Wasserstoff

Zurück in die Zukunft

Mit Großbritannien setzt seit Kurzem ein weiteres Land im Bemühen um CO2 - Neutralität verstärkt auf Wasserstoff. Wasserstoff gilt in der Wissenschaft nicht zum ersten Mal als Energieträger der Zukunft. Was ist heute also anders?

Im Rahmen eines Pilotprojekts sollen erste Erfahrungen mit der Wasserstoffproduktion unter Hochseebedingungen gesammelt werden

Dreizehn Kilometer vor der Küste im niederländischen Scheveningen befindet sich eine große Öl- und Gasplattform mit der Bezeichnung Q13a1. Dort sollen im Rahmen eines Pilotprojekts erste Erfahrungen mit der Wasserstoffproduktion unter Hochseebedingungen gesammelt werden. Die Grundidee dabei ist, Wasser mit Hilfe von Wind- und Sonnenenergie in seine Bestandteile – Wasser und Sauerstoff – aufzuspalten. Der zentrale Rohstoff ist entmineralisiertes Meerwasser, die Energiequelle ist erneuerbar und bei der Nutzung des Outputs als Brennstoff wird kein CO2 freigesetzt.

„Ziel ist es, wertvolle Erkenntnisse für eine erfolgreiche Einbindung von Offshore-Energiesystemen zu gewinnen, um die Energiewende zu beschleunigen“, erklärt Lex de Groot, Geschäftsführer von Neptune Energy, einem kleinen Explorationsunternehmen an der Nordsee.2

Projekt Q13a steht noch ganz am Anfang, aber das Konzept weist starke Parallelen zu einem Projekt auf, das vor fast hundert Jahren gestartet wurde. Im Jahr 1923 veröffentlichte der Biochemiker J.B.S. Haldane in Cambridgeeine wissenschaftliche Arbeit. Darin heißt es: „Es wird große Kraftwerke geben, in denen bei windigen Wetterlagen der Energieüberschuss für die Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff durch Elektrolyse genutzt wird.“ Die „Weltpremiere“ auf der Nordsee-Plattform erinnert stark an Haldanes Vision.

Dekarbonisierung: auf dem Weg zur Wasserstoffrevolution

Seither ist in mehreren Wellen immer wieder das Interesse daran aufgeflammt, Wasserstoff wegen seiner besonderen Eigenschaften stärker zu nutzen.

Die spezifische Energiedichte bei Wasserstoff ist etwa dreimal so hoch wie bei Benzin oder Diesel

„Wasserstoff besitzt eine hervorragende gravimetrische, sprich: massebezogene Energiedichte“, so Tony Roskilly, Professor für Energiesysteme an der Universität Durham und führender Kopf bei Network-H2, einem Forschungsnetzwerk zum Thema Mobilität mit Wasserstoff. „Die spezifische Energiedichte bei Wasserstoff ist etwa dreimal so hoch wie bei Benzin oder Diesel. Bei der Umwandlung in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung wird kein Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Wasserstoff ist außerdem das häufigste Element auf der Erde und trotz seiner geringen volumetrischen Energiedichte ein guter Energiespeicher. Es gibt jedoch noch ungelöste Probleme bei der Herstellung von Wasserstoff, weil er an andere Elemente gebunden ist, sowie beim Thema Speicherung.“

In der Vergangenheit konnte Wasserstoff die in ihn gesetzten Erwartungen nicht erfüllen. In einer Welt, in der immer mehr Regierungen CO2-Neutralität anstreben, sehen die Dinge jedoch anders aus. 

Mit Wasserstoff lassen sich CO2 -Emissionen in Bereichen, wo sie prozessbedingt nur schwer vermeidbar sind, am kostengünstigsten reduzieren.

