Die Wasserstoffwirtschaft

Eine Wasserstoffwirtschaft ist ein Konzept einer Energiewirtschaft, die hauptsächlich oder ausschließlich Wasserstoff als Energieträger verwendet. Bisher wurde eine Wasserstoffwirtschaft in keinem Land der Erde verwirklicht.

Wasserstoff ist wie Elektrischer Strom kein Primärenergieträger, sondern muss erst künstlich und unter Energieverlusten aus anderen Energiequellen (fossile Energie, Kernenergie oder Erneuerbare Energien) gewonnen werden. Damit ist eine Wasserstoffwirtschaft nicht automatisch nachhaltig, sondern nur so nachhaltig wie die Primärenergie, aus denen der Wasserstoff gewonnen wird.[1] Derzeit geschieht dies bei Wasserstoff zum Einsatz in der Chemieindustrie weitestgehend auf Basis Fossiler Energieträger. Konzepte für zukünftige Wasserstoffwirtschaften sehen hingegen zumeist die Wasserstoffgewinnung aus Erneuerbaren Energien vor, womit eine solche Wasserstoffwirtschaft emissionsfrei sein könnte.

Während eine klassische Wasserstoffwirtschaft bisher in keinem Staat der Erde angestrebt wird, existieren in vielen Staaten der Erde Planungen, im Rahmen der Energiewende und des Ausbaus von Erneuerbaren Energien Wasserstoff oder aus Wasserstoff gewonnene Brennstoffe wie Methan oder Methanol verstärkt in die bisherige Energieinfrastruktur einzubinden. Eine wichtige Rolle hierbei spielt die Power-to-Gas-Technologie, der eine wichtige Rolle als Langfristspeicher zuerkannt wird.

Geschichte

1874 – beschrieb der Schriftsteller Jules Verne in einem Dialog seiner Romanfiguren auf die Frage, was in späteren Zeiten einmal statt Kohle verbrannt werden solle, erstmals die Vision, Wasserstoff und Sauerstoff als Energiequelle zu verwenden.[2]
1923 – nannte der Wissenschaftler John Burdon Sanderson Haldane in einem Aufsatz zum ersten Mal die Grundzüge einer Wasserstoffwirtschaft.[3]
1970 – verwendete der australische Elektrochemiker John Bockris erstmals den Begriff „Wasserstoffwirtschaft“ (engl. hydrogen economy) während einer Besprechung im General Motors Technical Center in Warren, Michigan.[4] und prägte ihn nach Joseph J. Romm[5] in den Folgejahren maßgeblich.
1975 – entwarf John Bockris zusammen mit dem Physiker Eduard Justi das vollständige Konzept einer Wasserstoffwirtschaft.[6]
1980 – entwickelte der Physiker Reinhard Dahlberg unter dem Eindruck der Ölkrise das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft, in der solarer Wasserstoff in Wüstengebieten erzeugt und über Pipelines zu den Verbrauchern transportiert wird.[7] Wesentlicher Beweggrund war der Ersatz der versiegenden fossilen Rohstoffe. Dahlberg hatte aber nicht nur die technischen, sondern auch die wirtschaftlichen Aspekte seiner Wasserstoffwirtschaft betrachtet.
1994 - befasste sich die Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit der Wasserstoffgewinnung in der Wüste. Der von Solarzellen betriebene 350-kW-Elektrolyseur erbrachte damals den Nachweis, dass die Produktion von speicher- und transportierbarem Wasserstoff möglich ist. Die verfügbaren Solar-Ressourcen könnten auf einem Prozent der Landfläche Saudi-Arabiens dieselbe Energiemenge liefern, wie jährlich als Rohöl exportiert wird.
1999 – nahm die Isländische Regierung das Ziel einer Wasserstoffwirtschaft (unter dem Vorbehalt von Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit) in ihr Regierungsprogramm auf.[8] Der Fokus Islands lag dabei besonders auf Wasserstoffantrieben für Fahrzeuge und die Fischereiflotte, um unabhängig vom Öl zu werden. Das Land besitzt keine abbaubaren fossilen Brennstoffe, ist aber reich an stromerzeugender Wasserkraft und Geothermie.
2002 – beschrieb der Ökonom Jeremy Rifkin das Konzept einer Wasserstoffwirtschaft in seinem Buch Die Wasserstoff-Revolution. Für Rifkin sind die negativen Auswirkungen auf die Wirtschaft durch steigende Ölpreise und der Endpunkt der fossilen Brennstoffe als „prekärster Augenblick der postindustriellen Geschichte“ ein wichtiger Beweggrund.[9][10]
2003 kritisierte der bisherige Wasserstoff-Befürworter Ulf Bossel die geringe Wirtschaftlichkeit einer Wasserstoffwirtschaft[11]
2006 analysierte Joseph J. Romm die Aussichten einer Wasserstoffwirtschaft in den USA und äußerte: „Wenn einige Leute so tun, als liege die Wasserstoffwirtschaft schon in Reichweite, so meinen sie damit lediglich ein ökonomisches System, in dessen Mittelpunkt Wasserstoff aus Erdgas und anderen schadstoffreichen fossilen Brennstoffen steht.“[5]
2007 – nahm das Europäische Parlament auch unter der Beratung durch Jeremy Rifkin[12] eine Erklärung an, in der die Schaffung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft mit einer funktionierenden Wasserstoffinfrastruktur bis 2025 gefordert wird. Als Begründung werden in der Erklärung die globale Erwärmung und die zunehmenden Kosten der fossilen Brennstoffe aufgeführt.[13]

