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26.10.2021

Lesezeit: etwa 9 Minuten

Energiequelle Wasserstoff

Axel Michaelis

Diese Analyse zum Thema „Energiequelle Wasserstoff“ wurde vor über einem halben Jahr verfaßt. Angesichts steigender Energiepreise und künftiger Energieknappheit in Deutschland durch den Atom- und Kohleausstieg ist das Thema aktueller, denn je. Deshalb soll dargestellt werden, was technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist und was nicht. Und nur zur Klarstellung: es ist nicht mehr möglich, die sechs noch laufenden Kernkraftwerke in Deutschland über die festgelegten Abschalttermine (drei Ende 2021 und drei Ende 2022) hinaus weiter in Betrieb zu lassen. Zum einen ist der technologische und betriebswirtschaftliche Point of no return längst überschritten und zum zweiten werden die die Energiekonzerne nicht ein weiteres mal von der Politik zum Narren halten lassen.

Durch die von der Bundesregierung, angetrieben von öko- und klimabewegten NGOs und weiteren Lobbygruppen, eingeleitete so genannte Energiewende, ist neben den erneuer-baren Energien aus Wind und Sonne seit geraumer Zeit Wasserstoff als Energieträger ins Gespräch gekommen.

Dafür gibt es im wesentlichen zwei Gründe: zum einen ist der aus erneuerbaren Energien erzeugte elektrische Strom nicht speicherbar (alle Speicher in der Bundesrepublik, dazu gehören auch die Pumpspeicherkraftwerke, würden im Falle eines Blackouts nur 40 Minuten bis maximal eine Stunde Strom liefern, dann wäre das sprichwörtliche Licht aus) und zum zweiten ist elektrische Energie ja nur ein Teil der benötigten Gesamtenergie unseres Landes, und zwar der kleinste. Die weitaus größeren Mengen werden für das Heizen und die Mobilität benötigt. Das wird in der Debatte über eine Energiewende gerne verschwiegen.

Ziel ist also, mit Wasserstoff das angeblich klimaschädliche Erdöl und Erdgas, sowie Kohle und Holz als Energieträger zu ersetzen.

Nun ist Wasserstoff, anders als die fossilen Brennstoffe, kein Primärenergieträger, sondern muß erst unter Einsatz von Energie erzeugt werden.

In den Kreisen der Anhänger der Wasserstofftechnologie wird dieser je nach Art der Herstellung mit vier Farben gekennzeichnet:

  1. Grauer Wasserstoff

Dieser wird in der Regel aus Erdgas gewonnen. Unter Hitze wird Erdgas in Wasserstoff und Kohlendioxid aufgespalten, das Kohlendioxid wird ungenutzt in die Atmosphäre emittiert.

  1. Blauer Wasserstoff

Dieser ist grauer Wasserstoff, dessen Kohlendioxid bei der Produktion abgeschieden und gespeichert werden soll (Carbon capture and storage, CCS, nennt sich das Verfahren). Großtechnisch ist dieses Verfahren noch nicht im Einsatz, das Kohlendioxid soll in Sedimentschichten ab 800 Meter Tiefe in die Erde verbracht werden, um nicht in die Atmosphäre zu gelangen.

  1. Türkiser Wasserstoff

Dieser wird bei der thermischen Spaltung von Methan gewonnen, als Nebenprodukt entsteht fester Kohlenstoff. Eine angebliche Klimaneutralität dieses Verfahrens ist allerdings nur dann gegeben, wenn der Hochtemperaturreaktor mit erneuerbaren Energien betrieben wird. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas und kann aus diesem hergestellt werden.

  1. Grüner Wasserstoff

Dieser wird durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt, wobei für diese nur elektrische Energie aus erneuerbaren Energien verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird kein Kohlendioxid freigesetzt und ist daher die bevorzugte Lösung  für Hardcore-Klimaschützer.

Während bei der Erzeugung von grauen, blauen und türkisen Wasserstoff auf einen Primärenergieträger, nämlich Erdgas, zurückgegriffen wird, kann beim grünen Wasserstoff auf das unbegrenzt auf unserer Erde vorhandene Wasser zurückgegriffen werden. Und daher sollten sich unsere Überlegungen auf diesen beschränken.

Elektrolyse

Die Elektrolyse ist die Zerlegung von Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff. Dazu benötigt man Wasser in Trinkwasserqualität, Meerwasser muß vor der Elektrolyse entsalzt werden. Dieses Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff für Anwendungen, z.B. in der chemischen Industrie, ist allerdings sehr energie- daß heißt kostenintensiv und wird daher nur noch selten angewendet.

