Energiewende 3.0: Mit Wasserstoff und Brennstoffzellen

Von Sven Geitmann

Was kommt nach der Energiewende 1.0 (Einstieg in die erneuerbaren Energien) und der Energiewende 2.0 (endgültiger Ausstieg aus der Atomenergie)? Richtig! Die Energiewende 3.0.
Im Sommer 2011 startete in Deutschland die Energiewende 2.0. Diese Herkulesaufgabe, die hiesige Atomenergie durch erneuerbare Energien zu ersetzen, wird noch lange Zeit andauern. Trotzdem ist es erforderlich, schon heute auf die Zeit danach zu gucken. Was kommt anschließend? Können die erneuerbaren Energien tatsächlich eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellen?
Die Antwort lautet: Ja! Voraussetzung ist aber, dass Solar- und Windstrom effizient gespeichert werden können. Und genau an dieser Schnittstelle, bei der Energiespeicherung von grünem Strom, kommt Wasserstoff ins Spiel. Wasserstoff ist der perfekte Energiespeicher, um Sonnen- und Windstrom auch über längere Zeiträume bevorraten zu können. Die Idee einer solaren Wasserstoffwirtschaft beziehungsweise von Windwasserstoff ist nicht neu, aber noch nie waren die Voraussetzungen so gut wie heute, um diese Idee endlich in die Realität umsetzen zu können.
Dieses Buch skizziert den Weg dorthin - von der gestrigen bis zur zukünftigen Energieversorgung. Es widmet sich dafür insbesondere der Thematik rund um Wasserstoff und Brennstoffzellen, denn gemeinsam können sie beide - der Wasserstoff als Energieträger und die Brennstoffzelle als Energiewandler - die in den nächsten Jahren anstehende Energiewende 3.0 ermöglichen.
Mit einem Vorwort von Dr. Klaus Bonhoff, Geschäftsführer der Nationalen Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie GmbH (NOW)

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Hydrogeit Verlag
• Erscheinungsdatum: 6. März 2013
• ISBN: 9783937863375

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Verlagsprogramm

1 EINLEITUNG

Wasserstoff ist das häufigste Element im Universum. Das Gas verfügt über einen hohen Heizwert und verbrennt mit Sauerstoff zu nichts anderem als Wasser. Es ist extrem leicht und wird bereits seit über 70 Jahren als Industriegas verwendet. Aber genügen allein diese Eigenschaften, um Wasserstoff zum so genannten „Kraftstoff der Zukunft" zu machen?

Energiespeicher egal welcher Art sind heutzutage unabdingbar, weil ohne Energie so gut wie gar nichts läuft auf diesem Planeten. Dementsprechend ist der Energiebedarf mittlerweile immens geworden. Wissenschaftler und Techniker arbeiten zwar fortwährend an der weiteren Effizienzsteigerung, um die Reichweite konventioneller Energieressourcen zu verlängern, aber die Entwicklungsfortschritte werden immer kleiner. Trotz der voranschreitenden Technisierung und Computerisierung ist bei jeder Technik irgendwann ein Stadium erreicht, in dem es aus thermodynamischen oder mechanischen Gründen nicht mehr oder nur noch kaum merklich weitergeht.

So ist es auch beim Verbrennungsmotor. Dieser basiert auf einer Technik, die mittlerweile so weit ausgereizt ist, dass kaum noch Wirkungsgradverbesserungen möglich sind. Nach weit über 100 Jahren Entwicklungsarbeit am Otto- und Dieselmotor ist die Frage berechtigt, ob es nicht andere Techniken gibt, die den heutigen Anforderungen besser genügen.

Die Brennstoffzelle ist solch eine Technik. Sie ist zwar keine wirklich neue Erfindung, aber manchmal kann es sich durchaus lohnen, alte Patente zu reaktivieren. Die Brennstoffzelle basiert auf einem Prinzip, das bereits vor über 170 Jahren entdeckt, dann aber nicht mit sonderlich viel Vehemenz weiterentwickelt wurde.