„Im Jahr 2008 hat sich Großbritannien dazu verpflichtet, seine CO2-Emissionen bis 2050 um 80 Prozent zu reduzieren. Unternehmen in all den sogenannten „Hard-to-abate“-Sektoren, in denen fossile Brennstoffe schwer zu ersetzen sind, nahmen daraufhin an, sie würden in die Kategorie „Sonstige“ fallen. Das ist jetzt nicht mehr der Fall. Jeder weiß, dass man sich nicht mehr verstecken kann“, sagt Nigel Brandon, Professor am Imperial College in London und der führende Elektrochemieingenieur bei H2FC SUPERGEN, dem britischen Forschungszentrum für Wasserstoff und Brennstoffzellen. „Damit kommt ein Energieträger wie Wasserstoff ins Spiel, weil sich damit CO2-Emissionen in Bereichen wie der Schwerindustrie, wo sie prozessbedingt nur schwer vermeidbar sind, am kostengünstigsten reduzieren lassen.“

Abbildung 1: Wasserstoff: Hoffnungsträger auf dem Weg in eine klimaneutrale Welt
Hydrogen’s possible role in routes to decarbonise

Quelle: „Mission possible: „Reaching net-zero carbon emissions from harder-to-abate sectors by mid-century“, Energy Transitions Commission, November 2018 

Kosten und Wirkungsgrad

In der Brennstoffzellenforschung hat es bereits ermutigende Fortschritte bei der Steigerung von Wirkungsgrad und Lebensdauer gegeben. Andere Entwicklungen wie die gesunkenen Kosten für die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien haben ebenfalls Einfluss auf die Perspektiven für Wasserstoff.

„Die Nutzung grüner Energieträger ist ein wunderbarer Erfolg“, erklärt Upul Wijayantha, Professor für physikalische Chemie an der Loughborough University, der in seiner wissenschaftlichen Laufbahn in Großbritannien und den USA auch zur Spaltung von Wasserstoff mithilfe von Solarenergie geforscht hat. „Doch diese Quellen garantieren keine unterbrechungsfreie Energieversorgung. Wir können nicht absehen, wie viel Energie erzeugt wird, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Damit können wir auch nicht abschätzen, welche Batteriekapazitäten wir brauchen, um die erzeugte Energie zu speichern. Was sollen wir tun, wenn mehr Energie erzeugt wird als gespeichert werden kann? Den Überschuss für die Produktion von Wasserstoff nutzen.“

Doch die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen ist nur dann eine Lösung, wenn es gelingt, Wasserstoff so zu speichern und zu transportieren, dass er auch für den Endverbraucher nutzbar ist. 

Abbildung 2: Wasserstoff als zentraler Baustein in einer vernetzten Energieversorgung
Hydrogen: Joined up thinking

Quelle: „Hydrogen solutions“, Siemens Energy, 2020

Wasserstoffquellen

Ein weiteres Thema sind auch die Wasserstoffquellen

Ein weiteres Thema sind auch die Wasserstoffquellen. Heute wird Wasserstoff vor allem aus Erdgas und Kohle gewonnen. „Am billigsten lässt sich Wasserstoff durch Methan-Dampfreformierung bei hoher Temperatur herstellen. Dabei entstehen grauer Wasserstoff und CO2. „Etwa 95 Prozent des Wasserstoffs, den wir heute nutzen, wird so erzeugt“, erklärt Rick Stathers, Senior Environmental, Social and Governance (ESG) Analyst und Klimaexperte bei Aviva Investors. 

„Eine Alternative ist blauer Wasserstoff: Dabei wird das bei der Methan-Dampfreformierung entstehende Kohlendioxid abgeschieden oder genutzt“, erläutert Stathers. „Die industrielle CO2-Abscheidung ist jedoch technologisch noch nicht ganz ausgereift und noch gibt es dafür nur relativ begrenzte Kapazitäten.“ (Lesen Sie hier mehr zur CO2-Abscheidung- und Speicherung (Carbon Capture and Sequestration, CCS).)

„Wir dürfen uns da nichts vormachen“, erklärt Max Burns, Senior Research Analyst für Industriewerte bei Aviva Investors. „Große Mengen billigen Erdgases aus den USA, Russland und dem Nahen Osten sind eine naheliegende Energiequelle zur Wasserstoffherstellung, damit bleibt das Problem der Reduzierung von Treibhausgasemissionen jedoch ungelöst. Bis die CCS-Technologie wirklich ausgereift ist, ist blauer Wasserstoff eigentlich grün verbrämter gräulicher Wasserstoff. Der zeitliche Rahmen bis zur großflächigen Nutzung von Wasserstoff muss wohl noch etwas weiter gesteckt werden.“

Unter Umweltgesichtspunkten ist grüner Wasserstoff, hergestellt durch die Spaltung von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien, die optimale Lösung. „Momentan wird nur ein sehr geringer Prozentsatz von Wasserstoff – weniger als fünf Prozent – so gewonnen, und dieses Verfahren ist heute noch nicht kostendeckend“, erklärt Stathers.

