Eine Betrachtung zum Wasserstoff als Energieträger
Motivation
Die Entwicklung hin zu erneuerbaren Energien (EE), besser Energie aus natürlichen Ressourcen, ist unumstritten notwendig u.a. um den klimaschädlichen Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre zu beschränken.
Die Überlegungen müssen sich von der Energieerzeugung, Energiespeicherung,Transport, sparsamen Verbrauch und der Vermeidung von Umweltschädigungen erstrecken.Ein Aspekt der Betrachtungen kommt bei den vielfältigen Diskussionen zu diesem Themenkreis jedoch zu kurz. Insbesondere das wetterabhängige und jahreszeitlich schwankende Aufkommen der EE sorgt für das eigentliche, nämlich infrastrukturelle Problem. Es wird gerne vergessen, dass die Energieversorgung in mehrere Kategorien unterschieden werden muss. So benötigt eine entwickelte Volkswirtschaft eine hinreichende Grundversorgung an Energie, also einen Energiebetrag, der grundsätzlich zur Verfügung stehen muss. Auch gibt es tageszeitliche, jährliche und stochastische Schwankungen des Energiebedarfs.
Und das passiert zu unterschiedlichen Zeiten auf der Erde. Der Energiebedarf für Verkehr und Transport von Gütern und Personen schwankt ebenfalls beinahe stochastisch. Mann kann über weitere Verbrauchskategorien nach denken.
Schon wegen der Grundlastversorgung kann man sich gegenwärtig nicht von Kohleverstromung und Kernenergieerzeugung und den damit verbundenen ökologischen Folgen und Risiken trennen. Ein Denkfehler besteht, auf jeden Fall in Deutschland z.B. darin, in der hoch subventionierten Förderung der Elektromobilität, also die Benutzung von Strom getriebenen Fahrzeugen, einen Ausweg finden zu wollen. Wenn nämlich der Strom zum tanken durch Braunkohleverstromung erzeugt wird, dann wird der CO2 Ausstoß vom Fahrzeug zum Kraftwerk verlagert. Es ändert sich an der CO2 Bilanz nichts. Und wenn aus üblichen Gründen Strom aus z.B. Frankreich importiert werden muss, dann tankt man zu mindestens 70% Atomstrom.
Es muss also nach einem Speichermedium der EE gesucht werden, das möglichst universell die verschiedenen Kategorien des Energiebedarfs ab bildet.
AUSWEG WASSERSTOFF
Wasserstoff zu verbrennen oder zu verstromen (wobei als Reaktionsprodukt wieder lediglich Wasser entsteht) kann das Problem entschärfen. Von der elektrolytischen Herstellung bis zur Verwendung, wo wieder nur Energie und Wasser entsteht sind alle technologischen Schritte durchforscht. Wasserstoff lässt sich durch Elektroenergie überall wo Strom erzeugt wird elektrolytisch herstellen. Es ist unter Druck oder verflüssigt speicherbar und leicht zu transportieren.
Zur Elektrolyse benötigt man Elektroenergie und Wasser. Es gibt ausgereifte Technologien dazu [1]. Das funktioniert überall auf der Welt und in jeder Größenordnung. Man kann Reaktoren mit einer Leistung von wenigen Watt bis hin zu Leistungen im Gigawattbereich her stellen. Auch lassen sind die Reaktoren parallel betreiben und so durch geringen Schaltaufwand an schwankende Elektroenergienachfrage anpassen. Am Ende entsteht zunächst gasförmiger Wasserstoff unter atmosphärischem Druck. Dieser ist voluminös und muss entweder durch Kompressoren in Druckbehälter verdichtet werden oder verflüssigt werden. Die dazu notwendige Energie ist am Ort der Elektrolyse vorhanden, genau denn, wenn auch Wasserstoff hergestellt wird. Ein großes technologisches Problem, bisher, besteht in der Speicherung und dem Transport der Energie aus EE. Das schwankende Energieaufkommen sorgt für einige logistische Fragestellungen. Wasserstoff lässt sich in diffusionsdichten Behältern unter Druck speichern oder verflüssigt, mit dann hoher Energiedichte transportieren.
