Wasserstoff – Das Wundergas

Es ist in aller Munde, Wasserstoff, das Gas was unsere Probleme lösen wird. Ein Wundergas, einfach hergestellt, soll es als „Brückentechnologie“ dabei helfen, den Weg in eine klimafreundliche Zukunft zu gehen, ohne dass wir uns dabei einschränken müssen. Doch kann das so klappen?

Bild von akitada31 auf Pixabay 

Worum geht es eigentlich?

Weil Strom sich schlecht in Form von Akkus speichern lässt, gibt es schon lange Diskussionen, dass eine Versorgung mit 100% Erneuerbaren Energien nicht funktionieren kann. Weil Energieformen wie Solar- oder Windenergie den natürlichen Schwankungen unterworfen sind und es nicht genügend Wasserkraftwerke gibt, ist es komplizierter eine gewisse Grundlast zur Verfügung zu stellen. Es gibt zwar Tage im Jahr, wo soviel Strom aus erneuerbarer Energie vorhanden ist, dass ganz Deutschland damit versorgt werden kann, aber es gibt auch Tage, an denen kaum etwas eingespeist wird. Deshalb gibt es viele Verfechter der klassischen Kraftwerke, wo einfach dauerhaft etwas verbrannt wird, um so jederzeit eine Grundlast decken zu können.

Stromerzeugung und Stromverbrauch, 16. bis 24 Mai 2021 – Grafik von Agora Energiewende

In dieser Grafik ist der Stromverbrauch in Deutschland in einer Woche (pinke Linie) und die Art der Stromproduktion in verschiedenen Farben erkennbar. Der Stromverbrauch verläuft in Wellen, in Form eines Lastprofils. Nachts ist der Verbrauch niedrig, er nimmt dann zu, wenn die Menschen aufstehen, ins Büro gehen, konsumieren und fällt zur Nacht hin wieder ab. Die Aufgabe der Energieversorger und Netzbetreiber ist es, das Angebot der Stromproduktion mit dem Verbrauch zusammenzubringen. Dafür werden Kraftwerke entsprechend geregelt, um mal mehr oder weniger zu produzieren. In der Grafik ist gut zu erkennen, wie die Kraftwerke mit den konventionellen Energien, wie Kohle (braun und schwarz), Erdgas (hellgrau) und Kernenergie (hellbraun), das tägliche Lastprofil abdecken.
Die Erneuerbaren Energien sind mit dazwischen und haben mittlerweile einen großen Anteil am Strommix. Doch sie sind nicht immer gleich verfügbar. Es gibt einen Teil, der sehr verlässlich Strom produziert, Biomasse und Wasserkraft, die als grüner und blauer Balken jeden Tag einen ähnlichen Betrag liefern. Aber Solarenergie (gelb) und Windenergie (dunkelblau) sind unbeständiger und schwanken stärker. Solarenergie ist noch recht gut zu kalkulieren, weil die Sonne nur die Hälfte des Tages scheint. Doch bei Windenergie ist es schwieriger, hier zu sehen am Beispiel des Wochenendes, wo durch Starkwind auch deutlich mehr produziert wurde, als tatsächlich gebraucht wurde.

Leider lässt sich Strom nicht gut speichern. Die chemisches Speicherung, in Batterien, funktioniert zwar im kleinen Maßstab gut, aber nicht in einer Größenordnung, dass sich damit Deutschlands Strombedarf für einige Tage decken ließe. Die physikalische Speicherung, in Pumpspeicherkraftwerken (bei zu viel Strom wird Wasser auf einen Berg gepumpt, bei zu wenig Strom fließt es durch eine Turbine wieder herunter), funktioniert auch gut, doch gibt es in Deutschland nicht genügend Standorte um alle Lastspitzen auszugleichen. Für den kurzfristigen Ausgleich wird beides schon seit langem eingesetzt (Regelenergie), doch eben nur als Reserve, um kurze Ausfälle abfedern zu können.