Dass nicht bereits früher auf diese Technik zurückgegriffen wurde, lässt sich durch die damalige dominante Stellung des Verbrennungsmotors erklären, der bis Anfang des neuen Jahrtausends nie ernsthaft in Frage gestellt wurde. Im Zuge der Industrialisierung mit dem anschließenden Wechsel von Kohle zu Öl war die Verbrennungskraftmaschine für über 100 Jahre ein durchaus geeignetes Medium. Die Brennstoffzelle bietet im direkten Vergleich dazu jedoch eine wesentliche Effizienzsteigerung bei gleichzeitig sauberem und leisem Betrieb. Dies hat sie bereits in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts bei zahlreichen Einsätzen in der Raumfahrt bewiesen.

Betrachtet man die Historie (s. Kap. 16.2), wird deutlich, dass an dieser Technologie schon seit zig Jahren mehr oder minder intensiv geforscht wird, aber erst in den 1980er Jahren wurde erstmals ernsthaft darüber nachgedacht, Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden. Entscheidend war damals – in Zeiten des aufkeimenden Umweltschutzes – der ökologische Aspekt. Aus den ersten Anlaufsversuchen entwickelte sich Ende der 1990er Jahre ein regelrechter Hype um diese Technologie. Da die technische Umsetzung jedoch nicht so zügig erfolgte wie zunächst erwartet, nahm das Interesse schnell wieder ab. Mitte des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts folgte dann die nächste Euphoriewelle mit ähnlichem Effekt, weil 2009 zunächst das Thema Elektromobilität mit den rein batteriebetriebenen Fahrzeugen in den Focus gelangte.

Jetzt ist quasi der dritte Frühling ausgebrochen. Die Schlagwörter, die schon mehrmals kursierten (z.B. Wasserstoffwirtschaft, Brennstoffzellenfahrzeuge), sind wieder in vielen Mündern, auch wenn das Detailwissen in der Bevölkerung immer noch dünn ist. Die Frage stellt sich daher, warum gerade jetzt wieder so viel davon geredet wird. Liegt dies an der Energiewende 2.0, die 2011 nach dem Atomunglück in Fukushima, Japan, ausgerufen wurde? Ist die Wasserstofftechnik vielleicht doch geeignet, aktuelle Energieprobleme lösen zu helfen, und können Brennstoffzellen tatsächlich eine aussichtsreiche Perspektive für die Energieversorgung bieten?

Beim wirtschaftlichen Vergleich mit konventionellen Systemen schnitt die neue Technologie bislang nicht gut ab. Viele Komponenten sind noch zu teuer und die Wasserstoffherstellung ist noch nicht in ausreichendem Maße auf ökologische Weise realisierbar. Nimmt man jedoch die Entwicklung der letzten Jahre als Maßstab für die Zukunft, so ist absehbar, dass in nächster Zeit die ersten Notstromaggregate, Hausenergiesysteme und Brennstoffzellenfahrzeuge auf den Markt kommen werden. Die Preise werden zwar zu Anfang noch nicht unbedingt günstig sein, mit steigenden Absatzzahlen wird sich jedoch bald eine konkurrenzfähige Alternative zu den herkömmlichen Systemen etablieren.

Es läuft daher alles auf eine grundsätzliche Umstrukturierung des Energiesektors hinaus, so wie es bereits bei der Energiewende 1.0 geschah, als Ende des 20. Jahrhunderts nach dem rein fossilen und atomaren Energiezeitalter der Einstieg in die erneuerbaren Energien vollzogen wurde. Ein ähnlicher Wechsel wird derzeit bei der Energiewende 2.0, bei der Abkehr von der Atomenergie, vorgenommen. Die Energiewende 3.0 steht noch aus: Hierbei geht es nicht nur um eine Substitution der Atomenergie durch erneuerbare Energie, sondern um die Speicherung von nachhaltig generiertem Strom mit Hilfe von Wasserstoff, um Ökostrom auch über längere Zeiträume hinweg bevorraten zu können, damit er grundlastfähig wird. Gleichzeitig muss insgesamt die Effizienz aller Energiesysteme weiter gesteigert werden. Außerdem muss der bereits eingeleitete Wechsel weitergeführt werden, sowohl bei den Energieträgern (von nuklearen/fossilen zu erneuerbaren Energien) als auch bei den Energiewandlern (vom Verbrennungsmotor zur Brennstoffzelle – von wenigen zentralen zu mehr dezentralen Kraftwerken).

