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Stichwort Wasserstoff-Technologien

Aus Kohle, Wasser und Strom werde Treibstoff: flüssige Fischer-Tropsch-Produkte, die Fraunhofer-Forscher in der IKTS-Testanlage synthetisiert haben. Foto: Jürgen Lösel für das Fraunhofer-IKTS

Aus Kohle, Wasser und Strom werde Treibstoff: flüssige Fischer-Tropsch-Produkte, die Fraunhofer-Forscher in der Testanlage des Fraunhofer-Keramikinstituts IKTS synthetisiert haben. Foto: Jürgen Lösel für das Fraunhofer-IKTS

Viele Politiker und Ingenieure hoffen, dass Wasserstoff-Technologien viele Probleme der Energiewende und der deutschen Klimaschutz-Bilanz lösen: Wasserstoff ist ein Energieträger, der im besten Fall in Brennstoffzellen sehr effektiv zu Wasser verbrennt, erkommt als Zwischenspeicher für Ökostrom-Spitzen in Frage, kann aber auch den Kohlendioxid-Ausstoß von Stahlwerken mindern und dergleichen mehr. Hier ein kurzer Überblick über vieldiskutierte Ansätze und Probleme der Wasserstoff-Technologien:

Elektrolyse: Unter Stromzufuhr lässt sich Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zerlegen. Dieses Verfahren ist seit über 200 Jahren bekannt. Hemmnisse für eine breitere Anwendung in Deutschland sind unter anderem die hohen Strompreise und Abgaben.

Brennstoffzelle: Sie stehen für den umgekehrten Prozess zur Elektrolyse: Wasserstoff und Sauerstoff verbrennen hier langsam zu Wasser und dabei entsteht elektrische Energie.

Bautypen: Die älteste und billigste Bauweise ist der alkalische Elektrolyseur, der „nur“ Investitionen von 1000 bis 1200 Euro pro Kilowatt (kW) Leistung erfordert. Eine Alternative ist die Polymermembran-Zelle (PEM), die etwa 1800 bis 2300 Euro pro kW kostet, bei niedrigen Temperaturen arbeitet und auf etwa 70 Prozent Wirkungsgrad kommt. Keramische Hochtemperatur-Stacks kommen dagegen auf etwa 80 Prozent Wirkungsgrad. Sie kosten allerdings über 2000 Euro pro Kilowatt und sind noch nicht so ausgereift wie alkalische oder PEM-Elektrolyseure. Allerdings sind viele Ingenieure überzeugt, dass sie die Kostenprobleme noch lösen können.

Rückverstromung: Die Stacks in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen sind einander sehr ähnlich. Mit ein paar Modifikationen lassen sie sich in beide Richtungen umschalten: In einem Modus erzeugen sie Wasserstoff, den sie im anderen Modus dann wieder in elektrische Energie „rückverstromen“. Daher gibt es die Idee, riesige Anlagen dieser Art ans Stromnetz zu koppeln, um damit die Lieferspitzen und -täler von Sonnen- und Windkraftanlagen auszugleichen – mit Wasserstoff als Zwischenspeicher, der auch große Energiemengen puffern kann.

Problem 1: Der Wirkungsgrad liegt bei heutigen Rückverstromungs-Techniken für den Gesamtprozess – also hin und zurück – bei nur etwa 48 Prozent.

Problem 2: Rückverstromer könnten zwar ein zentrales Problem der Energiewende mindern, indem sie die Ökostromspitzen puffern. Dennoch sind dafür meist auch jene Netzentgelte, Ökostrom-Umlagen und anderen Abgaben zu entrichten, die normale Stromverbraucher und -erzeuger zu zahlen haben. Davon können sich die Betreiber nur unter eng gesteckten Bedingungen befreien. Daher gelten solche Anlagen – ähnlich wie übrigens die meisten Pumpspeicherwerke – derzeit in Deutschland als eher unwirtschaftlich.

Umweltfreundlichkeit: In der Theorie sind Brennstoffzellen sehr effektiv und erzeugen nur Wasser. In der Praxis allerdings sind sie materialaufwendig. Zudem werden sie teils auch mit dem einfacher verfügbaren Erdgas oder anderen fossilen Treibstoffen betrieben. Dann entstehen sehr wohl potenziell klimaschädliche Abgase.

Was ist „grüner“ Wasserstoff? Wasserstoff ist farblos, hat aber umweltpolitische Farben bekommen: Als „grün“ gilt Wasserstoff, der aus Wasser und Wind- oder Solarstrom erzeugt wurde. Er kostet heute in der Herstellung etwa 4,50 Euro pro Kilogramm – und ist damit dreimal so teuer wie beispielsweise „grauer“ Wasserstoff, der aus Erdgas und „normalem“ Strom erzeugt wird.

Einsatzfelder für Wasserstoff: in der Chemie- und Pharmaindustrie als Ausgangsstoff, in Raffinerien, in Stahlwerken als Reduktionsmittel anstelle von Kohle, in der Energiewirtschaft als Energieträger und -zwischenspeicher, als Treibstoff für Brennstoffzellen-Autos und Wasserstoffmotoren und dergleichen mehr.

Fischer-Tropsch-Synthese: Bei der Fischer-Tropsch-Synthese wird Kohle mit Wasserstoff zu Treibstoffen verflüssigt. Dieses Verfahren ist seit fast 100 Jahren bekannt und wurde in Deutschland vor allem im II. Weltkrieg großtechnisch eingesetzt, um die Treibstoff-Engpässe für Panzer und Flugzeuge zu mindern. In Friedenszeiten ist dieses Verfahren allerdings zu teuer im Vergleich zum Erdöl-Bezug. Neuerdings experimentieren Forscher – beispielsweise am Fraunhofer-Keramikinstitut IKTS in Dresden – daran, Elektrolyse und Fischer-Tropsch-Synthese direkt zu koppeln, um den Gesamtprozess effektiver zu machen. Dies könnte auch für die sächsischen Braunkohle eine neue stoffliche Nutzung eröffnen.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: Fraunhofer-IKTS, Prometheus-Rechtsanwaltsgesellschaft, Oiger-Archiv, Wikipedia