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Wasserstoffwirtschaft

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Wasserstoffwirtschaft bezeichnet eine (zukünftige) Energiewirtschaft, in der Wasserstoff - neben elektrischem Strom - einen weiteren Energieträger darstellt. Wasserstoff soll in ihr Benzin, Diesel, Heizöl, Kerosin und Kernbrennstoffe als Energieträger ersetzen.

Die bei der Herstellung von Wasserstoff investierte Energie wird wieder freigesetzt, indem man ihn mit Sauerstoff reagieren lässt (Knallgasreaktion). Dies kann entweder in Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Energie, in Verbrennungsmotoren zur Erzeugung mechanischer Energie oder durch einfache Verbrennung zur Wärmeerzeugung erfolgen.

In einer Wasserstoffwirtschaft sollte der Wasserstoff möglichst aus Biomasse und nicht aus fossilen Brennstoffen erzeugt werden.[1] [2]

Inhaltsverzeichnis

Chancen

Die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugt reines Wasser, deshalb werden in einer Wasserstoffwirtschaft weder Treibhausgase ausgestoßen noch die Luft durch Schadstoffe verunreinigt. Dies gilt bei der Wasserstoffherstellung nur dann wenn ausschließlich erneuerbare Energien und keine fossilen Energieträger wie Erdöl oder Erdgas eingesetzt werden.

Die Speicherung von Wasserstoff könnte Probleme einer regenerativen Energiewirtschaft lösen, die darin bestehen, saisonal, regional, tageszeit- und wetterabhängig erzeugte Energieüberschüsse speichern zu müssen. Bei der Wasserstoff-Anwendung für den Antrieb von Fahrzeugen ist die Speicherung sehr aufwendig, da hohe Drücke, oder tiefe Temperaturen benötigt werden.

Verbrennungskraftmaschinen haben bei Einsatz von Wasserstoff als Treibstoff potentiell höhere Wirkungsgrade, da die erreichbaren Verbrennungstemperaturen höher sind (vgl. Carnot-Prozess). Unter anderem deshalb wird Wasserstoff bereits seit den 1940er Jahren als Raketentreibstoff genutzt.

Umwandlungsverluste

Einzelschritte

Typischer Energiebedarf für Erzeugung, Kompression bzw. Verflüssigung, Transport und Nutzung von Wasserstoff[3]

Verfahrensschritte Technische Angaben Energieverluste MJ / kg H2 Verluste (in % des Ho Wasserstoff)
Der Brennwert Ho von Wasserstoff
beträgt 142 MJ / kg
Elektrolyse 1,76 Volt bei 1 atm 61 43 %
Kompression 1 bar –> 200 bar 10 7 %
Kompression 1 bar –> 400 bar 13 9 %
Kompression 1 bar –> 800 bar 17 12 %
Verflüssigung 100 kg / h 65 46 %
Verflüssigung 1.000 kg / h 45 32 %
Verflüssigung 10.000 kg / h 35 28 %
Straßentransport 200 bar, 200 km 18 13 %
Straßentransport 200 bar, 400 km 36 25 %
Straßentransport flüssig, 200 km 3 2 %
Pipeline 10 bar, 1.000 km 12 8 %
H2-Elektrolyse
an Tankstelle
entspricht 60.000 Liter Benzin pro Tag 80 (einschl. Wasseraufbereitung,
Kompression, Gebäudeenergiebedarf usw.)
56 %
Betanken 100 bar auf 400 bar 5 4 %
Brennstoffzelle Verstromung 142 (Oxidierung) 50 %

Gesamtkette bei Wasserstofftransport in Tanks

Verfahrensschritt Wirkungsgrad Energieverlust MJ noch vorhandene Energie MJ
Wechselstrom-Energie
ab Kraftwerk
100
Gleichrichter 95 % 5 95
Elektrolyse 75 % 23,8 71,2
Verdichtung auf 800 bar 88 % 8,5 62,7
Transport 400 km 75 % 15,7 47
Brennstoffzelle PAFC 38 % 29,1 17,9
Wechselrichter 95 % 0,9 17

Die Gleichrichtung entfällt, wenn der elektrische Strom von Photovoltaikzellen geliefert wird. Zum Vergleich: Die direkte Übertragung der Wechselstromenergie über Hochspannungsleitungen bewirkt bei gleicher Entfernung von 400 km nur etwa 3 % Verluste, es kommen also noch 97 MJ an.

