Die Zukunft? Wasserstoff

Mit dem unvermeidlichen Niedergang von Brennstoffen wie Kohle oder Ergas stellt sich immer deutlicher die Frage, wie wir in Zukunft Energie herstellen und verteilen werden. Alternative Energiequellen wie Solar- und Windkraft scheinen gute Kandidaten zu sein unseren Energiebedarf zu decken, jedoch gibt es hier ein Problem. Solaranlagen und Windturbinen erzeugen den meisten Strom nicht immer dann, wenn er auch gebraucht wird. Auch decken sich die ertragreichsten Standorte nicht unbedingt mit den Nachfragezentren. Es muss also an Wege gedacht werden überschüssigen Strom für eine spätere Verwendung zwischenzuspeichern und bei Bedarf über weite Strecken transportieren zu können.

Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Wasserstoff als Rohenergieträger. Tatsächlich gibt es ernsthafte Diskussionen um den Begriff der Wasserstoffwirtschaft, also den Ersatz von sämtlichen Energieträgern wie Erdgas, Kohle und sogar elektrischen Strom durch Wasserstoff.

Warum Wasserstoff?

Wasserstoff hat einige Eigenschaften, welche ihn zu einem interessanten Stromspeicher machen. Zum einen steht er in unbegrenzten Mengen zu Verfügung und lässt sich zum Beispiel mittels Elektrolyse aus Wasser gewinnen. Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle wieder in Strom und Wärme zurück gewandelt werden, als Endprodukt entsteht wiederum lediglich Wasser. Mittels Wasserstoff lassen sich zumindest theoretisch riesige Energiemengen auch langfristig zwischenspeichern.

Ein Nachteil ist jedoch, dass Wasserstoff ein sekundärer Stromträger ist. Er muss mit Hilfe von anderen Energieformen erzeugt werden, da elementarer Wasserstoff auf der Erde praktisch nicht vorkommt.

Erzeugung von Wasserstoff

Die heute gebräuchlichste Methode ist die chemische Gewinnung aus Brennstoffen, wie Erdgas oder Heizöl, was für eine nachhaltige Energiewirtschaft natürlich wenig sinnvoll ist. Wir müssen daher andere Möglichkeiten ins Auge fassen.

Elektrolyse

Die Elektrolyse ist eine altbekannte und bewährte Methode zur Erzeugung von Wasserstoff. Mit Hilfe elektrischen Stroms wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Diese Methode ist zurzeit nur dann wirtschaftlich, wenn genügend günstiger Strom zur Verfügung steht.

Bei alternativen Energieformen wie Solar- und Windenergie ist die Rentabilitätsschwelle jedoch geringer. Diese Energiequellen sind nur schwer steuerbar und erzeugen Strom unabhängig von der tatsächlichen Nachfrage. Kann ein Energieüberschuss nicht gespeichert werden müsste man Anlagen vom Netz nehmen und die Energie wäre unwiederbringlich verloren. Mittels Elektrolyse lässt sich der überschüssige Strom jedoch einfach in Wasserstoff umwandeln. Moderne Verfahren verfügen bereits über einen Wirkungsgrad von über 70 %. Wissenschaftler des MIT haben einen Katalysator entwickelt, der die Effizienz der Elektrolyse auf nahezu 100 % steigern soll.

Photokatalytische Wasserspaltung

Eine weitere Möglichkeit ist die Erzeugung von Wasserstoff direkt mittels Sonnenlicht. Zwar lässt sich heute bereit mit Solarzellen Strom herstellen, der anschließen für die Elektrolyse von Wasser genutzt wird, jedoch kommt es dabei unweigerlich zu Energieverlusten. Bei der so genannten photokatalytischen Wasserspaltung wird das Wasser im Solarmodul direkt in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bis jetzt existiert diese Methode nur im Labor, jedoch gibt es immer wieder neue wissenschaftliche Erfolgsmeldungen, die eine wirtschaftliche Methode zur photokatalytischen Wasserspaltung innerhalb von 10 Jahren in Aussicht stellen.