Abbildung 3: Optionen für die Wasserstoffproduktion im Rahmen der Energiewende
Hydrogen production pathways for energy transition

Quelle: „Hydrogen for Australia's future“, Commonwealth of Australia, 2018

Umrüstung des Gasnetzes

Damit stellt sich die Frage: Wie schnell kann sich der Kostenrahmen für die Wasserstoffproduktion ändern? „Es ist allgemeiner Konsens, dass grüner Wasserstoff kostenmäßig in etwa 2030 mit dem aus fossilen Brennstoffen unter Einsatz von CCS gewonnenen Wasserstoff gleichziehen wird“, so Stathers.4 „Ab 2050 könnte es die kostengünstigste Technologie sein.“ Das impliziert eine potenzielle Kostenreduzierung um 60 bis 70 Prozent in den nächsten 30 Jahren. Die Kostensituation könnte sich jedoch auch schneller ändern: Das hängt von politischen Stellschrauben wie dem CO2-Preis ab und auch davon, wie sich der Markt entwickelt.“

Für eine effiziente Nutzung im Netzbetrieb muss Wasserstoff in Drucktanks oder in unterirdischen geologischen Gesteinsschichten gespeichert werden. In Europa könnten nennenswerte Mengen in unterirdischen Salzkavernen5, Höhlen von der Höhe des Eiffel-Turms6, eingelagert werden. Solche Kavernen werden bereits dafür genutzt. „Wir speichern Wasserstoff dort als strategische Reserven für die Ölproduktion“, erklärt Brandon.

Andere Herausforderungen sind noch in den Bereichen Vertrieb und Sicherheit zu bewältigen. Molekularer Wasserstoff hat eine geringe Dichte und ist leicht flüchtig. Es wird jedoch derzeit untersucht, ob sich das bestehende Gasnetz nutzen ließe.

Unsere Gasnetze werden schon seit Jahren Stück für Stück umgerüstet

„Daran muss noch weiter geforscht werden, aber unsere Gasnetze werden schon seit Jahren Stück für Stück umgerüstet“, so Roskilly. All unsere alten gusseisernen Rohre werden ersetzt oder mit Polyethylenrohren ausgekleidet. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, sollte dem Transport von Wasserstoff nichts mehr im Wege stehen. Die Umrüstung ist bereits weit fortgeschritten.“

Was die Sicherheit anbelangt, ist Wasserstoff nach Ansicht von Roskilly genauso sicher oder sicherer als die anderen Brennstoffe, die wir verwenden, sowohl im Verkehr als auch in unseren Häusern. „Es bestehen zwar Sicherheitsrisiken, aber diese sind beherrschbar wie bei Erdgas auch. Und bei der Nutzung von Wasserstoff in einem Boiler besteht nicht die Gefahr einer Kohlenmonoxidvergiftung.“ 

Wandlungsprozess von der Chemikalie zu Energiequelle und Energiespeicher

Wenn sich Wasserstoff von einer Chemikalie unter vielen anderen chemischen Stoffen in der Industrie zu einer Energiequelle und einem Energiespeicher wandelt, könnte dies weitreichende Folgen haben.

„Exposure in Bezug auf das Thema Wasserstoff können Anleger über eine Kombination von Unternehmen aus dem Bereich erneuerbare Energien, reinen Brennstoffzellen- und Elektrolyseunternehmen realisieren“, sagt Stathers.  

„Europäische Industriegasproduzenten rechnen in etwa fünf Jahren mit signifikanten Umsätzen aus blauem Wasserstoff. Wir rechnen auch mit einem sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach bestimmten Chemikalien wie polykristallinem Silizium. Polykristallines Silizium ist eine wichtige Komponente für die Herstellung von Solarzellen. Um eine vermehrte Wasserstoffproduktion und Erzeugung klimafreundlicher Energieformen zu ermöglichen, könnte der Bedarf an dem Material steigen“, so der Aviva-Klimaexperte weiter.

