Wasserstoff! Sackgasse oder Energiewende?

Redaktion | 19. August 2019 | Keine Kommentare
Kategorie: Fazit 155, Fazitthema

Als Ex-Kanzler Sebastian Kurz Ende Juni ankündigte, Österreich zur Wasserstoff-Nation Nummer eins machen zu wollen, hat er Teile der Klimaschutzbewegung gegen sich aufgebracht. Aus deren Sicht sind nur mit Batterien betriebene E-Autos umweltfreundliche E-Autos. Doch die Wasserstofftechnologie betrifft nicht nur die Mobilität, sondern alle Bereiche, in denen fossile Energieträger durch erneuerbare ersetzt werden sollen. Fazit geht daher der Frage nach, wie der Einsatz von Wasserstoff wissenschaftlich zu bewerten ist. Text von Johannes Tandl.

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Wasserstoff ist das einfachste und universellste Element im Periodensystem. Es hat das Symbol H und besteht aus einem einfach positiv geladenen Proton und einem negativ geladenen Elektron. 75 Prozent der Masse unseres Sonnensystems bestehen aus Wasserstoff. Wasserstoff ist das mit Abstand häufigste chemische Element im Universum und kommt als gebundener Wasserstoff in sämtlichen lebenden Organismen vor. Auf der Erde gibt es Wasserstoff praktisch nur in seiner molekularen Form als H2. Mit der Wasserstoffherstellung ist daher immer die Bereitstellung von H2, gemeint.

Um Wasserstoff als klimafreundlichen Energieträger nutzen zu können, sind noch große Investitionen in die Herstellung, die Speicherung und den Transport notwendig. So gibt es in ganz Österreich aktuell nur fünf H2-Tankstellen. Was den Einsatz von Wasserstoff im Bereich der Mobilität angeht, gilt also Ähnliches wie für netzstrombetriebene Batteriefahrzeuge. Auch dort müssten für einen umfassenden Umstieg von Verbrennungsmotoren auf Elektromotoren viele Milliarden Euro in Stromnetze und Ladekapazitäten investiert werden.

H2-betriebene Fahrzeuge erzeugen Wasserdampf als einzige Emission. Den Vorteilen wie der großen Reichweite oder dem schnellen Tanken steht jedoch der im Vergleich zu Batteriefahrzeugen höhere Kaufpreis von wasserstoffbetriebenen Autos gegenüber. Man benötigt nämlich Platin für die Herstellung der Brennstoffzellen, in denen der Wasserstoff im Fahrzeug in Strom umgewandelt wird. Und das treibt die Kosten in die Höhe. Außerdem gibt es noch keine Massenproduktion von Wasserstofffahrzeugen.

Der Wirkungsgrad von H2-Autos, der das Verhältnis der erzeugten Energie zur eingesetzten Energie angibt, ist zudem noch immer ein Problem. Bei batteriegetriebenen Autos liegt dieser schon heute bei 70 Prozent der eingesetzten Energie. Bei Brennstoffzellen, aber auch Diesel- und Ottomotoren sind es nur etwa 30 Prozent. Wegen der enormen Energiedichte von Wasserstoff kann die Brennstoffzelle jedoch vieles, was eine Batterie nicht kann – nämlich Eisenbahnen, Lastkraftfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge antreiben.

Klimaneutraler Wasserstoff muss aus Öko- oder Atomstrom gewonnen werden
Einen Beitrag zur Verminderung von Treibhausgasemissionen kann der Wasserstoff nur leisten, wenn er klimaneutral hergestellt wird. Dazu muss er mit CO2-neutral erzeugtem Strom im Elektrolyseverfahren aus Wasser (H2O) gewonnen werden. Grundsätzlich kann man H2 nämlich auch mit fossil erzeugtem Strom, aus Erdgas (Methan und anderen Kohlenwasserstoffverbindungen) oder aus Biomasse erzeugen.

Klimaneutral gewonnener Wasserstoff entsteht also durch die sogenannte Wasserspaltung. Dazu benötigt man einen Elektrolyseur. Das ist eine Vorrichtung, in der Wasser starker elektrischer Energie ausgesetzt wird. Dadurch wird es in seine zwei atomaren Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Ursprünglich ergab die Elektrolyse nur Sinn, wenn auch der reine Sauerstoff verwertet werden konnte, denn über lange Zeit lag der Wirkungsgrad der Elektrolyse bei bestenfalls 80 Prozent. Inzwischen haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Katalysator entwickelt, mit dem sich die Effizienz der Wasserspaltung auf 100 Prozent steigern lässt.