Die Ebenen einer Energiewirtschaft

Die Vorstellungen gehen von einer Durchsetzung des Wasserstoffes auf allen Ebenen der Energiewirtschaft aus:

Erschließung benötigter Primär-Energiequellen
Energiegewinnung
Energiespeicherung
Nutzung der Energie
Energiehandel und Verteilung
Vertrieb und Abrechnung
Gewährleistung der Versorgungssicherheit

Jede dieser Ebenen ist für Wasserstoff technisch erforscht und teilweise praktisch realisiert.
Herstellung von Wasserstoff
→ Hauptartikel: Wasserstoffherstellung
Herstellung aus fossilen Energieträgern

Heutzutage wird Wasserstoff fast ausschließlich aus fossilen Energieträgern hergestellt. Die weltweit produzierte Menge von Wasserstoff aus Erdgas und Schweröl beträgt ca. 310 Mrd. m³ i.N. und ca. 9 Mrd. m³ i.N. in Deutschland (Stand 1999).[14] Erdgas und Schweröl sind fossile Primärenergieträger. Bei der Herstellung von Wasserstoff mittels dieser Stoffe wird dementsprechend das klimaschädliche Kohlendioxid freigesetzt. Dies steht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft entgegen.[13]

Ein Teil des Wasserstoffs entsteht auch als Nebenprodukt in der chemischen Industrie, z. B. bei der Benzinreformierung und der Ethylenproduktion. Er entsteht aber auch Nebenprodukt bei der Chloralkali-Elektrolyse und der Herstellung von Kokereigas durch die Kohlevergasung. 1999 wurden durch die chemische Industrie weltweit 190 Mrd. m³ i.N. und in Deutschland 10 Mrd. m³ i.N. hergestellt.[14] Meist wird der so entstandene Wasserstoff durch Verbrennung direkt vor Ort energetisch genutzt.
Herstellung aus Elektrischer Energie (Elektrolyse)
Siehe auch: Wasserelektrolyse und Energiewende

Um eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu ermöglichen, muss der Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien gewonnen werden. Da das Potential der Bioenergie begrenzt ist, kommen hier v.a. die Windenergie und die Solarenergie (Photovoltaik und Solarthermische Kraftwerke) in Frage, die sowohl weltweit als auch in Deutschland über viel größere Potentiale verfügen als die Biomasse.[15] Es wird davon ausgegangen, dass Wind- und Solarenergie die Hauptlast in einem regenerativen Energiesystem decken werden[16], einige Studien verzichten sogar vollständig auf den Einsatz von Biomasse.[17] All diese Konzepte sehen zumeist aber nur eine ergänzende Rolle des Wasserstoffs in einer Strombasierten Wirtschaft vor, keine vollständige Wasserstoffwirtschaft im eigentlichen Sinne.

In einer vollständig regenerativen Stromwirtschaft werden bei hohen Anteilen variabler Erzeuger wie Wind- und Solarstrom Langfristspeicher zum Ausgleich benötigt. Hierfür kommen vor allem chemische Speicher wie die Wasserstoffherstellung, ggf. in Verbindung mit nachgeschalteter Methanisierung, in Frage. Bei der Wasserstoffherstellung, -speicherung und anschließender Rückverstromung liegt der Wirkungsgrad derzeit (2013) bei maximal 43 %, bei der Methanisierung bei 39 %.[18] Sterner et al geben Wirkungsgradspannen zwischen 34 und 44 % für die Kette Wasserstofferzeugung, Speicherung und Rückverstromung an.[19] Es wird davon ausgegangen, dass perspektivisch elektrische Gesamtwirkungsgrade bis maximal 49 bis 55 % erreicht werden.[20]

Dieses Verfahren wird seit Oktober 2011 in einem Pilotprojekt bei Enertrag im brandenburgischen Prenzlau eingesetzt.[21] Nicht benötigter Strom wird mit einem 500 kW Druck-Elektrolyseur in Wasserstoff umgewandelt und steht so für Berlins Wasserstofftankstellen[22] zur Verfügung oder wird bei Bedarf in einem Hybridkraftwerk wieder verstromt.