Im Verkehrswesen liegt das größte Potenzial in schwierig zu elektrifizierenden Bereichen wie dem Fernfracht-, Zug- und Schiffsverkehr. (Umgekehrt sind im Kleinwagensegment batteriebetriebene Elektrofahrzeuge billiger und setzen sich dort daher vermutlich schneller durch.)

Ein weiterer Transmissionsriemen sind die Unternehmen, über die die Einspeisung von Wasserstoff in das gesamte Energienetz erfolgt. „Das Netzmanagement ist eine große Herausforderung für die Zukunft“, sagt Richard Howard, Research Director bei der Energy Analytics Group, Aurora Energy. „Das ganze Spektrum an Technologien für den sicheren Betrieb eines stabilen Systems wird überraschend schnell an Bedeutung gewinnen.“

Auf dem Weg in eine neue Zukunft

Wasserstoff als Energieoption hatte der damalige US-Energieminister Steve Chu vor gut zehn Jahren eine klare Absage erteilt. Vier Wunder hätten seiner Ansicht nach geschehen müssen, um diese Option ernsthaft in Erwägung zu ziehen.7 Der Kostenfaktor, die noch unausgereifte Brennstoffzellentechnologie, die nicht vorhandenen Hochdruckspeicher und Verteilungsinfrastruktur waren aus seiner Sicht alles Gründe, die gegen Wasserstoff sprachen.

Energieberater stellen die Frage, was in Zukunft passiert, wenn durch einen Überschuss an erneuerbaren Energien die Energiekosten fast auf null sinken

Zehn Jahre später hat sich an all diesen Fronten viel getan, an einigen mehr als an anderen. Besonders eindrucksvoll wird dies vielleicht daran deutlich, dass Energieberater heute die Frage stellen, was in Zukunft passiert, wenn durch einen Überschuss an erneuerbaren Energien die Energiekosten fast auf null sinken. Ein solches Szenario ist momentan noch Zukunftsmusik, aber durchaus ein interessantes Gedankenspiel für diejenigen, die heute schon von billigerem grünen Wasserstoff träumen. 

Literaturangaben

  1. „World first: An offshore pilot plant for green hydrogen“, TNO, 2020. 
    https://www.tno.nl/en/focus-areas/energy-transition/roadmaps/towards-co2-neutral-fuels-and-feedstock/hydrogen-for-a-sustainable-energy-supply/world-first-an-offshore-pilot-plant-for-green-hydrogen/
  2. „The world’s first offshore green hydrogen plan“, Neptune Energy, 2020.
    https://www.neptuneenergy.com/esg/climate-change-and-environment/poshydon-hydrogen-pilot
  3. J. B. S. Haldane, „Daedalus of science and the future“, Cambridge University, 4. Februar 1923
    https://pdfs.semanticscholar.org/5a0c/b84752d8875bf401a28ffd521abfeb866a5a.pdf?_ga=2.120715336.113960744.1606901660-736703950.1606901660
  4. Quelle: Aviva, UBS, CSIRO, BNEF, Hydrogen Council, Merrill Lynch, Parkinson et al, Stand: August 2020.
  5. Howard B. J. Stone, Ivo Veldhuis und R. Neil Richardson, „Underground hydrogen storage in the UK“, Geological Society, 313, 217-226, 1. Januar 2009.
    https://sp.lyellcollection.org/content/313/1/217
  6. „Hydrogen caverns are a proven, inexpensive and reliable technology“, cH2ange, 8. Februar 2018. https://medium.com/@cH2ange/louis-londe-technical-director-at-geostock-hydrogen-caverns-are-a-proven-inexpensive-and-346dde79c460
  7. Kevin Bullis, „Challenging Chu on hydrogen fuel cells“, MIT Technology Review, 19. Juni 2019. https://www.technologyreview.com/2009/06/19/266486/challenging-chu-on-hydrogen-fuel-cells/

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