Mit dem Verzicht auf Kernenergie, dem Aus der Kohle und irgendwann auch dem Rückgang von Gas im Energiemarkt, wird der schwankende Teil der Erneuerbaren Energien zunehmen. Durch die regionale Verteilung der Anlagen gibt es an schlechten Sonnentagen oft mehr Wind und umgekehrt. Doch weil es nicht absehbar ist, dass wir als Verbraucher deutlich weniger Energie verbrauchen oder unseren Verbrauch die Produktion anpassen können, wird dieses Problem weiter bestehen bleiben. Es gibt schon seit einigen Jahren Überlegungen, die Speicherkapazitäten auszubauen. Für Pumpspeicherkraftwerke braucht es Höhenunterschiede, aber nicht unbedingt einen Berg. Sowas würde auch unterirdisch, in alten Bergwerken funktionieren. Auch die stärkere Verbindung der europäischen Strommärkte sorgt für einen besseren Ausgleich, wenn Überkapazitäten in Pumpspeicherkraftwerken in Norwegen zwischengespeichert werden. Doch es wird noch mehr brauchen und eine gute Möglichkeit wäre die Speicherung in Form von Wasserstoff. Das Gas ist sauber und für die Umwelt ungefährlich. Es kann leicht hergestellt werden und lässt sich mittlerweile auch gut transportieren.

Herstellung von Wasserstoff

Viele hatten es sicher im Physikunterricht: Wird Gleichstrom über zwei Drähte oder Elektroden in Wasser geleitet, fängt es an zu blubbern. Auf der einen Seite steigt dann Sauerstoff (O2) empor und auf der anderen Seite Wasserstoff (H2). Letzterer wurde dann im Experiment oft entzündet, was schön knallt (Knallgas) und so gut in Erinnerung bleibt.

Darstellung der Wasserstoffelektrolyse – Grafik von Nevit Dilmen

Wasserstoff ist das leichteste Gas und wurde deshalb auch in Zeppelinen verwendet. Es ist hochentzündlich und bei der Verbrennung entstehen keine giftigen Gase sondern nur Wasser. Damit eignet es sich gut als Energiespeicher, denn es kann in Tanks oder unterirdischen Kavernen, die es praktischerweise schon für unseren Erdgasbedarf gibt, lange Zeit aufbewahrt werden. Über Pipelines kann es auch transportiert werden, als reines Gas oder bis zu einem gewissen Grad als Beimischung zu Erdgas. Über eine Brennstoffzelle kann wieder Strom produziert werden oder es treibt eine Maschine an, wenn es verbrannt wird.

Es könnte so schön sein!

Damit Deutschland seine Klimaziele erreichen kann, braucht es mehr als Strom aus erneuerbaren Energien. Hinzu kommen aber noch neue Verbraucher, beispielsweise immer mehr Elektrofahrzeuge, aber auch andere Bereiche unseres Lebens. Wärme für Gebäude muss mittelfristig anders als durch Verbrennung von Kohle oder Erdgas erfolgen. Züge können nicht weiter mit Diesel fahren und Flugzeuge müssten nachhaltig produziertes Kerosin tanken oder gleich elektrisch fliegen. Einen riesigen Energiebedarf hat auch die Industrie. Diese auf elektrische Energie umzustellen würde den Strombedarf vervielfachen.

Wasserstoff bietet sich hier an, weil er mit „grünem Strom“ ohne schlechtes Gewissen hergestellt werden kann und es uns ermöglicht, ohne größere Umstellungen so weiter zu leben wie bisher. Das reine Gas kann mittels Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt zu werden, in einem LKW, wo kein Platz für Akkus ist oder einem Zug. Oder der Wasserstoff wird weiterverarbeitet, zu Methan und zu Treibstoffen wie Benzin oder Diesel. Wie schön wäre es doch, wenn es so funktionieren würde. Weil es so viele Möglichkeiten gibt, die zumindest im Labor oder im kleinen Maßstab gut funktionieren, ist der Wasserstoff zum Trendthema und zu unserem Problemlöser geworden.

Doch ist es wirklich so einfach? Das größte Thema ist, dass es natürlich Verluste beim Prozess der Umwandlung (Wasserelektrolyse) gibt. Der Wirkungsgrad liegt bei gut 60 Prozent, somit geht etwa ein Drittel schon bei diesem ersten Schritt verloren. Die Verdichtung von Wasserstoff, um diesen zu lagern oder mittels Pipelines zu übertragen, kostet weitere Energie. Wird anschließend wieder Strom mittels einer Brennstoffzelle erzeugt, geht erneut etwa ein Drittel verloren. Soll der Wasserstoff verbrannt werden, ist der Heizwert deutlich schlechter als bei anderen Energieträgern. Grundsätzlich ist Wasserstoff also eine Möglichkeit, Strom zu speichern und auf andere Art nutzbar zu machen. Doch lassen die Verluste die Rechnung schnell schlecht aussehen.