Greenpeace Energy lieferte seit Oktober 2011 ebenfalls Wasserstoff aus überschüssigem Windstrom der in reiner Form oder umgewandelt zu Methan in das Erdgasnetz eingespeist wird.[23]

Die Audi AG plant, ab 2013 im niedersächsischen Werlte Wasserstoff aus Windstrom zu erzeugen. Der erzeugte Wasserstoff wird zunächst in CNG umgewandelt, um als Treibstoff für Erdgasfahrzeuge zu dienen. Der erzeugte Wasserstoff kann aber auch direkt in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden.[24][25]

Gute Wirkungsgrade verspricht die Hochtemperaturelektrolyse, weil der Bedarf an elektrischer Energie mit steigender Temperatur sinkt. Die Hochtemperaturelektrolyse ist besonders interessant, wenn Abwärme aus anderen Prozessen genutzt werden kann, z. B. bei solarthermischen Kraftwerken.[26] Das Verfahren befindet sich 2011 aber noch im Entwicklungsstadium.
Wasserstoff aus Bioenergie
→ Hauptartikel: Biowasserstoff

Die Erzeugung von Wasserstoff aus dem Primärenergieträger Biomasse ist, abgesehen vom Aufwand zur Erzeugung (beispielsweise Düngemittel, Pflanzenschutzmittel usw.), dem Transport und der Verarbeitung/Aufbereitung der Biomasse, klimaneutral, weil das bei der Herstellung freigesetzte Kohlendioxid der Atmosphäre vorher durch die Photosynthese entzogen wurde. Dies entspricht der vom Europäischen Parlament geforderten Einführung einer umweltfreundlichen Wasserstoffwirtschaft.[13]

Wasserstoff kann aus Biomasse durch Gärung oder thermochemisch, z. B. durch Dampfreformierung, hergestellt werden (→ Siehe auch Hauptartikel: Wasserstoffherstellung).

Eine großtechnische Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse existiert mit Stand 2011 nicht. Die Verfahren befinden sich meist noch im Stadium der Entwicklung. Ein Beispiel hierfür ist das Projekt „Blauer Turm“ in Herten. Die geplante Anlage sollte 150 m³ Wasserstoff in der Stunde produzieren, die Haupteigentümerin, die Firma Solar Millennium AG ging Ende 2011 in die Insolvenz.
Potential und Flächenbedarf der Energiepflanzen

→ Siehe auch Artikel: Potentiale und Flächenbedarf und Biomassepotential

In Deutschland lag der Primärenergiebedarf im Jahr 2014 bei ca. 13.000 PJ.[27] Nach den Energieszenarien der Bundesregierung kann die zur Erzeugung von Biomasse genutzte Fläche bis 2050 ca. 4 Mio. ha (2011: 1,8 Mio. ha) betragen, ohne in Nutzungskonkurrenzen mit der Nahrungsmittelerzeugung zu geraten. Das sind nur 24 % der heute landwirtschaftlich genutzten Flächen. Daraus wird ein Primärenergiepotential von 740 PJ (18,5 MJ/kg bei 10 t/ha) errechnet.[28]

Am Beispiel der Ertragswerte von Miscanthus (18,5 MJ/kg bei bis zu 20 t/ha) errechnet sich ein Primärenergiepotential von 1480 PJ/Jahr. Abhängig von den angenommenen Parametern kann der Wert stark schwanken.

Allerdings steht die Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse neben deren direkten energetischen Nutzung auch in Konkurrenz zur Biomasseverflüssigung. Die so gewonnenen Kraftstoffe haben als Energieträger eine höhere Energiedichte als Wasserstoff und sind einfacher handhabbar.[29]
Potential biogener Reststoffe

Biogene Reststoffe aus der Landwirtschaft, Landschaftspflegeholz, Waldrestholz und unbelastetes Industrierestholz können ebenfalls zur Herstellung von Wasserstoff verwendet werden. Das Potential biogener Reststoffe wird vom Bundesumweltministerium auf 900 PJ geschätzt.[28]
Speicherung und Verteilung von Wasserstoff
Siehe auch: Wasserstoffspeicherung und Chemische Wasserstoffspeicher
→ Hauptartikel: Wasserstofftankstelle
Wasserstoff in Rohrleitungen

In einer voll ausgebauten Infrastruktur mit entsprechenden Abnahmemengen wird eine Verteilung über Pipelines deutlich energieeffizienter und kostengünstiger sein. Dazu könnte ein Großteil des bereits bestehenden Erdgasnetzes verwendet werden.[30] Das Erdgasnetz ist für die Aufnahme von Wasserstoff geeignet.[31][32] Vor der Umstellung auf Erdgas wurden die deutschen Gasnetze mit Stadtgas betrieben, das zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff bestand.