Wenn der Strom, der zur Elektrolyse herangezogen wird, aus erneuerbaren Quellen bzw. aus Kernkraftreaktoren stammt, wird bei der Elektrolyse kein CO2 freigesetzt. Ein klimaneutraler Betrieb von Elektrolyseanlagen ist daher nur sinnvoll, wenn entweder ein Überangebot an treibhausgasfrei erzeugtem Strom vorhanden ist oder es keine Möglichkeit gibt, den Ökostrom in die Stromnetze einzuleiten.

Solange daher ein Mangel an Ökostrom herrscht, sollte dieser dort eingesetzt werden, wo er den höchsten Wirkungsgrad bzw. die größte Treibhausgasreduktion bewirkt. Denn nicht nur die Wasserstoffherstellung ist energieintensiv, auch die Speicherung und anschließende Rückverstromung reduziert den Wirkungsgrad im Vergleich zu netzbetriebenen Elektromotoren.

Wasserstoff als Energiespeicher
Aber nicht nur in Österreich stoßen die für den effizienten Betrieb von dezentralen Wind- und Photovoltaik-Parks erforderlichen Hochspannungstrassen auf den erbitterten Widerstand der betroffenen Bevölkerung.

In der deutschen Nordsee gibt es schon jetzt Hunderte Windräder mit insgesamt 900 Megawatt Nennleistung. Bis 2030 ist der Ausbau auf 15 Gigawatt bereits beschlossen. Dieser Ökostrom wird nämlich von der Industrie in Bayern und Baden-Württemberg – am anderen Ende Deutschlands – dringend benötigt, um den Ankauf teurer Klimaschutzzertifikate zu vermeiden. Er kann aber nicht dorthin gelangen, weil es an den Leitungskapazitäten fehlt.

Ein Konzept von Siemens, dem Netzbetreiber Tennet und Shell sieht inzwischen sogar einen forcierten Windpark-Ausbau vor, der deutlich über die derzeit geplante Nennleistung von 15 Gigawatt hinausreicht. Um weitere Hochspannungsleitungen zu vermeiden, wollen sie den Windstrom daher elektrolytisch in Wasserstoff umwandeln und speichern.

Stromleitungen müssen dann nur mehr von den Offshore-Windrädern zu einem großen Elektrolyseur an der Küste geführt werden. Die regenerativ erzeugte Energie kann auf diese Art gespeichert werden, um in windstillen Phasen in einem Wasserstoffkraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung oder einer stationären Brennstoffzelle verstromt zu werden. Außerdem kann so der für die Elektromobilität und die chemische Industrie benötigte Wasserstoff umweltfreundlich gewonnen werden. Das Transportproblem des hochexplosiven H2-Gases ist inzwischen weitgehend gelöst. Es gibt bereits Technologien zum sicheren – flüssigen – Transport, die reif sind, um sie im Megawatt-Maßstab einzuführen.

Um den regenerativ erzeugten Wasserstoff sicher zu verwahren, wird er durch eine chemische Reaktion an eine organische Trägerflüssigkeit gebunden und später wieder freigesetzt. Ähnlich wie beim Pfandflaschensystem wird die Flüssigkeit mit H2 auf- und entladen. Bei der als »Liquid Organic Hydrogen Carrier« (LOHC) bezeichneten Trägersubstanz handelt es sich und Dibenzyltoluol (C21H20). Es wird nicht verbraucht, sondern lässt sich nach jedem Wasserstoff-Speicherkreislauf wiederverwenden. Dibenzyltoluol ist für seine Stabilität und ungiftigen Eigenschaften bekannt und dient in der Industrie bisher als Wärmeträger.

Wasserstoff in der Mobilität
Das derzeit interessanteste Anwendungsgebiet für die Wasserstofftechnologie ist die Elektromobilität. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, ein Tochterunternehmen der Münchner Fraunhofer-Gesellschaft, hat erst kürzlich auf Basis bereits eingeführter Technologien und derzeitiger Kosten die unterschiedlichen Pkw-Antriebsarten untersucht. Auftraggeber war H2-Mobility, ein Joint Venture von Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und Total. Während Batterieauto-Pionier und Tesla-Boss Elon Musk die Brennstoffzellen, die auf Englisch »Fuel Cells« heißen, immer noch als »Fool Cells«, also »Deppen-Zellen« abtut, haben die Fraunhofer-Forscher herausgefunden, dass mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge schon heute mit Steckdosen-E-Fahrzeugen und mit Dieselautos mithalten können.

Erst ab 160.000 Kilometern Laufleistung sind E-Autos effizienter als Verbrenner
Der Ökoeffizienztest von Batterie-, Brennstoffzellen und Dieselautos umfasste nicht nur die Betriebsemissionen, sondern auch die Klimaeffekte der Fahrzeugherstellung und des Recyclings. Dabei kam heraus, dass sowohl Batterie- als auch Brennstoffzellenfahrzeuge ihre ökologischen Stärkefelder haben, dass aber die Verbrenner bis zu einer Gesamtlaufleistung von 160.000 Kilometer ökologisch besser sind als der Brennstoffzellenantrieb und sogar bis 200.000 Kilometer effizienter als die Batterietechnologie.

