sind Wasserstoffautos die Zukunft ?
kimaneutraler Wasserstoff
freie Fahrt für Elektrolyseure
Es klingt wundervoll: Wasserstoffautos sind leise, stoßen keine Abgase aus, sind nach ein paar Minuten wieder vollgetankt und fressen reichlich Kilometer. Autos mit Brennstoffzellen scheinen der perfekte Antrieb der Zukunft zu sein. Die Bundesregierung rückt daher Wasserstoff für ihre weiteren Pläne ab Oktober in das Zentrum Ihrer Energiewendepolitik. Doch wie erfolgreich kann sie damit sein ?
Zum 1. Jan. 2019 registrierte das Kraft-fahrt-Bundesamt ganze 392 Neufahr-zeuge, die mit Wasserstoff betrieben werd-en. Insgesamt sind in Deutschland 57,3 Mio. Autos zugelassen. 83.175 E-Autos fahren derzeit mit einer Batterie durch die Lande. Der Marktanteil für Autos mit Brennstoffzelle liegt somit bei ganzen 0,0007 %. Das will die Bundesregierung nun ändern. Gasförmige Energieträger sollen großflächig im Verkehr, in der Industrie, in Gebäuden und bei der Strom-erzeugung eingesetzt werden. Wasser-stoff soll darüber hinaus Erdgas nach 2030 kontinuierlich ersetzen.
Wir halten dieses Unterfangen für sport-lich-ambitioniert, weil das Hauptinteresse der Förderung auf der Herstellung von klimaneutral hergestelltem Wasserstoff liegt. Und das wird es auf absehbare Zeit u. E. nicht geben. Jedenfalls nicht in der gewünschten Menge und zu akzeptablen Preisen. Doch bevor wir darauf näher eingehen, wollen wir zunächst die Frage beantworten: „was ist Wasserstoff und wie wird dieser hergestellt?“
Wasserstoff ist ein chemisches Element und Bestandteil des Wassers sowie fast aller organischen Verbindungen. Sein Iso-top (Atomart) besteht aus einem Proton und einem Elektron (atomare Bausteine) und ist ein farb-und geruchloses Gas. Um aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen, setzt man, vereinfacht gesagt, ein Wass-erbecken unter Strom. Dann steigt an der Kathode (= Elektrode, an der Elektronen einem System, z.b. einem Elektrolyt, zuge-fügt werden) Wasserstoff und an der Anode (= Elektrode, die aus einem Vakuum freie Elektronen aufnimmt und Oxidationsreaktionen auslöst) Sauerstoff auf. Führt man Wasserstoff und Sauer-stoff wieder zusammen, wird via Brenn-stoffzelle Strom und Wasser erzeugt. Wasserstoff bildet beim Austreten ab 15 % ein hochexplosives Gemisch mit der Um-gebungsluft. Ansonsten verflüchtigt sich Wasserstoff wegen seiner Leichtigkeit sehr schnell. (14 mal leichter als Luft) Daher wird Wasserstoff in Druckspeichern durch Verdichtung auf 40 bar und in Flüssiggasspeicher durch Kühlung und Verdichtung gelagert. Das Speichersystem besteht aus einem Elektrolyseur, einem Druckspeicher, einer Brennstoffzelle und einer Wasserstoffturbine, die entweder an einem Gaskraftwerk oder an einem Block-heizkraftwerk angeschlossen ist, das Strom und Wärme produziert. Der Strom soll ab 2050 zu 80 % mit Hilfe von Wind-kraftanlagen erzeugt werden. So will man Wasserstoff klimaneutral erzeugen.
Wasserstoff und synthetische Gase
Einsatz in der Stahlbranche
Wasserstoff soll in Zukunft auch bei der Stahlerzeugung eine größere Rolle spielen. Bisher wird Stahl mit Hilfe von Kokskohle als Brennstoff und Reduktionsmittel produziert. Verwendet man Wasserstoff statt Koks, so die Vorstellung, entsteht kein C02 mehr. Damit will man die Kosten für die C02-Emissionszertifikate reduzieren. Bei der Stahlerzeugung wird bei extrem großer Hitze das Eisenoxid im Erz von Sauerstoff befreit und damit zu metallischem Eisen reduziert. Um die hohe Hitze von 1620 Grad erzeugen zu können, braucht man bisher Kokskohle und in Elektorstahlwerken Gas. Die Alternative Wasserstoff will man aus Gichtgasen gewinnen, welches bei der Direktreduktion anfällt. Zu einem späteren Zeitpunkt will man Wasserstoff aus regenerativen Energieträgern einsetzen. ArcelorMittal und Konkurent Salzgitter AG betreiben zwei Testanlagen, um Wasserstoff für die Stahlherstellung einsetzen zu können. Thyssen-Krupp plant ebenfalls ein Wasserstoffprojekt . Obschon das ArcelorMittal- Forschungsvorhaben rd. 65 Mio. EUR kostet und von der Uni Freiburg begleitet wird, ist der Erfolg noch längst nicht ausgemacht.
Warum bis zur erfolgreichen und bezahlbaren Umsetzung das Thema Wasserstoff noch einen langen Weg vor sich hat, wollen wir anhand der Brennstoffzelle für das Auto verdeutlichen.
