Innovationen in der Energieversorgung: Wasserstofftechnologie auf dem Vormarsch

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Seit der erste Steinzeitmensch das Feuer entdeckt hat, sind kohlenstoffbasierte Energieträger das Maß der Dinge. Das Grundprinzip der exothermen Umwandlung von Kohlenstoff in Kohlendioxid ist bis heute das standardmäßige Verfahren zur Herstellung von thermischer und kinetischer Energie.

Die fossilen Energieträger geben dabei mehr Kohlendioxid in die Atmosphäre ab, als über den natürlichen Weg wieder aufgenommen werden. Das macht den Wechsel von einem nachhaltigen Energieträger erforderlich. Wasserstoff emittiert bei der Umsetzung zu Energie ausschließlich reinen Wasserdampf.

Mithilfe einer Brennstoffzelle fallen bei der Verstromung von Wasserstoff noch nicht einmal Stickoxide an, wie sie bei der Verbrennung üblicherweise entstehen. Darüber hinaus hat die diese Energieerzeugung einen Wirkungsgrad von 60 % - und damit das Dreifache der besten heute verfügbaren Verbrennertechnologien von kohlenstoffbasierten Energieträgern. Das sind in Summe sehr starke Argumente, die für den Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.

Wasserstoff als Energieträger

Liegt der Wasserstoff erst einmal in einer verwertbaren Form vor, ist er seitens der Energieerzeugung praktisch unschlagbar. Seine Energiedichte liegt bei 33,33 kWh/kg. Kohle, vor allem die in Deutschland geförderte und stark schwefelhaltige Braunkohle, kommt hingegen nur auf 2,8 kWh/kg. Selbst der reaktionsfreudige Diesel schafft mit seinen 9 kWh/kg weniger als ein Drittel der Dichte des Wasserstoffs. Und wie im ersten Absatz erwähnt: Bei der Verstromung von Wasserstoff fällt als Abfallprodukt lediglich Wasserdampf an - und sonst nichts. Dieser Aspekt ist nicht nur für die Stromerzeugung von großer Bedeutung.

Praktisch alle energieintensiven Industriezweige lassen sich heute auf Wasserstoff umstellen und deutlich umweltfreundlicher gestalten. So ist der Energieträger beispielsweise auch ein hervorragendes Reduktionsmittel. Damit lässt er sich sogar für die Eisenverhüttung verwenden, für die bislang nur granulierte Kohle verfügbar war. Auch hier fällt lediglich reines Wasser als Abfallprodukt an - und davon kann es nie genug geben. Die Herausforderungen bei diesem Energieträger sind die Herstellung und eine passende Methode des Wasserstofftransports.

Technologische Herausforderungen und Lösungen

Wasserstoff wird mittels Elektrolyse von Wasser abgespalten. Das Element ist aber nur dann ein ökologisch interessanter Energieträger, wenn bei seiner Herstellung keine nuklearen oder fossilen Energien eingesetzt werden. Das macht die emissionsfreie Solar-, Wind- oder Gezeitenkraft zu interessanten Stromquellen für die erforderliche Elektrolyse. Daraus folgt wiederum, dass küstennahe und sonnenreiche Wüstengebiete, wie beispielsweise in Nordafrika zu finden, für die Erzeugung von Wasserstoff ideal sind. Daraus ergibt sich aber die Frage, wie der kostbare Energieträger zu den Verbrauchen nach Europa kommt.

Hierzu gibt es zwei technische Ansätze:

• Pipeline-Transport
• Mobiler Transport mit Schiffen und LKW.

Aufgrund seiner Flüchtigkeit müssen Pipelines und Tanks, die Wasserstoff transportieren müssen, besonders dicht sein. Dennoch ist ein allmähliches Entweichen des Gases auch beim besten Tanksystem nicht zu vermeiden. Das setzt die Produktion von Wasserstoff unter einen zusätzlichen Preisdruck. Dies vor allem, weil Wasserstoff vor dem Pipeline- oder Tanktransport nahezu auf den Nullpunkt heruntergekühlt werden muss. Die Herstellung des Energieträgers muss damit so billig sein, dass der unvermeidliche Schwund mit einkalkuliert werden kann.

Um den Schwund zu vermeiden, kann der Wasserstoff chemisch wieder gebunden werden. Anstatt des Wassers, welches sein Element Wasserstoff nur sehr widerwillig hergibt, ist die Wasserstoff-Stickstoff-Verbindung Ammoniak dazu geeignet. Das aus einem Stickstoff (N) und drei Wasserstoffatomen (H) bestehende Molekül lässt sich um ein locker anhaftendes viertes Wasserstoffatom erweitern. Leider ist das stark basische Molekül giftig und geruchsintensiv. Es erfordert deshalb einiges an technischem Aufwand, um den Ammoniak sicher handzuhaben.

Fallbeispiele und Entwicklungen

Durch zahlreiche Prototypen und Versuche wurde bereits der Nachweis erbracht, dass das Abkühlen, Verdichten und Transportieren von Wasserstoff technisch mit vertretbaren Kosten möglich ist. Das Fraunhofer Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik (UMSICHT) hat für den Ansatz des Wasserstofftransport über Ammoniak bereits große Grundlagenforschung betrieben. Praxisnahe Lösungen sind bereits verfügbar. An den Herausforderungen des sicheren und ökologisch unbedenklichen Handlings wird noch gearbeitet.

Schlussfolgerung und Ausblick

Die Vorteile des Wasserstoffs als Energieträger machen ihn - vor allem im Vergleich zu den traditionellen kohlenstoffbasierten Energieträgern - zukunftsfähig. Emissionsfreie, sauber erzeugte Energie zum günstigen Preis scheinen in greifbare Nähe zu rücken. Neben den technischen Herausforderungen sind aber vor allem politische und wirtschaftliche Fragen zu klären. Aber mit den steigenden Folgen des Klimawandels wird der Ruf nach regenerativen und ökologisch unbedenklichen Energien immer lauter. Die Zukunft wird damit zwar eine Herausforderung, sie ist mithilfe von Wasserstoff aber zu lösen.