Dieses Buch soll über die Möglichkeiten informieren, die Wasserstoff als Kraftstoff und Brennstoffzellen als Energiewandler eröffnen. Die technische Entwicklung ist in beiden Bereichen in den vergangenen Jahren weit vorangekommen und es existieren bereits vielerlei Anwendungen, in denen die Alltagstauglichkeit unter Beweis gestellt wurde. Jetzt geht es um die Markteinführung.

Um die Notwendigkeit eines Wechsels zu verdeutlichen, wird im Folgenden zunächst aus europäischer Sicht über die derzeitige Situation im Energiesektor aufgeklärt. Dann wird Wasserstoff mit seinen Eigenschaften sowie Vor- und Nachteilen vorgestellt, sowohl im Hinblick auf die chemischen und physikalischen Merkmale als auch auf unterschiedliche Herstellungsverfahren. Die anschließende Energiewandlung in verschiedenen Brennstoffzellentypen wird dabei ebenso dargelegt wie die Verbrennung im herkömmlichen Hubkolbenmotor. Darüber hinaus werden Fragen zur Speicherung, zum Transport und zur Betankung beantwortet. Zudem werden die Vor- und Nachteile verschiedener Kraftstoffe aufgezeigt. Auf Sicherheitsaspekte im Zusammenhang mit Wasserstoff wird ebenso eingegangen wie auf das vorhandene Entwicklungspotential dieser Technologie.

Zum Schluss wird festzuhalten bleiben, dass Wasserstoff mit Sicherheit nicht gefährlicher ist als andere Energieträger, sondern durchaus auch in der Vergangenheit schon mit Recht den Titel „Kraftstoff der Zukunft" getragen hat. Und die Brennstoffzellentechnologie wird die Technik sein, die uns in Zukunft bewegt, und zwar effizienter als bisher.

2 HEUTIGE ENERGIEVERSORGUNG

Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende haben sich die Energiequellen der Menschheit stetig gewandelt: Es hat sich sowohl die Art der Energieträger als auch deren Nutzungsdauer verändert. Zunächst wurde über Jahrtausende hinweg Holz verwendet. Dann wurde in der Alt-Steinzeit aus Baumstämmen und Ästen Holzkohle hergestellt. Diese verfügte bereits über deutlich verbesserte Brenneigenschaften. Im Altertum wurden dann Braun- und Steinkohle entdeckt.

Der Vorteil der Kohle lag in ihrem höheren Brennwert. Kohle ist ein aus tierischen und pflanzlichen Substanzen entstandenes Gemisch aus verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, das aufgrund seiner Entstehungsgeschichte über eine vergleichsweise hohe Energiedichte verfügt. Ähnlich ist es beim Erdöl sowie beim Erdgas. Beide Medien besitzen ebenfalls einen relativ hohen Energieinhalt. Gegenüber Kohle sind sie zudem einfacher zu handhaben, da beide Energieträger ein vergleichsweise geringeres Gewicht pro Energieeinheit aufweisen.

Diese so genannten fossilen Primärenergieträger entstammen längst vergangenen Zeiten und haben Jahrmillionen gebraucht, bis sie ihre derzeitige Konfiguration erhalten haben. Sie benötigten besondere Voraussetzungen für ihre Entstehung, sowohl was die Temperatur und den Druck als auch die chemischen Rahmenbedingungen angeht. Erdgas zum Beispiel entstand vor ungefähr 600 Mio. Jahren aus abgestorbenen Kleinorganismen, Plankton und Algen, die sich auf dem Grund der Ozeane ablagerten und im Laufe der Zeit von Gesteins- und Erdschichten überdeckt wurden. Unter Luftabschluss und bei hohem Druck bildeten sich aus diesen organischen Substanzen durch einen chemischen Prozess Kohlenwasserstoffe.