Die Speicherkapazität des deutschen Erdgasnetzes liegt bei mehr als 200.000 GWh und kann den Energiebedarf mehrerer Monate zwischenspeichern.[33] Zum Vergleich: die Kapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke beträgt dagegen nur 40 GWh.

Es gibt zudem ausreichend praktische Erfahrungen mit Wasserstoffleitungen:

Im Ruhrgebiet wird seit Jahrzehnten ein über 240 km langes Wasserstoffnetz betrieben.
In Sachsen-Anhalt besteht ein 90 km langes, gut ausgebautes Wasserstoff-Pipeline-System der Linde-Gas AG in einer Region mit starker industrieller Gasnachfrage zwischen Rodleben-Bitterfeld-Leuna-Zeitz.[34][35][36]
Weltweit existierten 2010 mehr als tausend Kilometer Wasserstoffleitungen.[37] Air Liquide betreibt 12 Pipeline-Netze mit einer Gesamtlänge von 1200 km.[38]

Der Energietransport über ein Gasnetzwerk erfolgt mit wesentlich weniger Verlusten (< 0,1 %) als bei einem Stromnetzwerk (8 %).[39]

Das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Baden-Württemberg will künftig (Stand 2011) den Ausbau einer Wasserstoff-Infrastruktur unterstützen.[40]
Energetische Nutzung des Wasserstoffs

Wichtigstes Element der Nutzung von Wasserstoff ist die Brennstoffzelle. Sie wandelt die im Wasserstoff enthaltene Energie in Wärme und Elektrizität um.
Nutzung im Haus

→ Siehe auch Artikel: Stationärer Einsatz

Bei der häuslichen Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle kann wie bei der Blockheizkraftwerktechnik auch eine Kraft-Wärme-Kopplung realisiert werden, die den Gesamtwirkungsgrad steigert. Da bei dieser Betriebsweise die Wärmeproduktion im Vordergrund steht, werden diese Systeme nach dem Wärmebedarf gesteuert, wobei der erzeugte elektrische Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.

Vaillant hat ein Brennstoffzellenheizgerät entwickelt, das über einen Reformer auch mit Erdgas betrieben werden kann.[41]

Der theoretisch erreichbare brennwertbezogene Wirkungsgrad liegt bei ca. 83 %.[42] Bezieht man den Wirkungsgrad, wie bei Wärmekraftwerken und Verbrennungsmotoren üblich auf den Heizwert, ergibt sich ein theoretisch maximaler Wirkungsgrad von ca. 98 %. Die Systemwirkungsgrade liegen je nach Brennstoffzellentyp zwischen 40 % und 65 %, wobei unklar ist, ob diese brennwert- oder heizwertbezogen sind.[43][44]
Nutzung im Verkehr

→ Siehe auch Artikel: Brennstoffzellenfahrzeug

Im Brennstoffzellenfahrzeug wird mit der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt, der einen Elektromotor antreibt. Die Versorgung mit Wasserstoff geschieht über einen Drucktank (z. B. 700 bar), der an einer Wasserstofftankstelle aufgetankt werden kann. Auch in Bussen wird die Wasserstofftechnik praxisnah erprobt. Die aktuelle Generation von Wasserstoffbussen (2009) erreicht mit 35 kg Wasserstoff eine Reichweite von rund 250 km.[45]

Brennstoffzellen-Autos sind wesentlich teurer als Elektro-Autos. Ein solches Fahrzeug wird nach Aussage von Fritz Henderson (CEO von General Motors) rund 400.000 $ kosten.[46] Die Fahrzeughersteller Toyota, Nissan, Mercedes-Benz und Honda haben nach eigenen Angaben die Produktionskosten für wasserstoffgetriebene Fahrzeuge inzwischen drastisch reduziert.[Beleg?]

