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Klimafonds
Dossier
Wasserstoff

Thema
Hat Wasserstoff eine Zukunft?

Wasserstoff kann mithilfe von Brennstoffzellen Elektromotoren antreiben, Energie speichern und Häuser heizen. Laut ExpertInnen hat das Multitalent sogar das Potenzial, entscheidend zur Energiewende beizutragen. Eine Bestandsaufnahme.

Stand: Jänner 2019

Nichtgelingen ist noch nie ein Grund gewesen, etwas aufzugeben. Das beweisen etwa viele abenteuerliche Expeditionen in den vergangenen Jahrhunderten. Kaum war ein Schrott-Kutter samt Besatzung im Packeis zerquetscht, sind drei neue Expeditionen losgezogen. Im Dschungel Südamerikas und der Sandwüste der Sahara ging nicht nur eine Erkundungsmission verloren und auch die Eroberung noch so unüberwindbar erscheinender Gipfel forderte nicht selten mehrere Anläufe. Ähnlich ist es beim Thema Wasserstoff, der zum entscheidenden Puzzleteil bei der Mammutaufgabe Energiewende werden könnte, in den vergangenen eineinhalb Jahrhunderten sein unbestritten großes Potenzial aber nie ganz einlösen konnte.

Houston, wir haben ein Problem!

Dabei ist das molekulare Gas mit der chemischen Formel H2, das auf unserer Erde im Wasser gebunden ist und damit in fast jeder organischen Verbindung steckt, ein wahres Multitalent. Das meistverbreitete chemische Element im Universum wird etwa zur Konservierung von Lebensmitteln eingesetzt, als Kühlmittel in Kraftwerken und in vielen anderen Industriebereichen. Erst Wasserstoff machte die moderne Raumfahrt möglich, davor trieb er bereits Zeppeline an und galt als Brennstoff der Zukunft. Mit dem Absturz des Luftschiffs „Hindenburg“ im Jahr 1937 und der kinogewordenen Havarie von Apollo 13 wurde seine chemische Reaktionsfreudigkeit aber vielen suspekt. Dabei ist es genau diese Reaktionsfreudigkeit, die den Wasserstoff so wertvoll macht. Andernfalls könnte er nicht mithilfe einer Brennstoffzelle in Strom und Wärme umgewandelt werden und auf diesem Weg Elektromotoren antreiben, Häuser heizen und Energie speichern – ganz so wie das Jules Verne bereits im Jahr 1874 beschrieben hat. Der französische Schriftsteller legte seinem Ingenieur Cyrus Smith im Roman „Die geheimnisvolle Insel“ eine kurze Rede in den Mund, über die damals wohl viele Leser milde gelächelt haben werden: „Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpflichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Schon bei den Apollo-Missionen der NASA kamen Wasserstoff und Brennstoffzellen zum Einsatz.

Wasserstoff + Sauerstoff = Energie

Hatte Jules Verne mit diesen Aussagen ins Blaue geraten? Nur gemutmaßt und war zufällig richtig gelegen? Wohl kaum, denn der deutsch-schweizerische Chemiker Christian Friedrich Schönbein hatte bereits im Jahr 1838 das Grundprinzip der Brennstoffzelle erdacht und damit die wichtigste Voraussetzung, um Wasserstoff für die Menschheit nutzbar zu machen. Er ließ bei einem Versuch Platindrähte in einer Elektrolytlösung mit Wasserstoff und Sauerstoff umspülen und stellte dabei Spannung zwischen den Drähten fest. Seine Erkenntnis, die heute fester Bestandteil des Chemieunterrichts ist: Lässt man Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren, erhält man Wasser und – da die Reaktion exotherm ist – als Nebenprodukt Energie. Der britische Chemiker Sir William Robert Grove nahm die Steilvorlage dankbar auf und entwickelte schon im Jahr danach das Grove-Element, eine erste Variante der galvanischen Zelle, in der mithilfe des von Schönbein entdeckten Prinzips Energie erzeugt werden konnte und das in der Folge jahrelang im Bereich der Telegrafie zum Einsatz kam.