Gesamtkette bei Wasserstoffverflüssigung und -speicherung ohne Transport

Verfahrensschritt Wirkungsgrad Energieverlust MJ noch vorhandene Energie MJ
Wechselstrom-Energie
ab Kraftwerk
100
Gleichrichter 95 % 5 95
Elektrolyse 75 % 23,8 71,2
Verflüssigung 10'000 kg/h 72 % 19,9 51,3
Tankverlust pro Tag 2 % 1 50,3
Brennstoffzelle PAFC 38 % 31,2 19,1
Wechselrichter 95 % 0,9 18,2

Die Gleichrichtung entfällt, wenn der elektrische Strom von Photovoltaikzellen geliefert wird. Zum Vergleich: Ein Pumpspeicherkraftwerk hat etwa 80 % Wirkungsgrad und würde 80 MJ liefern.

Probleme

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen[4]:

Auf das Volumen bezogen:

Kritik

Wasserstoff ist in der chemischen Industrie und weiteren Fertigungsverfahren ein seit langem verwendeter Grundstoff und wird es auch bleiben. Der Begriff der Wasserstoffwirtschaft bezieht sich jedoch im engeren Sinne nur auf dessen Verwendung als Energieträger und -speicher und hierbei insbesondere als Treibstoff-Alternative für ein Zeitalter nachhaltiger Energieerzeugung. Seine besondere Präferierung hierfür scheint jedoch häufig politisch und ideologisch begründet zu sein: Wind- und Sonnenenergie sowie Kernenergie und geothermische Kraftwerke erzeugen elektrischen Strom, der mittels Elektrolyse Wasserstoff liefern kann. Biomasse liefert Kohlenwasserstoffe sowie darüber hinaus eine potentielle Kohlenstoffquelle, um damit z.B. aus solarem Wasserstoff klimaneutral Kohlenwasserstoffe wie Methanol herzustellen, das wesentlich leichter und effizienter transportiert und gespeichert werden kann (Methanolwirtschaft). Da sowohl Otto- und Dieselmotoren, aber auch Brennstoffzellen mit Kohlenwasserstoffen (Methanol oder Ethanol) laufen können, ist der Einsatz von Wasserstoff zumindest als Treibstoff für Fahr- und Flugzeuge nicht notwendig. Alternativ zu einer Umsetzung zu Wasserstoff kann Strom aus erneuerbaren Energien auch in weiterentwickelten Akkumulatorsystemen (Redox-Flow-Zellen), Pumpspeicherkraftwerken oder Druckluftspeicherkraftwerken gespeichert werden, die nach heutigem Stand der Technik wesentlich kostengünstiger sind und bereits industriell eingesetzt werden.
Ein potenziell etwas höherer Wirkungsgrad von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungskraftmaschinen geht mit einigen Nachteilen einher: hohe Verbrennungsgeschwindigkeiten, vermehrte Emission von Stickoxiden, schwere und große Tanks, Probleme mit Leckagen und Diffusionsverlusten, Energieverluste bei der Komprimierung bzw. Verflüssigung.
Weiterhin wird kritisiert, dass in Zukunft, in der Energieerzeugung wesentlich auf erneuerbaren Energien basiert, die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger immer nur höchstens etwa 25 % des Stroms nutzen wird, aus dem er gewonnen wird. In einer zukünftigen Energiewirtschaft würden sich fast alle wichtigen Prozesse auf möglichst effizient genutzten Strom stützen, so dass Wasserstoff bis auf Ausnahmefälle nicht konkurrenzfähig sei.

Die H2/O2-Verbrennung in so genannten Außenluftunabhängigen Kreislaufmotoren gestattet zwar die Vermeidung von NOx- Emissionen, ist aber aufwändig.

Das Gas Wasserstoff entweicht in auffallenden Mengen aus jedem Tank und jeder Rohrleitung und reichert sich in der Atmosphäre an. Über die globalen Auswirkungen bei verstärkter Verwendung können bisher nur Vermutungen angestellt werden[5].

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Keine Spur von einer Wasserstoffwirtschaft?
  2. Solare Wasserstoffwirtschaft - die billigere Alternative
  3. Energiebilanzen bei Wasserstoff
  4. Energieinhalte im Vergleich
  5. Wasserstoff im Tank ist weniger harmlos als bisher vermutet