Woche 22

„Hydrogen Economy - Wasserstoffwirtschaft Pro und Contra“

Hermann Pütter

Steht uns eine Energierevolution bevor?

Im Jahre 2002 veröffentlichte der Erfolgsautor Jeremy Rifkin das Buch "Hydrogen Economy". Schon im Erscheinungsjahr der englischsprachigen Ausgabe erschien die deutsche Fassung, Titel: "Wenn es kein Öl mehr gibt…. Die H₂-Revolution - mit neuer Energie für eine gerechte Weltwirtschaft"[1]. Auf dem "Medienforum Deutscher Wasserstofftag" am 01.10.03 in München hielt Rifkin einen schwungvollen Plenarvortrag, in dem er anmerkte, dass seine Wasserstoff-Botschaft auch von führenden Politikern in der EU und den USA verstanden worden sei.

Rifkin engagiert sich nicht als einziger zum Thema Wasserstoff. Prof. Bockris, ein Grandseigneur der Elektrochemie, hat die 12th World Hydrogen Energy Conference im Jahre 1998 mit einem Vortrag "Hydrogen Economy in the Future" eingeleitet und hier die Herausforderungen unserer Energiezukunft skizziert [2]. S. Dunn, vom Worldwatch Institute, fasst 2002 in seinem Review "Hydrogen Futures: towards a sustainable energy system"[3] die Intentionen der Hydrogen Economy zusammen und erwähnt, dass der Begriff 1970 von General Motors geprägt wurde, als dort Ingenieure Wasserstoff zum universellen Kraftstoff für den Transport der Zukunft erklärten.

Abbildung 1: Struktur der Hydrogen Economy

Gründe für eine Energiewende hin zu Wasserstoff

Mit der Jahrtausendwende beginnt die Literatur zu unserem Thema sintflutartig anzuschwellen. Es gibt eine Reihe guter Übersichten über das Thema [4-11] und auch ganze Bücher zum Pro [12] und Contra [13]. Zwei bis vor kurzem noch kontrovers diskutierte Fragen scheinen entschieden:

Anthropogenes CO₂ führt zum Treibhauseffekt.
Das Ölzeitalter strebt überraschend schnell seinem Zenit zu.

Abbildung 2: Argumente für eine Hydrogen Economy

Etwas plakativ stellt ein Review [14] uns vor zwei Alternativen (Abb. 2). Option 1, der zügige Aufbau einer Hydrogen Economy sichere unsere Zukunft, Option 2, eine "Business as Usual" Strategie, führe in die Katastrophe. Politik, Wissenschaft und Technik müssen sich den Problemen stellen. Die Lösung scheint vorprogrammiert. Während die fossilen Quellen unserer Energieträger versiegen, ist der Rohstoff für Wasserstoff, nämlich Wasser, beliebig verfügbar. Heute schon verfügen wir mit der Wasserelektrolyse über eine bewährte Technologie, um Wasserstoff energieeffizient zu erzeugen. Und wir arbeiten an der Technologie der Brennstoffzellen, um Wasserstoff effizient in die wichtigste Nutzenergie, Strom, zu verwandeln. Für Wasserstoff scheint auch eine Art chemische Evolution zu sprechen (Abb. 3):
Die Energieträger des Industriezeitalters haben ihren Aggregatzustand zunehmend von fest (Kohle) über flüssig (Erdöl) und neuerdings zu gasförmig (Erdgas) verändert. Gleichzeitig stieg das H:C-Verhältnis (das Atomverhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff) von ~0,5 auf 4,0. Und das scheint noch nicht das Ende zu sein. Bei einer reinen Wasserstoffwirtschaft wäre überhaupt kein Kohlenstoff mehr im Energieträger. Die Konsequenz wäre ein völlig CO₂-freies Energiesystem! Zudem würde die Energiedichte des zukünftigen Energieträgers noch einmal kräftig zulegen. Von unter 20 MJ/kg, dem Heizwert von getrocknetem Holz, auf 120 MJ/kg bei Wasserstoff.

Verfügbarkeit des Rohstoffs, sichere Erzeugung, Kompaktheit, umweltfreundliche Nutzung - alles spricht also für Wasserstoff!

Diese Botschaften finden im politischen Raum offene Ohren und haben seit der Jahrtausendwende zu bedeutenden Initiativen, wie der FreedomCar in den USA und den EU-Projekten [15], HyNet, HYsociety und HYway geführt.

Abbildung 3: Entwicklung der Energiesysteme

Wasserstoff überflüssig ?