Getestet wurden ein Hyundai-Nexo – ein Brennstoffzellenfahrzeug mit 95 kW Leistung, 5,6 Kilogramm Tankkapazität, 1,9 Tonnen und einer Reichweite von 500 Kilometern –, ein Hyundai Tucson 1.6 CRDi mit Dieselmotor, einem Verbrauch von 5,9 Litern auf 100 Kilometer, einem Gewicht von 1,75 Tonnen sowie zwei Batteriefahrzeuge. Und zwar ein zwei Tonnen schwerer, batteriebetriebener Opel Ampera-e mit 60 kWh Batteriekapazität und einem Verbrauch von 19,5 kWh auf 100 km sowie ein Jaguar-I-Pace mit einer 90-kWh-Batterie, rund 400 Kilometer Reichweite, einem Verbrauch von 20,4 kWh auf 100 km und einem Gewicht von 2,3 Tonnen. Der Berechnung wurde der deutsche Strom-Mix zugrunde gelegt.

Bei »echten Autos« ist die Brennstoffzelle effizienter als die Batterie
Seit 15 Jahren gibt es einen Richtungsstreit zwischen den Befürwortern und Gegnern der wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle. Bei entsprechenden Vergleichen hatten in der Vergangenheit immer die Batterieautos die Nase vorne. Doch inzwischen hat der technische Fortschritt im Bereich der Fahrzeugtechnik, der Elektrochemie und des Energiemix dazu geführt, dass die Autos mit Brennstoffzelle deutlich besser abschneiden. Die Herstellung einer 95 kW starken Brennstoffzelle verursacht nämlich 5,8 Tonnen CO2, der Bau eines 90-kwh-Akkupakets mit 11,9 Tonnen mehr als doppelt so viel. Der Kohlendioxyd-Baunachteil der Batterieautos führt dazu, dass die Brennstoffzellenfahrzeuge ab einer Reichweite von mindestens 250 Kilometern besser abschneiden als die Steckdosenstrom-Fahrzeuge. Batterien mit größerer Reichweite würden – wegen der im Vergleich zu H2 niedrigeren Energiedichte – das Gewicht der Fahrzeuge so stark erhöhen, dass die Öko-Effizienz zum Wasserstoff- bzw. Dieselantrieb extrem abfällt.

Bei Kleinautos haben die Verbrenner ökologisch die Nase vorne
Die Fraunhofer-Studie lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenautos sind deutlich klimafreundlicher als Batteriefahrzeuge mit ähnlicher Reichweite. Steckdosenfahrzeige mit kleinen Batterien – also Kleinwagen – schneiden wegen ihres Gewichtsvorteile hingegen deutlich besser ab als Wasserstofffahrzeuge. Die Grenze liegt der Studie zufolge bei einer Kapazität von 50 kWh. Klimafreundlicher als Dieselfahrzeuge sind Batterie- und Brennstoffzellenautos aber erst ab einer Laufleistung von deutlich über 150.000 Kilometern. Da die meisten Kleinfahrzeuge weniger als 10.000 Kilometer pro Jahr gefahren werden, erreichen viele das Betriebsalter gar nicht, ab dem sie ökologisch effizienter werden als kleine Autos mit Verbrennungsmotor. Vor diesem Hintergrund deutet einiges darauf hin, dass der Widerstand vieler etablierter Klimaschützer gegen die Forcierung der Wasserstofftechnologie entweder auf veralteten Informationen, auf fehlerhaften ordnungspolitischen Vorgaben oder auf Revierkämpfen beruht. Die deutschen »Original Equipment Manufacturer« (OEMs), also die Autohersteller, – darunter Volkswagen und BMW – sind gerade erst dabei, mit dreistelligem Milliardenaufwand von der Verbrenner-Technologie auf den Batterieantrieb umzusatteln. Und natürlich wollen sie die staatlichen Unterstützungen nur ungern mit Herstellern teilen, die den Batterieantrieb überspringen und gleich auf die für größere Fahrzeuge effizientere Brennstoffzelle zur Stromerzeugung wechseln. Faktum ist darüber hinaus, dass die Klimaschutzvorgaben der Europäischen Union vor allem die Betriebsemissionen der Gesamtflotte eines OEMs im Fokus haben, während die Ökobilanz über den gesamte Bau-, Betriebs- und Entsorgungszyklus jedes einzelnen Fahrzeuges nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Fazitthema Fazit 155 (August 2019), Foto: Adobe-Stock