Mit dem Mercedes B-Klasse F-Cell sowie zwei Vorserienfahrzeugen des Hyundai ix35 Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) wurden Reichweiten von 500 km bei Maximalgeschwindigkeiten von 80 km/h erreicht.[47] Um die Alltagstauglichkeit des Wasserstoffantriebes nachzuweisen, hat Daimler eine „Weltumrundung“ mit mehreren Brennstoffzellenfahrzeugen der B-Klasse erfolgreich abgeschlossen. 200 Serienfahrzeuge dieses Typs wurden 2010 an Kunden ausgeliefert.[48]

Es gibt inzwischen einige Busse, z.B. den Mercedes-Benz Citaro FuelCELL-Hybrid, von verschiedenen Herstellern, die mit Brennstoffzellen arbeiten.

Außerdem sind mit der Technik des Hydrail seit 2005 auch die Schienenfahrzeuge in den Blickwinkel der Wasserstoffwirtschaft gekommen. [49] Als eine der ersten Firmen nahm die Japanische East Railroad Company zu Testzwecken eine Hybrid-Lok in Betrieb.[50]

Die Schweizerischen Bundesbahnen SBB führt seit Frühjahr 2014 in ihren rollenden Minibars mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen ein, um genug Energievorrat für die eingebaute Espressomaschine unterwegs zu haben, die jetzt unterwegs auch den Fahrgästen Cappuccino bieten kann. Die bisher verwendeten üblichen Akkumulatoren wären für diese energieaufwendige Aufgabe zu schwer gewesen.[51]
Effizienz der Energiekette
Begriffsdefinition

Kosteneffizienz
ist ein Maß für den Geldertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Kosten. Je kosteneffizienter eine Technologie, desto höher ist ihre Wirtschaftlichkeit.
Energieeffizienz
ist ein Maß für den Energieertrag unter Berücksichtigung der eingesetzten Energie. Je energieeffizienter eine Technologie, desto höher ist ihr Wirkungsgrad.
ökologische Effizienz
ist ein Maß für Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit. Sie wird oft als "CO2-Ausstoß" durch die Umrechnung der Freisetzung beim Verbrauch endlicher fossiler Energieträger angegeben.

Kosteneffizienz geht nicht zwingend mit Energieeffizienz und ökologische Effizienz einher. So hat z. B. ein Kohlekraftwerk bei der Erzeugung von Strom mit einem Wirkungsgrad von 30–40 % eine schlechte Energieeffizienz, ist aber wegen des niedrigen Kohlepreises sehr kosteneffizient und damit auch wirtschaftlich.

Beispiel: Die Umwandlungskette well to tank ohne Rohrleitungsnetz:

Strom aus Windkraft → Stromtransport → Wasserstoff aus Dampfreformation → Wasserstoffverflüssigung → Transport im Tankwagen → umfüllen/lagern an der Tankstelle

ist vom technischen Wirkungsgrad her nicht besonders energieeffizient. 1 kg Wasserstoff kostet dennoch im Mai 2011 nur 8 Euro.[52] Dies ist der Wasserstoffpreis, den der Kunde an der Tankstelle zu zahlen hat, also einschließlich der Investitionen für Aufbau und Betrieb der Wasserstofftankstelle, allerdings ohne Berücksichtigung der staatlichen Subventionierung[53] und der höheren Kosten für die Anschaffung des Fahrzeuges. Anzumerken ist auch, dass Mineralöl und Wasserstoff derzeit (2012) steuerlich unterschiedlich behandelt werden. Auf Wasserstoff wird keine Mineralöl- bzw. Energiesteuer erhoben.
Fahrzeug mit …
… Brennstoffzelle … Traktionsbatterie … Ottomotor
Fahrzeugtyp Mercedes-B-Klasse,
Brennstoffzellenfahrzeug Mercedes-B-Klasse Electric Drive
mit Traktionsbatterie Mercedes-B-Klasse
mit Ottomotor
Verbrauch pro 100 km 0,97 kg[54] 16 kWh[55] 7 l
Kraftstoffpreis 8,099 €/kg[52] 0,27 €/kWh 1,60 €/l[52] (E10)
Kosten für 100 km 7,86 € 4,32 € 11,20 €

Damit ist das Brennstoffzellenfahrzeug in Bezug auf den Treibstoffverbrauch trotz mäßiger Energieeffizienz im Betrieb wirtschaftlicher als das Fahrzeug mit Ottomotor, aber unwirtschaftlicher als der direkte Elektroantrieb mit Traktionsbatterie.

Auch nach dem Hart report[56] sind die Nutzenergiekosten bei Verwendung von konventionell durch Dampfreformierung erzeugtem, unbesteuertem Wasserstoff im Verhältnis zu Benzin durchaus wettbewerbsfähig. Die zu erwartende Besteuerung würde durch steigende Preise für Benzin ausgeglichen. Die angeführte Studie geht dabei von konstanten Preisen für die Wasserstoffherstellung aus.