In Wissenschaft und Technik ist die Reaktion nicht ganz so positiv. So hat das Panel on Public Affairs, POPA, der American Physical Society schon 2003 das FreedomCar-Projekt in einer Studie recht zurückhaltend bewertet [16]. Manche Kritiker gehen noch weiter. U. Bossel, ein Hauptvertreter der Kritiker, behauptet: "We need a Renewable Energy Economy, Not a Hydrogen Economy" [17]. Seine technisch-naturwissenschaftliche Streitschrift "The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak?" findet sich auf der Homepage der Lucerner European Fuel Cell Forums [18].

Hoher Energieaufwand bei der Herstellung, Transport und Lagerung von Wasserstoff
Ungelöste Speicher-, Sicherheits- und Verteilungsprobleme
Niedrige volumetrische Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Energieträgern (Benzin 32,5 MJ/l; Wasserstoff (verflüssigt): 9,9 MJ/l)

Wie der Disput bis zum Anbruch eines regenerativen Energiezeitalters verlaufen wird, ist offen. Vermutlich werden mindestens vier Energieträger nebeneinander existieren: Wasserstoff, Strom, Wärme und Biofuels (Biokraftstoffe). Viele Kritiker gestehen zu, dass unter geeigneten Randbedingungen regionale Wasserstoffwirtschaften Sinn machen. Island ist ein Beispiel. Aufgrund der stabilen Verfügbarkeit von Erdwärme und Wasserkraft plant man dort eine solche Insellösung im wahrsten Sinne des Wortes.

Wasserstoff - Strom - Wärme - Biofuels: Verbund oder Konkurrenz ?

Wie würde eine Energiewirtschaft aussehen, die unser heutiges System erst ergänzen und dann allmählich ablösen würde (Abb. 4)? Schon heute gibt es eine Fülle von Möglichkeiten, um Strom, Wärme, Gas und Kraftstoffe aus regenerativen Quellen anzubieten. Die heutigen Schwachstellen sind offenkundig:

An der Reife der Technik und den Kosten hapert es oft noch.
Bei Strom und Wärme korrespondieren Angebot und Nachfrage jahreszeitlich nicht.

Sie ist ein indirektes, mehrstufiges System mit hohen Kosten und mit Effizienzdefiziten.
Sie hat ungelöste Verteilungs- und Speicherprobleme.

Diese Schwachstellen und Schwächen sprechen nicht gegen regenerativen Energien, sie sind aber ein sehr starkes Argument dafür, dass man die mühsam geerntete Energie so kostenbewusst und effizient wie nur möglich verwertet.

Entscheidend für die Anteile an Wärme Strom, Biofuels und Wasserstoff in unserer zukünftigen Energieversorgung sind also technologische Fortschritte, die bei allen regenerativen Energieträgern zu erwarten sind. Die Elektrochemie ist bei vielen Technologien einer regenerativen Energiewirtschaft gefordert:

Erzeugung von Wasserstoff (Wasserelektrolyse)
Speicherung von Strom und Wasserstoff (Batterien, H₂-Speichermaterialien)
Umwandlung von Wasserstoff in Strom (Brennstoffzellen)

Vor allem die Entwicklung robuster Wasserelektrolysen, die bei schwankendem regenerativen Stromangebot effizient arbeiten, ist eine der Herausforderungen.

Abbildung 4: Regenerative Energien im Verbund

Die Qual der Wahl

Würde Abb. 4 alle heute halbwegs realistischen Konzepte regenerativer Energien darstellen, hätte sie wohl die Fläche eines Fußballfeldes. Da Zeit und Mittel begrenzt sind, steht die internationale Gemeinschaft vor dem Problem, eine kluge Auswahl zu treffen. Dies gilt bereits für heutige Forschungsprojekte, die schon weltweit Milliardensummen verschlingen. Beispielhaft für dieses Dilemma ist ein Streitgespräch zwischen den US-Wasserstoffexperten, S.G. Chalk und J.J. Fromm [19].

Die Bereitstellung von Wasserstoff ist zwar nicht sehr energieeffizient, aber für den Transportsektor, der in den USA 2/3 des Ölbedarfs ausmacht, gibt es zur Senkung der Ölabhängigkeit keine Alternative.
Im Jahre 2020 können erste Brennstoffzellenfahrzeuge marktfähig sein und die Effizienz in der Nutzung steigern.
Wasserstoff kann für eine Übergangszeit (50 Jahre) aus fossilen heimischen (US-)Ressourcen hergestellt werden.
Diese Übergangslösung kann bereits den Treibhauseffekt mildern. Das FutureGen-Projekt (1 Mrd US$ über zehn Jahre), soll die CO₂-Emissionen freie Herstellung von Strom und Wasserstoff entwickeln.

