Wasserstoff, der Held der Netto-Null-Emissionen

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Wasserstoff, der Held der Netto-Null-Emissionen
Grüner Wasserstoff könnte unser Energiesystem verändern und viele Versorgungs- und Emissionsprobleme lösen. Sein Erfolg wird jedoch davon abhängen, ob die Produktion rentabel und für die Verbraucherinnen und Verbraucher attraktiv ist.

Unter den vielversprechenden Technologien für eine emissionsfreie Zukunft nimmt Wasserstoff eine Sonderstellung ein. Während Sonnenkollektoren, Windräder und Wasserkraftwerke alle die von der Natur gelieferte Energie nutzen, um sie in Strom umzuwandeln, fällt Wasserstoff aus dieser Regel heraus. "Wasserstoff ist keine Energiequelle, sondern ein Energieträger", erklärt Andreas Züttel, Leiter des Labors für Materialien für erneuerbare Energien an der EPFL.

Schon heute ist Wasserstoff das Herzstück unseres Energiesystems. Da er mehr Energie pro Masseneinheit enthält als jede andere bekannte Substanz, ist er der wichtigste Energieträger unserer fossilen Brennstoffe. Die freie Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff hat es möglich gemacht, Raketen in den Weltraum zu befördern. Und dank unserer Fähigkeit, seine Verbrennung in Brennstoffzellen zu kontrollieren, treibt er heute einen immer größeren Fahrzeugpark an.

Andreas Züttel zufolge besteht das Problem des derzeit verwendeten Wasserstoffs darin, dass er zu fast 95 % schmutzig ist. Um unseren Bedarf zu decken, z. B. für das Hydrocracken in Ölraffinerien, die Herstellung synthetischer Düngemittel oder die chemische Industrie, gewinnen wir ihn aus fossilen Brennstoffen, was zu einem erheblichen CO2-Fußabdruck führt.

Ein schwieriger Übergang

Überraschenderweise wird derselbe Stoff als wesentlicher Bestandteil eines Energiesystems mit null Nettoemissionen dargestellt. Das Bundesamt für Energie (BFE) schätzt, dass sauberer und grüner Wasserstoff bis 2050 eine wichtige Rolle im sauberen Energiemix der Schweiz spielen wird. Und dies, obwohl er sich heute auf einem Niveau nahe Null befindet.

Um dies zu erreichen, muss der Wasserstoff gründlich gereinigt werden. Der Übergang zu sauberem Wasserstoff erfordert die Bewältigung der zahlreichen Herausforderungen, die mit Wasserstoff einhergehen. Aus chemischer Sicht macht das Fehlen einer flüssigen Phase bei Raumtemperatur seine Lagerung schwierig. Darüber hinaus ist er für seine Explosivität bekannt, was seine Handhabung heikel macht. Und seine Unfähigkeit, geruchlich wahrnehmbar zu sein, erschwert die Erkennung von Lecks.

In Bezug auf die Energieeffizienz hinkt Wasserstoff anderen Energiequellen hinterher, da für seine Herstellung große Energiemengen benötigt werden - 66 kWh pro Kilogramm, das nur die Hälfte davon abgeben kann. Dasselbe gilt aus wirtschaftlicher Sicht, da die Kosten für eine kWh Energie, die durch Wasserstoff transportiert wird, etwa 2-3 Mal höher sind als der Marktpreis für Strom.

Warum sind die Hoffnungen auf Wasserstoff so groß? Weil die Eigenschaften dieses erneuerbaren Energieträgers unter den richtigen Bedingungen dazu beitragen könnten, die Herausforderungen zu bewältigen, die sich auf dem Weg zu einem saubereren und grüneren Energiemix ergeben werden.

Das Schweizer Taschenmesser unter den Energieträgern

Heute erleben wir ein Comeback. Wasserstoff steht wieder im Rampenlicht", sagt Andreas Züttel. Diesmal wegen seines Potenzials, zur Reduzierung der weltweiten CO2-Emissionen beizutragen. Während bei der Verbrennung von Kohlenstoff CO2 entsteht, das Wärme einschließt, entsteht bei der Verbrennung von Wasserstoff nichts anderes als Wasser. Wenn erneuerbarer Strom zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird, z. B. durch Wasserelektrolyse, wird der entstehende Wasserstoff zu einer effizienten Möglichkeit, erneuerbare Energie zu speichern.

"Wasserstoff ist das Schlüsselelement, das den Übergang von erneuerbarem Strom zu chemischen Energieträgern wie Methan, Methanol, synthetischem Erdöl oder Ammoniak ermöglicht", erklärt Andreas Züttel. Obwohl diese Stoffe unter Verwendung von Kohlenstoff aus dem in der Atmosphäre gebundenen CO2 oder aus Biomasse hergestellt werden können, ist es der Wasserstoff, der die erneuerbare Energie transportiert".