Aufwendige & kostenintensive Herstellung

Der Anfang war damit gemacht, weitere bahnbrechende Erfindungen und Erkenntnisse ließen aber bis zu den Zeppelinen und den Weltraum-Plänen der NASA trotzdem jahrzehntelang auf sich warten. Grund für die lange Wartezeit: Die aufwendige Herstellung des Gases. Wie Strom ist Wasserstoff kein Primärenergieträger, der einfach irgendwo abgebaut und verwendet werden kann. Wasserstoff muss zuerst erzeugt werden und dafür braucht es Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas oder auch Biomasse und Wasser. Es muss also Energie von außen zugeführt werden. Dieser Prozess (der als Power-to-Gas bezeichnet wird) ist energieintensiv und teuer und im übrigen auch entscheidend für die Klimabilanz des Gases: Gewinnt man Wasserstoff so wie derzeit meist üblich per Dampfreformierung aus Erdgas, wird er als „grau“ bezeichnet – bei der Produktion von einer Tonne Wasserstoff werden rund zehn Tonnen Kohlendioxid freigesetzt. Wird er hingegen aus Wasser mit regenerativ erzeugtem Strom abgespalten, gilt er als „grün“. Besonders nachhaltig ist die Herstellung per Elektrolyse mit überschüssigem Ökostrom; also Strom aus Wind und Sonne, der aufgrund des zeitlichen Auseinanderfallens von Stromproduktion und Strombedarf sonst nicht genützt werden könnte – dabei ist der gesamte Produktionspfad nahezu vollständig emissionsfrei. Ebenso emissionsfrei, aber teuer lässt sich Wasserstoff aus einer Reihe chemischer Reaktionen mit Wasser gewinnen, etwa aus der Reaktion von Alkalimetallen und Wasser. Weitere Herstellungsverfahren befinden sich im Forschungs- und Entwicklungsstadium wie die autotherme Reformierung, das Kværner-Verfahren, die Hochdruckelektrolyse und die Vergasung von Biomasse oder organischen Abfällen.

Flexibilisierung des Energiesystems

Womit wir bei einer der größten Stärken des Wasserstoffs wären: seinem Speicherpotenzial. Nur wenige Energieträger können so wie Wasserstoff in ausreichender Menge über Wochen, Monate und sogar Jahre hinweg bereitgehalten werden und bieten damit die Möglichkeit, saisonale oder tagesbedingte Energieüberschüsse später nutzbar zu machen. Soll die angestrebte Dekarbonisierung der Energiewirtschaft gelingen, also die Reduktion und Abkehr von CO2 durch Forcierung erneuerbarer Energiequellen, braucht es neben einem Mehr an Windkraftanlagen, Biomasse und Co aber genau diese Möglichkeiten zur Flexibilisierung des Stromnetzes. Nur wenn die schwankenden und stetig wachsenden Strommengen aus Wind und Sonnenkraft auch über den aktuellen Bedarf hinaus verwendet werden können, macht ein Ausbau erneuerbarer Energiequellen Sinn. Allerdings: Aufgrund seiner geringen Dichte ist die Speicherung von Wasserstoff technisch und wirtschaftlich herausfordernd. Die aktuell am weitesten verbreitete Methode ist die Lagerung als komprimiertes Gas. Dazu wird gasförmiger Wasserstoff unter hohem Energieaufwand auf Drücke von 200 bar bis 900 bar verdichtet. Gas kann alternativ auch flüssig gespeichert werden, aber um den Siedepunkt von minus 252,85 Grad zu erreichen sind starke Kühlanlagen, gute Isolation und damit ebenfalls jede Menge Energie erforderlich. Eine weitere Möglichkeit ist die Einspeisung für die spätere Nutzung direkt in das kilometerlange Erdgasnetz. Zwar sind aktuell bei allen Varianten noch viele Fragen in Bezug auf die Machbarkeit im großen Maßstab offen, die Einsatzmöglichkeiten für gespeicherten Wasserstoff sind aber in jedem Fall vielfältig. So kann er als Prozessgas in der Industrie genutzt oder zu wertvollen Rohstoffen weiterveredelt (beispielsweise zu Ammoniak für die Düngemittelproduktion oder zu Methanol als Basischemikalie) werden. Bei niedrigem Strompreis lohnt sich sogar eine nachfolgende Rückverstromung über Gas- und Dampfkraftwerke, die Versorgungssicherheit garantieren.