Wasserstoff hat eine Siedetemperatur von ca. 40 Grad Kelvin. Das bedeutet, dass die Verflüssigung sehr energieaufwendig ist. Wahrscheinlich wird sich deswegen und den damit verbundenen Kosten die Verflüssigung nur für wenige Verwendungen anbieten.
METHAN UND WASSERSTOFF
Man kann unter normalen industriellen Bedingungen aus Wasserstoff und Kohlendioxid Methan herstellen. Das klimaschädliche Gas CO2 wird zum Rohstoff. Ferner ist dieser Prozess exotherm, d.h. Es wird schon bei der Herstellung Energie frei gesetzt. Methan ist nichts Anderes als reines Erdgas und Technologien zu dessen Verwendung sind überall vorhanden. Und Speichermedien gibt es, durch die vorhandene Erdgasinfrastruktur genügend.
DIREKTE WASSERSTOFFVERWENDUNG
Wasserstoff kann, wie jedes andere brennbare Gas direkt verbrannt werden. Das kann zu Heizzwecken in Haushalten, zur Erzeugung von Fernwärme oder zur Erwärmung bei industriellen Prozessen sinnvoll sein. Die direkte Freisetzung der Energie durch Verbrennung ist die Verwendung, mit dem größten Wirkungsgrad. Da keine weiteren Energieumwandlungen erfolgen müssen, steht die gesamte gebundene Energie direkt zur Verfügung. Wie schon Beschrieben, entsteht dabei lediglich Wasser als Reaktionsprodukt und somit werden keine umweltschädigende Substanzen frei gesetzt.
Selbst die Sauerstoffbilanz ist ausgeglichen, da nur soviel Sauerstoff im Reaktionsprodukt Wasser gebunden wird, wie bei der elektrolytischen Herstellung des Wasserstoffs frei gesetzt wurde. Die Rückverstromung wird zur Erzeugung von Elektroenergie notwendig, da der Wasserstoff kein Ersatz für viele elektrisch betriebene Prozesse ist. Das kann durch Generatoren geschehen die durch die Verbrennung des Wasserstoffs angetrieben werden. Dabei ist der Wirkungsgrad jedoch beschränkt.
Selbst bei der Nutzung der Abwärme, wie jetzt schon bei Blockkraftanlagen, wird der Wirkungsgrad nie 80% betragen. Auch Brennstoffzellen, die denen Wasserstoff direkt in Elektroenergie umwandeln sind nicht verlustfrei. Bei überregionaler Verstromung, z.B. durch Modifikation existierender Großkraftwerke (heute Kohle-, Gas- oder Ölbetrieben) kann das existierende Elektroenergie Verteilungssystem genutzt werden.
Wasserstoff kann in gasbetriebenen Verbrennungsmotoren angewendet werden. Das beseitigt nicht den Lärm aber die CO2 und Feinstaub Emissionen. Der große Vorteil besteht vor allem darin, dass erprobte Motore nur leicht modifiziert verwendet werden müssen. Für den mitgeführten Wasserstoff gelten, die selben Kriterien wie für den Wasserstofftransport. Auch hinsichtlich der Elektromobilität ergeben sich durch die Verwendung von Brennstoffzellen neue Perspektiven, weil dann die Reichweite der Fahrzeuge groß genug sein wird und die langen Ladezeiten der Akkumulatoren entfällt. Man fährt dann wie gewohnt zur Tankstelle und tankt Wasserstoff, unabhängig vom Aggregatzustand oder der chemischen Bindung.
Wie jede neue technische Entwicklung bringt auch die Wasserstoffwirtschaft Gefahren mit sich. Das betrifft vor allen Dingen die Dichtigkeit bei der Speicherung und dem Transport. Wasserstoff ist geruch- und geschmacklos. Es wird also bei Undichtigkeiten nicht wahr genommen. Wasserstoff kann mit dem Luftsauerstoff explosiv reagieren. So müssen also zunächst dichte Behälter und Rohre verwendet werden, als auch empfindliche Sensoren entwickelt werden, die Leckagen detektieren.
Auch diese Technologien sind schon gut durchforscht.
[1] Leopoldina-Symposium „Energiespeicher“, Februar 2014 , Autor: Kai Sundmacher
Datum: 31.01.2017
Autor: Dipl.-Ing. Hendrik Albrecht