Problem 1: Energieverluste
Bei der Herstellung von Wasserstoff zerlegt der Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Für diese Trennung werden rd. 70 % Stromenergie benötigt. Anschließend muß das gewonnene Gas komprimiert, transportiert und zum Betanken auf Minus 40 Grad heruntergekühlt werden. In der Brennstoffzelle eines Autos muß der Wasserstoff dann wieder in Strom umgewandelt werden, der den Elektromotor (statt Batterie) mit Strom versorgt. Dadurch entstehen weitere Umwandlungsverluste. Von dem ursprünglichen Wirkungsgrad von rd. 65 % bleiben somit nur 20 % übrig. Und da Windstrom kontinuierlich nicht zur Verfügung steht, muß Wass-erstoff aus Erdgas, Öl oder Kohle gewonnen werden. Der C02-Effekt ist damit gleich Null.
Problem 2: Drucktanks
Im Gegensatz zu einer Lithium-Ionen-Batterie, die zwischen 125 und 200 Wattstunden pro Kilogramm an Energiedichte besitzt, passen bei einem 700 bar Wasserstoff-Drucktank rd. 900 Watt-stunden pro Kilogramm rein. Das entspricht einer 3,5 fach höheren Energiedichte. Da der Drucktank aber dick ummantelt sein muß, ist er recht sperrig. Daher passt bei einem Mercedes GLC-Typ unter dem Mitteltunnel auch nur ein Drucktank, der 4,5 Kilogramm Wass-erstoff fassen kann. Aus Gründen der Sicherheit werden derzeit keine größeren Tanks als 6 kg Wasserstoff verbaut. Damit kommt man dann aber auch nicht mehr auf 1000 Kilometer pro Tank-füllung weit, sondern nur noch höchstens 500 Kilometer, je nach Fahrweise, Witterungsverhältnissen und Beladungszustand. Die Mercedes-Studie GLC-F-Cell brachte es im langsam gefahrenen Testzyklus gerade einmal auf 437 Kilometer Strecke plus 49 km Batterie-Reichweite. In der Praxis dürfte die Reichweite daher wahrscheinlich unter 400 Kilometer liegen. Die Tankladezeit lag bei rd. 10 Minuten. Die Schlangen vor den H20-Tankstellen dürften täglich mehrere Hunderte von Metern lang werden. Das wird die Stimmung bei den Wartenden nicht gerade heben.
Problem 3: fehlende Infrastruktur
2016 existierten auf der Welt lediglich 260 Wasserstoff-Tankstellen. Bis 2023 sollen in Deutschland 400 H2-Tankstellen entstehen. Mit flächendeckender Versorgung hat das allerdings nichts zu tun. Und das kommt auch nicht von ungefähr, denn der Bau einer H2-Tankstelle kostet rd. 1 Mio. EUR. Durch raschen Zubau könnten die Kosten nach Angabe von Fachleuten auf rd. 400.000 EUR sinken, dass würde aber voraussetzen, dass immer mehr Autofahrer auf Wasserstoff betriebene Fahrzeuge setzen.
Problem 4: hohe Kosten
Und damit beißt sich die Katze in den eigenen Schwanz. Denn ein wasserstoffbetriebenes Auto ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht unter 60.000 EUR zu haben. Und klimaneutral wäre es genau so wenig wie ein E-Auto mit Batterie. Beide erhalten ihren Strom aus fossilen Kraftwerken. Windstrom wäre nur dann voll einsatz-fähig, wenn er bedarfsgerecht jederzeit zur Verfügung stehen würde. Das setzt eine flächendeckende Speichertechnologie vor-aus, die es auf absehbare Zeit nicht geben wird. Und selbst wenn: Flaute bleibt Flaute. Auch die Tankkosten dürften auf die Ver-braucher eine abschreckende Wirkung entfalten. Die Experten des Ludwig-Bölkow-Instituts für Systemtechnik in Ottobrunn hatten die Kosten für Strom aus Wasserstoff bereits in 2013 auf rd. 0,40 Ct pro Kilowattstunde beziffert. Hinzu kommen weitere Umlagekost-en, Steuern und Gewinn. Damit dürften die Kosten wesentlich höher liegen als bei Benzin oder Diesel. Für ein paar Kilometer mehr an Reichweite rechnet sich die Anschaffung bis auf Weiteres für den Verbraucher genau so wenig wie die Anschaffung eines batteriebetriebenen Elektro-Autos.
Fazit
Sofern Wasserstoff C02-neutral gewonnen werden soll, muß berücksichtigt werden, dass in unseren Breitengraden mit Dunkelflauten von mehreren Monaten im Jahr zu rechnen ist. Daher müßte Windstrom in einer Größenordnung gespeichert werden, der 200 bis 300 Terrawattstunden an Strombedarf abdecken könnte. In der Bundesrebulik betrug die Bruttostromerzeugung in 2018 647 Mrd. kWh. Die umweltfreundlichste Art, C02-frei Energie zu erzeugen, besteht daher nach wie vor per Pedes. Also, liebe Öko-Fans: wenn alle ordentlich in die Pedale treten, dann klappt es mit der Energiewende möglicherweise noch. Ansonsten muß die Bundesregierung leider wieder einen neuen Subventionstopf aufmachen.
Quellenhinweise:
Göhring, Axel: nach dem Lithium-Gau: jetzt wird halt das Wasserstoffauto gepriesen, in: Eike.de vom 15.09.2019; Blach, Bern-hard: Wasserstoff- eine Alternative zur Kohle?, in: Jahrbuch für Energiepolitik und Montankultur; Revierkohle (Hrsg.), Hamburg 2019, S. 120 ff; Handelsblatt vom 31.07.2019; Der Spiegel vom 27.06. 2019; Welt.de vom 29.03.2019; MDR vom 17.07.2019; Autor-Motor-und-Sport.de vom 07.06.2019; Süddeutsche Zeitung vom 31.03.2018 und RK-Redaktion vom 22.08.2019
H2-Illustration: Mohamed Hassan, pixa-bay.com