuge, Schiffe und Schwerlast-Lkw, aber auch teilweise als E-Fuels im Pkw für den Bestand an Verbrennern, die wir haben. Im Stromsektor brauchen wir ihn als Lückenfüller."
Wasserstoff im Verkehr
Ein Wasserstoffauto ist eigentlich nichts anderes als ein Elektroauto, nur dass statt der Batterie im Auto eine Brennstoffzelle arbeitet, die den nötigen Strom vor Ort erzeugt. Notwendig ist dafür auch ein Wasserstofftank - mit den oben beschriebenen Problemen mit dem explosiven Gas.
Sinnvoll ist der Einsatz dort, wo die Transportmittel zu groß und zu schwer sind für den Batteriebetrieb, weil gigantische Batterien nötig wären. Busse, LKWs und Züge - hier ist der Einsatz von Wasserstoff besonders interessant. Rund vierzig Prozent des deutschen Eisenbahnnetzes ist nicht einmal elektrifiziert. Hier können bislang nur Dieselloks fahren.
Auch an wasserstoffbetriebenen Flugzeugen wird geforscht. Doch wird hier die Reichweite nicht genügen. Gerade für Langzeitflüge werden vielleicht eher E-Fuels zukünftig die Alternative zum Kerosin sein.
- Zum Artikel: Wasserstoffantrieb für LKW - MAN forscht in Nürnberg
Wasserstoff in der Industrie
Ein weiterer großer Einsatzbereich für Wasserstoff liegt in der Industrie. Und das Interesse an Wasserstofftechnologien ist bei Industrieunternehmen längst geweckt. Etwa in der Stahlproduktion, einem Bereich, in dem besonders viel Treibhausgase entstehen, da zum Herauslösen des reinen Eisens aus dem Eisenerz Kohle und Koks nötig sind. In so großen Mengen, dass Millionen Haushalte mit dem beheizt werden könnten, was ein Stahlwerk verbraucht. Bei einem einzigen Stahlwerk der Salzgitter AG in Niedersachsen werden jährlich acht Tonnen CO2 frei - rund ein Prozent des gesamten Kohlendioxid-Ausstoßes in Deutschland.
Doch das soll nicht so bleiben: Die Stahlproduktion soll hier bis 2050 komplett auf Wasserstoff umgestellt werden - für eine CO2-freie Stahlproduktion. Dazu nimmt die Salzgitter AG eigene Elektrolyse-Anlagen in Betrieb, die von eigenen Windrädern betrieben werden.
Dritter Haken: Viel mehr Strom aus Wind nötig
Für eine klimaneutrale Wasserstoffwirtschaft mit grünem Wasserstoff, die den Energiebedarf von Industrie, Verkehr und Wärmeerzeugung decken könnte, bräuchte man sehr viele Elektrolyse-Anlagen, die mit sehr viel Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden müssten. Dafür käme in Deutschland vor allem die Windkraft in Frage: Aus Solarenergie und Biomasse wird derzeit nur halb so viel Energie erzeugt wie aus Windanlagen.
Aber es müssten weitaus mehr Windkraftanlagen sein als heute. Allein das Stahlwerk der Salzgitter AG bräuchte rund 500 Windräder, um den notwendigen Wasserstoff zur emissionsfreien Stahlproduktion selbst zu erzeugen.
Selbst wenn der Ausbau der regenerativen Energien schnell vorangeht, es wird wohl nicht reichen. Wie heute wird Deutschland Energie importieren müssen. Nur: Kein Gas oder Öl mehr, sondern Wasserstoff.
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