Verwendung

Wasserstoff kann im Prinzip für jede Form der Energieverwendung genutzt werden: als Heizgas, als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren oder in Brennstoffzellen (welche die Elektrolyse umkehren, aus Wasserstoff also elektrische Energie erzeugen).

Energiedichte

Die Energiedichte eines Energieträgers wird in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) oder in Kilowattstunden pro Liter (kWh/l) angegeben.

Wasserstoff hat eine Energiedichte von 33,3 kWh/kg.

Im Vergleich dazu Benzin etwa 11,4 kWh/kg und Diesel mit 11,9 kWh/kg.

Anders sieht es aus, wenn man sich die Energiedichte auf das Volumen bezogen ansieht:

Wasserstoff 0,003 kWh/l, Benzin 8,4 kWh/l und Diesel 9,7 kWh/l.

Daraus folgt, daß Wasserstoffgas auch bei sehr hoher Verdichtung in keine Konkurrenz mit Benzin oder Diesel treten kann. Bei einem Druck von 700 bar sind es immer noch 1,855 kWh/l und selbst flüssiger Wasserstoff (minus 253 Grad Celsius) erreicht nur eine Energiedichte von 2,36 kWh/l.

Wirtschaftlichkeit / Wirkungsgrad

Jede Technologie und jede wirtschaftliche Tätigkeit muß Wirtschaftlichkeitserwägungen unterworfen sein, die von Fall zu Fall und von Zeitpunkt zu Zeitpunkt anders festgelegt werden können. In jedem Fall aber bedeutet Nachhaltigkeit, daß der Aufwand für eine Sache, für ein Projekt, langfristig nicht höher als der Nutzen sein darf. Zudem sollte bei einem so lebenswichtigen Bereich wie der Energieversorgung eines Landes in besonderem Maße auch auf einfache Handhabung und Sicherheit Wert gelegt werden, aber das nur am Rande.

Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, der erst durch den Einsatz bereits vorhandener (elektrischer) Energie gewonnen wird. Die Frage ist also, welches Kosten-Nutzen-Verhältnis die Wasserstofferzeugung nach sich zieht. Dazu gibt es verschiedene Angaben, wobei zu beachten ist, daß die Wasserstofftechnologiebefürworter die Wirtschaftlichkeit, also den Wirkungsgrad, besonders günstig anpreisen. Die direkte Umwandlung von Wasser durch elektrische Energie (Power-to-gas) in Wasserstoff wird mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent beschrieben – das bedeutet, daß bei 100 Prozent eingesetzter elektrischer Energie Wasserstoff mit einer Energiemenge von 70 Prozent hergestellt werden kann. Falls die Elektrolyse mit Meerwasser durchgeführt werden muß, entstehen noch erhebliche Verluste durch die notwendige Entsalzung, so daß ein Wirkungsgrad von kaum mehr als 50 Prozent erreicht wird. Noch schlechter schaut es aus, wenn der Wasserstoff dann als Energieträger für Mobilität und Heizung verwendet werden soll, weil die Energiedichte des Volumens von Wasserstoff äußerst gering ist. In der Endverwendung beträgt der Wirkungsgrad von Wasserstoff, je nach Einsatzgebiet, zwischen 15 und 30 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie. Das ist volkswirtschaftlich und betriebswirtschaftlich natürlich ein kein Modell, um die Versorgungssicherheit eines Industrielandes mit preiswerter oder zumindest preislich konkurrenzfähiger Energie sicherzustellen.

Folgen und Ausweg

Falls sich die Befürworter des grünen Wasserstoffs durchsetzen, ist die logische Folge, daß unser Land radikaler und brutaler mit Windkraftanlagen und Solarparks zugebaut wird, als wir es uns heute überhaupt vorstellen können. Denn es entspräche ja ihrer Logik: wenn unbegrenzt erneuerbare Energie zur Verfügung steht, ist auch die Menge des damit zu produzierenden grünen Wasserstoffes unbegrenzt. Der Wasserstoff ist damit der bisher nicht vorhandene Speicher für Wind- und Solarenergie, die in Zeiten hoher Produktion dieser elektrischen Energie an das Ausland verschenkt oder mit einem gehörigen Aufpreis abgegeben wird, oder mit der auch im Sommer die Weichenheizungen der Deutschen Bahn beheizt werden, um den Strom „loszuwerden“, um ihn im wahrsten Sinne des Wortes zu verheizen.