Weiter geht es in Teil 2

Wirkungsgrade in einer Wasserstoffwirtschaft

Bei der Ermittlung der Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft muss die ganze Umwandlungskette von der Herstellung des Wasserstoffs bis zu Erzeugung der Endenergie beim Verbraucher betrachtet werden.

Die Einschätzung der Wirkungsgrade in den Quellen sind teilweise sehr unterschiedlich, weil sich viele Verfahren noch in der Entwicklung befinden und praktische Produktionserfahrungen noch fehlen. Eine großtechnische Anwendung findet derzeit nicht statt, sodass vor allem die Wirkungsgradangaben zur Wasserstoffgewinnung (2012: fast ausschließlich aus fossilen Quellen) als theoretische Maximalwerte interpretiert werden müssen.

Die für die Wirkungsgrade angenommenen Werte wurden aus der Schwankungsbreite gemittelt und können in der Realität durchaus nach oben oder unten abweichen. Die errechneten Gesamtwirkungsgrade können daher nur Näherungswerte sein.
Art Angenommener
Wirkungsgrad Daten aus verschiedenen Quellen
Wasserstoff thermochemisch aus Biomasse 0,75 Der Wirkungsgrad der thermochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse wird je nach Verfahren zwischen 69 % und 78 % angegeben.[57]
Wasserstoff aus Elektrolyse 0,80 Der Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse wird mit 70 bis 90 % angegeben.[58] (Dies gilt jedoch nur für elektrische Energie, die nichtthermisch produziert wurde (z.B. in Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen). Bei konventionellen Kraftwerken und Biomassekraftwerken muss deren Wirkungsgrad (typischerweise zwischen 30 und 60 %) mit dem Wirkungsgrad der Elektrolyse multipliziert werden, womit sich viel niedrigere Gesamtwirkungsgrade ergeben)
Wasserstofftransport im Gasnetzwerk 0,99 < 0,01 % Verluste im Gasnetzwerk.[39]
Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung 0,85 85 % Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert mit Reformer.[41] Bei Heizanlagen kann der Wirkungsgrad auch auf den Heizwert des eingesetzten Brennstoffes bezogen werden, dabei können Wirkungsgrade über 100 % entstehen, weil die zurückgewonnene Verdampfungswärme im Heizwert nicht enthalten ist.
Brennstoffzelle elektrisch 0,60 Der elektrische Wirkungsgrad von Brennstoffzellen wird zwischen 35 % und 90 % angegeben. Der elektrische Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle beträgt 60 %.[59]
Lithium-Ionen-Akku 0,94 Lithium-Ionen-Akkus haben einen Wirkungsgrad von 90–98 %.
Elektromotor 0,95 Der Wirkungsgrad von Elektromotoren wird zwischen 94 % und 97 % angegeben. Traktionsmotoren haben generell sehr hohe Wirkungsgrade.
Wasserstoff Verdichtung auf 700 bar 0,88 Die Verluste bei der Verdichtung betragen ca. 12 %.

In einer Wasserstoffwirtschaft ergibt sich also für die Energiekette

Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Strom und Wärme aus Brennstoffzellenheizung ein Wirkungsgrad von 0,75 × 0,99 × 0,95 = 0,70.

Für Brennstoffzellenfahrzeuge ergibt sich die Energiekette

Wasserstoff aus Biomasse → Transport im Gasnetzwerk → Verdichtung auf 700 bar → Brennstoffzelle elektrisch → Elektromotor mit einem Wirkungsgrad von 0,75 × 0,99 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,37

Zum Vergleich: Wirkungsgrade in der fossilen Energiewirtschaft
Art Angenommener Wirkungsgrad Daten aus verschiedenen Quellen
Wasserstoff aus Erdgasreformation 0,75 Praxiswerte für großtechnische Reformation und Aufbereitung
Strom aus Kohlekraftwerken 0,38 38 % Wirkungsgrad im Mittel der deutschen Kohlekraftwerke. 2010 beträgt der Anteil der Stein- und Braunkohlekraftwerke an der deutschen Stromerzeugung 43 %.
Stromtransport 0,92 8 % Verluste im Stromnetz[39]
Transport und Aufbereitung Motorenbenzin 0,85 Die Erzeugung und Bereitstellung fossiler Kraftstoffe wie Benzin und Diesel aus Erdöl erfolgt bei Wirkungsgraden bis 85 %.[60]
Ottomotor 0,24 Ottomotoren besitzen einen Wirkungsgrad von 10–37 %

Für Strom aus einem Kohlekraftwerk ergibt sich mit der Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 = 0,35.