Der ursprünglich in der Atmosphäre vorhandene Kohlenstoff wurde auf diese Weise zunächst in Pflanzen und Tieren gebunden und dann im Laufe der Zeit in tiefer gelegenen Erdschichten eingeschlossen. Ursprünglich war der atmosphärische Kohlenstoffanteil um einiges höher als heute, aber da mehr und mehr Kohlenstoffverbindungen unter Tage weggesperrt wurden, verringerte sich der Kohlendioxidanteil in der Atmosphäre, da Kohlenstoff zunehmend dem oberirdischen Kreislauf entzogen wurde. Da dieser Prozess nur sehr langsam ablief, hatte die Natur damals Zeit genug, um sich auf diese Veränderung einzustellen.

Seit der industriellen Revolution Ende des 18. Jahrhunderts werden diese Kohlenwasserstoffverbindungen nun wieder aus ihren unterirdischen Verstecken hervorgeholt und durch ihre Verbrennung zurück in die Atmosphäre entlassen. Im ursprünglichen Sinne ist dieser Vorgang also ganz natürlich. Das Problem ist allerdings, dass sich die heutigen Lebensformen auf der Erde nicht in einem angemessenen Zeitraum an die veränderten Lebensbedingungen mit einem höheren Kohlenstoffanteil anpassen können, weil diese Rückführung zu schnell abläuft.

Dass es tatsächlich zu Veränderungen kommt, ist nicht schwer nachzuvollziehen, wenn man sich überlegt, dass ein maßgeblicher Anteil des Kohlenstoffes, der über Jahrmillionen unterirdisch gespeichert war, innerhalb von 100 Jahren wieder freigesetzt wird. Es ist somit verständlich, dass das komplizierte natürliche Gleichgewicht auf der Erde aus der Balance geraten kann.

Die Nutzung fossiler Ressourcen begann in den Jahren 1858/59 fast zeitgleich in Celle, Deutschland, und in Pennsylvania, USA. Einen Ölboom, wie er in Nordamerika in den Folgejahren ausbrach, konnte Deutschland allerdings nicht verzeichnen. Damals wie heute förderten die Deutschen nur etwa drei Prozent ihres Ölbedarfs selbst. Die Förderung von Erdgas begann dann verstärkt erst in den 1970er Jahren. Bis dahin wurde das Gas als störend empfunden und einfach verbrannt (abgefackelt).

Auch wenn immer wieder neue Erdölquellen und Erdgasfelder entdeckt werden, ist offensichtlich, dass diese fossilen Vorkommen endlich sind und irgendwann einmal erschöpft sein werden. Produkte der Erdgeschichte, die Tausende von Generationen bis zur Entstehung benötigt haben, werden innerhalb kürzester Zeit vernichtet, ohne dass die Chance besteht, diesen Vorgang jemals wieder rückgängig machen zu können. Der ehemals unter der Erde gebundene Kohlenstoff wird somit vorrangig in den Industrieländern in die Atmosphäre entlassen und beeinflusst dadurch weltweit in wesentlichem Maße die Umwelt und das gesamte Erdklima.

Hinzu kommt, dass die Emissionen, die in den Industrieländern verursacht werden, auch in anderen Regionen erhebliche Schäden verursachen. Abgasschadstoffe verunreinigen über Ländergrenzen hinweg die Luft, undichte Öl- und Gaspipelines verseuchen Grundwasser und Böden, gekenterte Tankschiffe verdrecken Meere und Meeresbewohner. In vielen Fällen bezahlen damit unschuldige Lebewesen mit ihrer Gesundheit für die Annehmlichkeiten der Industrienationen.