Einschub:Um die Energieversorgung eines Netzes stabil zu halten, darf und muß zu jedem Zeitpunkt genauso viel Energie erzeugt werden, wie verbraucht wird, ansonsten drohen Abschaltungen. Wird mehr produziert, als verbraucht wird, steigt die Netzfrequenz, wird mehr verbraucht wird, als produziert wird, fällt die Netzfrequenz, die 50 Hertz betragen muß. Bereits bei einer Abweichung von 0,2 Hertz greifen automatisierte Maßnahmen, wie Lastabwurf von Großverbrauchern, wie Aluminiumhütten, oder das Hochfahren von Reserven, wie Pumpspeicherkraftwerken.

Somit könnte also jede Kilowattstunde Wind- und Solarenergie in Wasserstoff umgesetzt werden, der dann allen möglichen Anwendungen zur Verfügung steht.

Das kann man im Sinne von Umwelt- und Heimatschutz keinesfalls wollen. Bereits jetzt findet eine gigantische Naturzerstörung durch den Bau von Windkraftanlagen statt, und in der Landwirtschaft hat der unsägliche Begriff de Energiewirtes Einzug gefunden, eines Landwirtes oder Landbesitzers, der – steuerlich oder direkt gefördert – nicht mehr Getreide oder andere Feldfrüchte anbaut, sondern sein Land mit Solarparks, oder – ein ebensolcher Frevel – mit Mais für Biogasanlagen bebaut. Das können wir keinesfalls wollen, weil damit gerade die Abhängigkeit bei der Versorgung mit Lebensmitteln vom Ausland steigt.

Der Ausweg, wenn man denn auf Wasserstoff als Ersatz für Erdöl und Erdgas setzen will, ist Uran. Die Energiedichte von Uran  beträgt 24 Millionen Kilowattstunden pro Kilogramm, das ist genauso viel, wie Energie in 3000 Tonnen Steinkohle enthalten ist. Wir erinnern uns: die Energiedichte von einem Kilogramm Wasserstoff beträgt 33,3 kWh/kg. Ein Kilogramm Uran ist übrigens ein Würfel dieses Metalls mit einer Kantenlänge von 3,75 cm.

Da Deutschland mittlerweile in eine Welt von Spinnereien und Träumereien abgeglitten ist, nimmt es nicht wunder, daß der Zusammenhang von Erdöl- und Erdgassubstitution durch Wasserstoff mit Hilfe von Kernenergie hierzulande nicht ansatzweise diskutiert wird, da ja in den nächsten zwei Jahren alle Kernkraftwerke und in den nächsten zehn Jahren alle Kohlekraftwerke abgeschaltet werden sollen.

Japan ist, neben anderen vitalen Industriestaaten, ein Beispiel dafür, wie man es anders, besser macht, als in einer müden und ermatteten Bundesrepublik, die sich immer mehr in weltfremden Phantasien verstrickt.

Mit Fukushima verbinden dank einer Katastrophenberichterstattung viele nur den Störfall im dortigen Kernkraftwerk (Todesfälle  keine,  außer fünf Arbeitern, die im Zuge der Aufräumarbeiten nach 2011 bei Arbeitsunfällen ums Leben gekommen sind und dem Betriebsleiter, der 2013 an Krebs verstorben ist) nach einem gewaltigen Tsunami als Folge eines verheerenden Erdbebens im Jahre 2011. Aber im März 2020 wurde nahe des Kernkraftwerkes, welches schon längst wieder zuverlässig preiswerten Strom liefert, auf 22 Hektar ein Forschungszentrum zur Wasserstoffproduktion eröffnet: das Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R). Das Ziel ist, Verfahren von Gewinnung, Speicherung und Anwendung von Wasserstoff  zu erforschen und diese zur Marktreife zu führen.

FH2R steht mit dem Kernkraftwerk Fukushima ein starker Partner zur Seite. Ja, mit Kernenergie kann man weitestgehend klimaneutral, wenn es denn gewünscht ist, unbegrenzt und preiswert auch Wasserstoff herstellen. Das kann dazu führen, daß auch rohstoffarme Länder, wie Deutschland, unabhängig von Erdöl und Erdgas werden können. Ob man dies will, wird die Politik entscheiden müssen.

Nachsatz: Aus Wasserstoff und Kohlendioxid läßt sich Methanol herstellen, welches als sicherer Treibstoff verwendbar ist.

    

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