Ob Brennstoffzellenautos überhaupt kommen, ist fraglich, dass sie 2020 kommerziell sind, ist unrealistisch.
Ob Brennstoffzellenautos in der Gesamtenergiebilanz besser dastehen, als konventionelle Autos, ist offen.
Die Zeit zur Entwicklung einer Hydrogen Economy könnte mit der Entwicklung von (billigeren) Alternativen besser genutzt und verkürzt werden. Deshalb sollte Wasserstoff nicht zu Lasten anderer Alternativen gefördert werden.
Die Weiterentwicklung von Hybridautos verspricht raschere und deutlichere Senkung des Ölverbrauchs.

Beide sind sich darin einig, dass der Übergang auf eine regenerative Energieversorgung, jahrzehntelange, aufwendige Forschungsprogramme benötigt und dass die Entwicklung von Hybridautos der aussichtsreichste Weg zur raschen Energieeinsparung in den USA ist. Diese Übereinstimmung spiegelt sich auch in der diesjährigen Rede des US-Präsidenten zur Nation am 31. Januar [20] wider: In der "Advanced Energy Initiative" streben die USA eine zuverlässige alternative Energiestruktur an.
Neben der Versorgung von Haushalten und Gewerbe ist eine rasche Umstellung des Automobilverkehrs von Öl auf drei Alternativen nötig: Strom, Wasserstoff und Biofuels. Ausdrücklich erwähnt werden "better batteries for hybrid and electric cars".

Biofuels und Wasserstoff

Biofuels (Biokraftstoffe) könnten ein Kompromissfeld für Gegner und Befürworter der Hydrogen-Economy sein. Abb. 5 zeigt wichtige Wege zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff, Strom, Wärme und Biofuels. Jeder Weg repräsentiert eine Fülle von möglichen Ansätzen, die hier nicht näher ausgeführt werden können. Die jeweils beste Option hängt nicht allein von der Technik und ihrem Entwicklungsstand ab. Sicherheit, soziale Akzeptanz, Kosten, Standortfragen und vieles mehr sind ebenso bestimmend.

Abbildung 5: Solare Energienutzung - Viele Wege führen nach Rom

Biofuels, energetisch verdichtete Biomasse, sind ideal lager- und transportfähig. In den USA, in Brasilien, in der EU und vielen anderen Ländern werden landwirtschaftliche Flächen für Biofuels bereitgestellt. Ethanol und Biodiesel sind heute die beiden wichtigsten Biokraftstoffe, nutzen aber nur Teile (Zucker, Öle) spezieller Pflanzen (z.B. Zuckerrohr, Raps). Sie könnten in Zukunft von Methanol oder sog. Sunfuels abgelöst werden. Denn hierfür werden Verfahren entwickelt, die jede Art von Biomasse vollständig nutzen können. Abb. 5 zeigt dies in einem vereinfachten Schema.

Hierbei wird die Biomasse zunächst thermisch in ein sog. Synthesegas verwandelt, welches umso ergiebiger ist, je mehr Wasserstoff es enthält. Biomasse liefert aufgrund ihrer chemischen Struktur nur wenig Wasserstoff. Durch Zusatz von Wasserstoff kann die Biofuel-Ausbeute verdoppelt werden.

Agrarflächen sind begrenzt. Es bietet sich an, Biomasse mit Solarwasserstoff (z.B. aus Windkraft + Wasserelektrolysen) zu verknüpfen, um so die Hektarerträge an Biofuels zu erhöhen. Wasserstoff ist hier also gleichzeitig Energieträger und Chemikalie.

Ein kluger Energieverbund

In einem zunehmend regenerativen Energieverbund eröffnen sich der Elektrochemie interessante Aufgabenfelder, die insbesondere die Verfügbarkeit von Strom und Wasserstoff beeinflussen werden. Wasserstoff wird eine wichtige Rolle spielen unabhängig davon, ob man dies "Hydrogen Economy" nennen wird. Sicherlich wird dieser Energieverbund auf mehreren Säulen ruhen: Strom, Wärme, Biofuels, Wasserstoff.

Wie wir gesehen haben, werden viele Wege geprüft und begangen. Hierbei ist ein merkwürdiges Rationalitätsdefizit zu beobachten. Schwerpunkte der allermeisten Energiestudien und -szenarien sind Technologie, Ökologie und Kosten. Das Verhalten der Verbraucher gilt als Naturkonstante.

Dies spricht nicht für Vertrauen in die Klugheit der Bürger. Dabei finden Bücher mit Ratschlägen zu ökologischen Verhaltensänderungen immer wieder den Weg in die Bestsellerlisten - so auch dieses Jahr [21]. Warum wird in Energiestudien unsere Vernunft ausgeklammert, wo doch offenbar die Bereitschaft besteht, sie anzuwenden?

Vielleicht könnten wir einige Jahrzehnte gewinnen, wenn wir diesem erstaunlichen Widerspruch genauer nachgingen.

Dr. Hermann Pütter
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