Biomasse

Wasserstoff aus Bio-Masse lässt sich auf zwei grundlegend unterschiedlichen Arten gewinnen. Bei der ersten Variante wird Bio-Masse (Holz, Stroh, Grasschnitt) durch biologische bzw. chem. Prozesse in seine Bestandteile zerlegt. Je nach Verfahren kann man so unter anderem Methan und Wasserstoff gewinnen. Die Ausbeute von Wasserstoff ist bei den aktuellen Verfahren aber noch sehr gering.

Alternativ ist die Erschaffung mittels lebender Bio-Masse. In diesem Fall werden Algen oder Cyanobakterien eingesetzt, welche unter bestimmten Bedingungen, während des Stoffwechselprozesses, Wasserstoff an die Umgebung abgeben können. So könnte man in Algenreaktoren mittels Photosynthese Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umwandeln.

Noch ist eine kommerzielle Erschaffung von Wasserstoff mittels Algen oder Bakterien nicht absehbar. Wasserstoff wird nur unter sehr spezifischen Bedingungen von den Organismen abgegeben, wodurch eine großindustrieller Verwendung noch nicht greifbar ist. Eine Möglichkeit die Ausbeute zu verbessern wäre etwa die Verwendung von Gentechnik. Auch hier dürfte es noch einige Jahre dauern bis erste wirtschaftliche Projekte verwirklicht werden können.

Speicherung und Verteilung

Ein Vorteil von Wasserstoff gegenüber anderen Speicherformen, wie chem. Batterien, ist die Möglichkeit zur langfristigen Speicherung. So gibt es bereits Versuche Wasserstoff in unterirdischen Salzkavernen zu speichern. Theoretisch lässt sich Wasserstoff in einer perfekt abgedichteten Umgebung auf unbegrenzte Zeit speichern. Realistisch gesehen kommt es jedoch über Zeit zu Diffusionsverlusten. Diese langfristigen Lagerverluste sind jedoch bei weitem geringer als bei anderen Speicherformen.

Eine andere Problematik ist, dass gasförmiger Wasserstoff eine sehr geringe Energiedichte besitzt. Für eine traditionelle Lagerung im Drucktank muss das Gas daher verdichtet, bzw. verflüssigt werden, ein aufwendiger Prozess, welcher die Energiebilanz weiter verschlechtert. Alternative Speichermethoden wie Metallhydridspeicher oder Graphitnanofaserspeicher könnten dieses Problem zumindest teilweise lösen und sind Gegenstand intensiver Forschungsbemühungen.

Die Verteilung des Energieträgers könnte über bereits existierende Erdgaspipelines erfolgen. Zwar müssten die Leitungen für den Transport von Wasserstoff besser abgedichtet sein als für Erdgas, der Energietransport über längere Strecken würde dennoch mit wesentlich geringeren Verlusten (< 0,1 %) erfolgen als bei einem Stromnetzwerk (ca. 8 %).

Fazit

Wasserstoff als Transport- und Speichermedium für Energie hat also durchaus Potential, ist aber zurzeit noch nicht wirtschaftlich einsetzbar. Um etwa mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können, dürfte Wasserstoff pro Kilogramm nur zwei bis drei Euro kosten. Tatsächlich bewegen sich die Herstellungskosten selbst bei idealen Bedingungen in einem Bereich von mindestens acht Euro.

Langfristig könnte Wasserstoff aber sogar Strom als Transportmedium ablösen, zumindest über größere Strecken. Ob und wann es zu einem endgültigen Umstieg auf Wasserstoff als Stromträger kommt ist aus heutiger Sicht schwer zu sagen. Zumindest theoretisch wäre es aber in Verbund mit alternativen Energiequellen, wie Sonne oder Wind, ein nachhaltiger Ansatz zur Lösung unserer Energieprobleme.