Der unbändige Energiehunger der Menschheit ist indessen noch längst nicht befriedigt. Tagtäglich müssen stetig Millionen von Barrel Öl gefördert werden. Als neue Option wurde deswegen dann die Kernenergie ins Spiel gebracht, die Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt worden war. Mit dieser Technik können zwar beeindruckend große Energiemengen aus relativ kleinen Mengen Kernbrennstoff gewonnen werden. Dafür treten bei der Nutzung aber schwer wiegende Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme auf, die nicht nur uns, sondern auch noch zahlreiche zukünftige Generationen in erheblichem Maße belasten werden. Dieser Ausflug in die Kerntechnik entpuppte sich folglich als Holzweg, zumindest für die Bundesrepublik Deutschland. Hier ist der Ausstieg aus der Kernenergie nach dem Reaktorunglück in Fukushima, Japan, zum zweiten Mal beschlossen worden. Ob dieser Ausstieg wie bereits beim ersten Mal auch wieder rückgängig gemacht wird, bleibt abzuwarten.

2.1 Energiebedarf

Der weltweite Energiebedarf ist beträchtlich und er nimmt stetig weiter zu. Es stellt sich daher die Frage, wie der Energiehunger in den nächsten Jahren und Jahrzehnten gedeckt werden kann. Ein entscheidender Faktor ist dabei das Bevölkerungswachstum. Die Weltpopulation nimmt seit den ersten Schritten des Homo sapiens stetig zu. Momentan wächst die Bevölkerung pro Jahr um 80 Mio. Erdenbewohner an. Im Herbst 2011 wurde die 7-Mrd.-Menschen-Grenze überschritten.

In gleichem Maße, wie die Zahl der Menschen auf diesem Planeten zunimmt, steigt auch die benötigte Energiemenge. Allein mit Holz können sich aber schon lange nicht mehr alle Menschen versorgen. Immer mehr Energie in vielen unterschiedlichen Erscheinungsformen ist daher notwendig, um in der heutigen Zeit überleben und einen angemessenen Lebensstandard sichern zu können. Darüber hinaus nimmt auch der Energiebedarf pro Person stetig zu. Speziell in Zeiten der Globalisierung, in denen der Wunsch nach mehr Mobilität die Kilometerleistung aller Fahrzeuge in die Höhe treibt, wird immer mehr Energie von jedem Einzelnen benötigt.

Diese beiden Aspekte gehen einher mit der weltweit fortschreitenden Industrialisierung. Die Millionenbevölkerungen Indiens (1,2 Mrd. Einwohner) und Chinas (1,35 Mrd.) nehmen ebenso ihr Recht auf mehr Mobilität und bessere Energieversorgung wahr wie die Bewohner der westlichen Industriestaaten. Mit dem gleichen Recht, das Amerikaner und Europäer für sich in Anspruch nehmen, frei und unabhängig zu sein, steht auch jedem anderen Menschen das Recht auf Mobilität und damit auf ein Fortbewegungsmittel inklusive der benötigten Energie zu.

Einige Beispiele:

· Der gesamte Verkehrssektor (Personen & Gütertransport) verbraucht mehr als die Hälfte (60%) des weltweit geförderten Erdöls; Tendenz steigend.

· Die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge weltweit beträgt derzeit über 1 Mrd. (BRD: 45 Mio. Kfz).

· Zur globalen Kraftfahrzeugflotte kamen im Jahr 2011 über 80 Mio. Neuwagen hinzu, davon mehr als 18 Mio. in China.

Diese Zahlen belegen den unweigerlichen weiteren Anstieg des weltweiten Energiebedarfes. Im Jahr 2030 wird er voraussichtlich 50% über dem Wert von 2007 liegen. Noch ist es zwar so, dass ein Inder im Durchschnitt nur ein Zehntel der Kohlendioxidemissionen eines Deutschen verursacht. Mit fortschreitender Mobilität wird die persönliche Bilanz aber bald auch dort auf westlichem Niveau angekommen sein.