Ein weiteres Thema ist die Art von Strom, die für die Herstellung verwendet wird. „Grüner Wasserstoff“ wird mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt. In der Diskussion gibt es noch anderen „Farben„, obwohl das eigentliche Gas natürlich farblos ist. „Blauer Wasserstoff“ wird beispielsweise aus Erdgas hergestellt, aber es können auch Kohle oder Kernenergie genutzt werden. Für die allgemeine Betrachtung macht es einen Unterschied, welche Art von Energie für die Herstellung verwendet wurde. Es macht keinen Sinn, auf der einen Seite auf fossile Energien zu verzichten um an anderer Stelle sie zu verwenden, um Wasserstoff herzustellen. Letztlich kann nur „Grüner Wasserstoff“ eine Wende bringen.

In der allgemeinen Wahrnehmung erfährt der Wasserstoff gerade eine massive Aufwertung. Wurden aktuelle Pipeline-Projekte schon damit begründet, dass Erdgas mittelfristig Kohle und Kernenergie ablösen soll, weil bei der Verbrennung weniger Schadstoffe entstehen, gibt es nun auch Argumente, dass durch diese Pipelines in Zukunft auch Wasserstoff fließen könnte. Weil bei uns der Ausbau der erneuerbaren Energien stockt und nicht genügend Energie vorhanden ist, um an der Mehrzahl der Tage im Jahr die Grundversorgung zu stellen, soll erstmal Erdgas und später Wasserstoff die Lücke füllen. In der Zwischenzeit könnte Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden und es so etwas „grüner“ machen, was aber je nach Land nur zu einem geringen Prozentsatz erlaubt ist. In Deutschland darf maximal 10% Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden, weil sonst die Verbrenner bei den Verbrauchern nicht mehr funktionieren. In anderen Ländern ist die Quote deutlich geringer. So sorgt Wasserstoff dafür, dass Erdgas viel grüner wahrgenommen wird und könnte Kraftwerksbetreibern helfen, ihre Anlagen länger am Netz zu halten, wenn diese dann das Wundergas produzieren.

Wieviel nützt die Umstellung auf Wasserstoff als Energieträger, wenn dafür andernorts alte und deshalb billige Kohle- und Atomkraftwerke laufen? Zwar gibt es erste Projekte, wo Solarparks statt den Strom einzuspeisen vor Ort Wasserstoff produzieren, doch wird es noch eine Weile dauern, bis sich so eine Versorgungssicherheit einstellt. So wie es jetzt aussieht, wird Deutschland seinen Bedarf nicht durch Wasserstoff aus eigener Produktion decken können und weiter auf neue Importe angewiesen sein. Ob das Wundergas dann in Zukunft aus Russland und Co. kommt, wo jetzt schon die nötigen Pipelines vorhanden sind, oder es aus Afrika importiert wird, wo vielleicht dann Solarstrom im Überfluss vorhanden ist, es wird neue Abhängigkeiten geben.

Meine Hoffnung ist, dass Deutschland es schafft, erneuerbare Energien so stark auszubauen, dass auch an schlechten Tagen eine vollständige Versorgung mit Strom sichergestellt ist. Das bedeutet natürlich, dass an vielen anderen Tagen, dann viel zu viel Strom vorhanden ist. Dieser könnte in Wasserstoff und andere Folgeprodukte umgewandelt werden. Weil es Strom im Überfluss gibt und dieser an den meisten Tagen unglaublich billig ist, kann auch der Wasserstoff günstig produziert werden. Deutschland würde vielleicht sogar Wasserstoff exportieren können. Zwar würden erneuerbaren Energien das Land prägen, jedes Haus müsste eine Solaranlage haben um den Eigenbedarf zu reduzieren. Große Solarparks und Windanlagen unterschiedlichen Typs würden die Landschaft verändern. Doch in meiner Fantasie gäbe es ein Einverständnis, weil so eine sichere und günstige Energieversorgung für alle möglich wäre. Durch deutlich weniger Emissionen würde sich nicht nur lokal und regional das Klima verbessern. Und als Nebeneffekt könnte Deutschland sich auch politisch in der Welt besser positionieren, weil es weniger Abhängigkeiten von Energieimporten und gleichzeitig einen riesigen Wissenstransfer gäbe.

Doch so sehr wir um jedes neue Windrad kämpfen, wird meine Fantasie wohl eine solche bleiben.