Für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit fossiler Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse ergibt sich für die Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport → Elektrolyse → Verdichtung → BSZ → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,14.

Für ein Brennstoffzellenfahrzeug mit fossiler Wasserstofferzeugung durch Erdgasreformation (derzeit Standard) ergibt sich mit der Energiekette

Dampfreformation → Verdichtung → BSZ → Akku → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,75 × 0,88 × 0,6 × 0,94 × 0,95 = 0,35.

Für ein akkugetriebenes Elektrofahrzeug mit Aufladung durch reinen Kohle-Strom ergibt sich mit der Energiekette

Kohlekraftwerk → Stromtransport → Akku → Elektromotor ein Wirkungsgrad von 0,38 × 0,92 × 0,94 × 0,95 = 0,31.

Der reale Strommix in Deutschland erhöht den Wirkungsgrad je nach Anteil der Stromerzeuger.

Für ein Fahrzeug mit Ottomotor ergibt sich mit der Energiekette

Transport und Aufbereitung Motorenbenzin → Ottomotor ein Wirkungsgrad von 0,85 × 0,24 = 0,20.

Der Vergleich zeigt, dass die Gesamtwirkungsgrade einer Wasserstoffwirtschaft durchaus über denen der etablierten fossilen Energiewirtschaft liegen können.
Zum Vergleich: Wirkungsgrade bei Elektrofahrzeugen

Bei Aufladung mit Ökostrom aus Eigenerzeugung ergibt sich für batteriegetriebene Elektrofahrzeuge mit der Energiekette

Photovoltaikanlage/Wechselrichter → Akku stationär → Akku im Fahrzeug → Elektromotor

ein Wirkungsgrad von 0,9 × 0,94 × 0,94 × 0,95 = 0,75 und für Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle mit der Energiekette

Photovoltaikanlage/Wechselrichter → Akku stationär → Elektrolyse → Verdichtung auf 700 bar → Brennstoffzelle → Elektromotor

ein Wirkungsgrad von 0,9 × 0,94 × 0,8 × 0,88 × 0,6 × 0,95 = 0,34.

Dabei bleibt unberücksichtigt, dass eine Eigenherstellung von Wasserstoff durch Photovoltaikgleichstrom vor Ort und Höchstkompression /Betankung für den privaten Eigenbedarf im Gegensatz zum Eigenverbrauch von Strom technisch nicht existent ist. Bei Transport des regenerativen Stromes über das Wechselstromnetz und dem notwendigen Transport des Wasserstoffes zu den Tankstellen und dessen Lagerung (zumeist als Flüssigwasserstoff) wird der Wirkungsgrad der Gesamtkette für Brennstoffzellenfahrzeuge mit 20 bis 25 % angegeben.[29]

Der Vergleich zeigt, dass batteriegetriebene Fahrzeuge den besseren Wirkungsgrad besitzen. Bei zusätzlichem Bedarf an Heizung/Kühlung wird Energie für die Wärme/Kälte-Erzeugung benötigt. Dies kann die Reichweite abhängig von Batteriegewicht und Temperatur um bis zu 50 % verringern.[61] Auch bei Brennstoffzellen-Kfz entstehen wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Winterbetrieb deutlich höhere Verbräuche. Durch die höhere mitgeführte Energiemenge wirken sich diese Mehrverbräuche allerdings nicht so deutlich auf die Reichweite aus wie beim Elektroauto.
Umwelt- und Klimaschutz

Die Nutzung von erneuerbaren Energien ist an sich klimaneutral und emissionsfrei. Bei Nutzung von Biomasse gilt das auch in einer Wasserstoffwirtschaft. Es entstehen weder bei der Vergasung zu Wasserstoff noch bei der Nutzung des Wasserstoffs irgendwelche Luftschadstoffe. Allerdings muss der Aufwand für Anbau, Gewinnung und Verarbeitung der Biomasse bei einer ökologischen Betrachtung berücksichtigt werden. Die Nutzung der Biomasse enthält sogar zwei Optionen, um den Treibhauseffekt rückgängig zu machen.

Die Speicherung des CO2 im Untergrund, welches bei der Herstellung von Wasserstoff zwangsläufig in konzentrierter Form anfällt.
Die Einarbeitung von Bio-Koks in den Acker, wenn man die Vergasung entsprechend steuert. Das macht den Acker fruchtbarer und ist als Terra preta bekannt.

Durch den Wegfall von Emissionen entfallen die sozialen Kosten der Energieerzeugung. Diese sind von gleicher Größenordnung wie die direkt zu zahlenden Energiekosten.