Einige Hersteller haben bereits Brennstoffzellen-Autos in ihrem Modellprogramm, noch sind die Fahrzeuge aber sehr teuer.

Wasserstoff & Mobilität

Ein weiterer Einsatzbereich für Wasserstoff ist der Mobilitätsbereich, wo er als Treibstoff für emissionsfreie Brennstoffzellen genutzt werden kann. General Motors strengte bereits in den 1960er-Jahren entsprechende Überlegungen an, in den 1990er- und 2000er-Jahren folgten dann auch andere Hersteller. Heute ist die Technologie mehr oder weniger ausgereift und stehen erste Fahrzeuge bei den Händlern. Österreichweit sind mit Stand Ende 2018 aber gerade einmal 23 Wasserstoff-Fahrzeuge zum Verkehr zugelassen. Zwar entsprechen die Reichweite und die Dauer des Tankvorgangs der von Autos mit Verbrennungsmotoren, ein paar größere und kleinere Probleme verhinderten bislang aber den Durchbruch. Allen voran die Kosten: Wasserstoff-Autos schlagen mit dem doppelten bis dreifachen Preis vergleichbarer Fahrzeuge zu Buche. Ein Problem ist zudem die Infrastruktur: Von Bregenz bis zum Neusiedler See gibt es aktuell gerade einmal fünf öffentlich zugängliche Wasserstoff-Tankstellen und der Ausbau erfolgt nur zögerlich. In welche Richtung die weitere Entwicklung gehen wird, ist von vielen Faktoren abhängig. Etwa von möglichen Steueranreizen, nicht zuletzt aber auch von wirtschaftlichen Dynamiken in Südostasien, wo Wasserstoff als Energieträger insbesondere bei südkoreanischen und japanischen Autoherstellern an Bedeutung gewinnt. Aus gutem Grund: Fahrzeuge, die hohe Lasten mit hoher Geschwindigkeit über weite Strecken transportieren, sind rein batterieelektrisch nur unter hohem technischen Aufwand und großen Kosten zu betreiben. Sie benötigen einen Energieträger mit höherer Energiedichte, der auch schnell wieder nachgetankt werden kann. Folgedessen rechnet das „Hydrogen Council“ schon 2030 mit weltweit bis zu 15 Millionen Autos und 500.000 Lkw mit Wasserstoff-Antrieb.

Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen gibt es in allen Größen, Formen und für unterschiedlichste Einsatzgebiete.

Wasser – die Kohle der Zukunft

Wasserstoff ist darüber hinaus auch in vielen anderen Einsatzgebieten ein potenzieller Treiber für Wirtschaft, Wachstum und Beschäftigung. So laufen längst Versuche, auch Flugzeuge, Schiffe und sogar Züge (Wasserstofflokomotiven anstelle von Dieselloks) mit Brennstoffzellenantrieb zu versehen. Mini-Wasserstoffbrennstoffzellen könnten in Zukunft die Batterien in Smartphons, Laptops und Digitalkameras ablösen und Mikro-KWKs (Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung) schon bald in größerer Zahl unsere Häuser heizen, Warmwasser bereitstellen und parallel dazu auch noch Strom erzeugen. Und damit könnte Jules Vernes Version tatsächlich Realität werden: Der Wasserstoff im Wasser würde dann als Brennstoff Verwendung finden und zu einer ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Das Wasser wäre dann tatsächlich die Kohle der Zukunft und allem Nichtgelingen zum Trotz könnte die Technologie im Zusammenspiel mit anderen alternativen Strategien doch noch zu einem entscheidenden Träger der Energiewende werden und dabei auch noch die bislang getrennten Energiemärkte für Strom, Wärme und Mobilität verbinden.

„Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“
Jules Verne, 1874