Diesem Trend wirkt glücklicherweise die technische Weiterentwicklung entgegen. Indem die Wirkungsgrade der Energieverbraucher verbessert werden, können beträchtliche Energiemengen eingespart werden. Bisher ist die Gesamteffizienz im Energiesektor noch nicht sonderlich hoch. Weltweit gehen rund neun von zehn Kohlen ungenutzt zum Schornstein hinaus. In Deutschland ist die Effizienz zwar etwas höher, aber auch hier gehen sieben von zehn Litern Öl in Form von heißer Luft verloren.

Trotz einer gewissen Wirkungsgradanhebung steigt der Gesamtenergiebedarf weltweit weiter an (2011: insg. 87 Mio. Barrel pro Tag). Dabei gibt es ein krasses Missverhältnis zwischen den Industrie- und den Entwicklungsländern bezüglich des Energieverbrauches und des Anteils an der Weltbevölkerung (s. Abb. 1).

Die westliche Welt verbraucht mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, obwohl sie lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung stellt. In den USA leben lediglich fünf Prozent der Erdbewohner (300 Mio.). Diese konsumieren aber rund 19% des gesamten Weltenergiebedarfs. Ihr Pro-Kopf-Verbrauch liegt bei 87.000 kWh jährlich, mehr als doppelt so hoch wie in Europa (EU: 500 Mio. Einwohner) und fast fünfmal höher als in China.

ABB. 1: PRIMÄRENERGIEVERBRAUCH IN KILOGRAMM ÖLEINHEIT PRO KOPF

Quelle: Weltbank

Es stellt sich daher die entscheidende Frage, wie heute und auch in den kommenden Jahren der Weltenergiebedarf auf eine nachhaltige Art gedeckt werden kann. Zunächst aber noch einige weitere Details zum aktuellen Stand bei der Energieversorgung.

2.2 Heutige Energiequellen

Bei der Betrachtung des heutigen Energieverbrauches muss zunächst darauf hingewiesen werden, dass sich der Primärenergieverbrauch zusammensetzt aus den drei Bereichen Strom-, Wärme- und Kraftstoffbedarf.

Die Endenergie unterscheidet sich von der Primärenergie dadurch, dass die Primärenergie in Form von Erdöl, Erdgas, Kohle oder Uran zunächst noch aufbereitet werden muss, um dem Verbraucher in Form von Heizöl, Benzin, Gas oder strom zur verfügung gestellt werden zu können. Bei dieser chemischen Umwandlung (Veredelung) treten Verluste auf, so dass die dem Verbraucher zur Verfügung stehende Endenergie geringer ist als die eingesetzte Primärenergie.

2.2.1 Primärenergieverbrauch

In Deutschland nehmen die fossilen Primärenergieträger den größten Teil bei der Deckung des Energiebedarfes ein (s. Abb. 2). Im Jahr 1990 lag ihr Anteil noch bei rund 88%, 2010 waren es noch 78%. Der größte prozentuale Anteil am Primärenergieverbrauch wird in Form von Mineralöl bereitgestellt. An zweiter Stelle folgt Kohle (Braun- und Steinkohle zusammen 22,8%), dicht dahinter kommt Erdgas und mit weiterem Abstand die Kernenergie.

In den vergangenen Jahren hat es deutliche Veränderungen beim Energiemix gegeben. Erdgas konnte seinen Anteil innerhalb von 15 Jahren um mehr als 40% vergrößern, während der Anteil von Steinkohle um über 20% abnahm. Diese Substitution der Kohle durch Erdgas ist unter anderem auf den fortschreitenden Umbau der Industrie und modernere Heiztechnik in den neuen Bundesländern zurückzuführen. Braunkohle bleibt nach einem 50%igen Einbruch im vorigen Jahrzehnt bei etwa 11%. Die Bereiche Mineralöl und Kernenergie hatten von 1990 bis 2000 einige Prozentpunkte gewonnen, mittlerweile liegt ihr Anteil aber unter dem Niveau von 1990.

ABB. 2: : ZUNAHME DES ERNEUERBARE-ENERGIEN-ANTEILS IN DEUTSCHLAND (IN%)

Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen

Ursprünglich hatte sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien am Primärenergieverbrauch