2003 befürchteten Wissenschaftler des California Institute of Technology in Pasadena aufgrund von Simulationen, dass eine umfassende Wasserstoffwirtschaft rund 100 Million Tonnen Wasserstoff in die Atmosphäre freisetzen und damit die Ozonschicht schädigen könnte.[62]

Nach neueren wissenschaftlichen Untersuchungen des Forschungszentrums Jülich im Jahr 2010 wird dieser Effekt bei realistischen Annahmen aber verschwindend gering sein. Der positive Effekt durch Verzicht auf fossile Energieträger überwiegt. Ursprünglich wurde davon ausgegangen, dass ca. 20 % des Wasserstoffes in die Atmosphäre entweicht. Aufgrund der technologischen Entwicklung wird aber heute davon ausgegangen, dass weniger als 2 % entweichen. Hinzu kommt dass der Wasserstoff seine volle, Ozon schädigende Wirkung nur im Beisein von FCKW entfaltet. Mit dem Rückgang des FCKW in den nächsten Jahren wird der Wiederaufbau der Ozonschicht überwiegen.[63]
Unfallrisiko in einer Wasserstoffwirtschaft
Siehe auch: Sicherheitshinweise und Unfallrisiko bei Wasserstofffahrzeugen

Wasserstoff ist, wie z. B. Benzin oder Erdgas, hochentzündlich. Bei technischen Anlagen müssen die spezifischen Eigenschaften des Wasserstoffs berücksichtigt werden. Die chemische Industrie nutzt Wasserstoff seit über hundert Jahren in großen Mengen, sodass hinreichende Erfahrungen im Umgang mit Wasserstoff bestehen.[64]

Wasserstoff ist wegen der geringen Dichte ein sehr flüchtiges Gas. Im Freien kann es sich sehr schnell in höhere Luftschichten verflüchtigen.[65] Allerdings sind auch reale Unfälle bekannt, in denen sich entzündliche Wasserstoffgemische am Boden ansammelten, denn Sauerstoff/Wasserstoff-Gemische mit einem Anteil von unter 10,5 Volumenprozent Wasserstoff sind schwerer als Luft und sinken zu Boden. Die Entmischung erfolgt nicht unmittelbar,[66] sodass bis zur Unterschreitung der 4-Volumenprozent-Grenze die Zündfähigkeit erhalten bleibt. Beim Umgang mit Wasserstoff müssen Sicherheitsvorschriften und Entlüftungsanlagen dieses Verhalten berücksichtigen.

Die heute verwendeten Drucktanks halten (im Gegensatz zu Benzintanks) auch schwere Unfälle unbeschadet aus.[67][68][69] Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt.

Im Gegensatz dazu dürfen Fahrzeuge mit Flüssigwasserstoff nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden, da sich durch das Ausgasen explosive Gasansammlungen bilden können.[70]
Kritik

Eine Wasserstoffwirtschaft ist zurzeit nirgends im großen Stil verwirklicht und die Umsetzbarkeit ist umstritten.[71][72] Folgende Aussagen werden angezweifelt: Die Wasserstoffwirtschaft wird als Alternative zur Stromwirtschaft dargestellt. Die Befürworter einer Wasserstoffwirtschaft heben die angebliche bessere Speicherbarkeit von Wasserstoff gegenüber derjenigen von Strom hervor. Wasserstoff besitze die Eigenschaft einer guten Kurzzeitspeicherung in Form von tolerierbaren Druckschwankungen in einem Pipeline-Verteilungsnetz (die Pipeline selbst ist der Speicher), sowie der Langzeitspeicherungsfähigkeit in Kavernen (so wie zurzeit Erdgas gespeichert wird). Benötigte elektrische Energie könne aus Wasserstoff vor Ort mit Hilfe von Brennstoffzellen mit einem Wirkungsgrad[73][74] erzeugt werden, der deutlich den der deutschen Kraftwerke überträfe:[75] Allerdings betrachten die angeführten Quellen zur Energieeffizienz der Brennstoffzellen lediglich die Umwandlung von Erdgas beziehungsweise Wasserstoff in Strom, berücksichtigen jedoch die Energieverluste nicht, die bei der Herstellung, Speicherung und Verteilung des benötigten Wasserstoffs anfallen[76]. Auch wird der geringe volumenbezogene Energiegehalt selten berücksichtigt: „Ein 40-Tonner kann gerade mal 350 Kilogramm gasförmigen Wasserstoff transportieren“, sagt Bossel, „und auch flüssiger Wasserstoff ist leicht wie Styropor.“[77]
Siehe auch

Liste der Wasserstofftechnologien
Hydrogen highway
Clean Energy Partnership
Zero Regio
E-Fuel


Quelle