Wasserstoff ist daher ein wertvoller Energieträger. Pur kann er zur Stromerzeugung genutzt werden, um Nachfragespitzen zu decken, und Autos, Busse und schwere Fahrzeuge antreiben. Wenn es uns gelingt, das Rätsel der Lagerung, Verteilung und Handhabung zu lösen, können wir damit beginnen, ihn als kohlenstoffneutralen Treibstoff für die Schifffahrt und die Luftfahrt zu verwenden.

In Kombination mit Kohlenstoff, der aus der Atmosphäre, aus Biomasse oder aus Industrieemissionen gewonnen wird, könnte er in Methan, synthetisches Erdöl, Ammoniak, Methanol oder andere Brennstoffe mit Netto-Null-Emissionen umgewandelt werden. Auch dies würde auf Kosten der allgemeinen Energieeffizienz gehen. In einer Welt, die von erneuerbarer Elektrizität überschwemmt wird, können die höhere volumetrische Energiedichte und die Handhabungssicherheit, die diese synthetischen Kraftstoffe bieten, jedoch die CO2-Bilanz von schwer zu elektrifizierenden Anwendungen verringern.

Beschleunigung der Marktakzeptanz

Glücklicherweise wurden laut Andreas Züttel einige Fortschritte bei der Marktakzeptanz von grünem Wasserstoff im Verkehrswesen und in der Stromerzeugung erzielt. Denn diese beiden Sektoren sind für mehr als die Hälfte der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Dies beginnt bereits im Vorfeld der Wasserstoffproduktion, wo erneuerbarer Strom bereits die Preisparität mit Standardstrom erreicht hat, Jahrzehnte früher als ursprünglich von der Internationalen Energieagentur prognostiziert, wodurch die Kosten für sauberen Wasserstoff gesenkt wurden.

Die Marktkräfte haben bei den Anwendungen für Straßenfahrzeuge eine Schlüsselrolle gespielt und die Entwicklung von Brennstoffzellen und sicheren Flaschen zur Speicherung von Hochdruckwasserstoff beschleunigt. Trotz dieser technologischen Fortschritte war die Einführung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen aufgrund ihrer Langsamkeit frustrierend. Tatsächlich ist das Haupthindernis der Mangel an Straßeninfrastruktur. In der Schweiz gibt es derzeit acht Wasserstofftankstellen", sagt Andreas Züttel. "Die Leute werden kein Wasserstofffahrzeug kaufen, wenn sie nicht tanken können. Und wer will schon eine Tankstelle betreiben, wenn niemand Wasserstoff kaufen will? Aus diesem Grund verkauft Toyota seine Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb nicht hier."

Da der Anteil des intermittierenden erneuerbaren Stroms, der durch das Stromnetz transportiert wird, zunimmt, werden die Kraftwerke wahrscheinlich zunehmend auf gespeicherten Wasserstoff angewiesen sein, um die Nachfrage zu befriedigen. "Wenn man über eine große Menge volatilen Stroms verfügt, der aus Sonnen- oder Windenergie stammt, kann man Wasserstoff herstellen und ihn beispielsweise unterirdisch speichern. Und ihn dann im Winter zur Erzeugung von Strom mit hohem Wirkungsgrad in Kombikraftwerken verwenden, die eine Wasserstoff- und eine Dampfturbine haben", erklärt er.

"Damit das funktioniert, müssen sich der gesamte Markt und unsere Erwartungen anpassen. Wir sind es gewohnt, Strom zu einem mehr oder weniger konstanten Preis zu kaufen. Um die Speicherung attraktiv zu machen, müsste der Strompreis nachts höher sein als tagsüber. Und im Winter müssten wir bereit sein, mehr zu zahlen als in den Sommermonaten. Aber je attraktiver es wird, Strom mithilfe von Wasserstoff zu speichern, desto mehr solcher Anlagen wird es geben".

Um das Marktwachstum sowohl auf der Angebots- als auch auf der Nachfrageseite anzukurbeln, hat die Industrie eine farbenreiche Lösung gefunden. Wasserstoff wird nun in einem Farbspektrum von Schwarz bis Grün vermarktet, das sich an seiner CO2-Bilanz orientiert. Bei der Entwicklung neuer Anwendungen können die Verbraucherinnen und Verbraucher von Wasserstoff nun bewusst entscheiden, ob sie der CO2-Bilanz oder den Kosten den Vorrang geben. Letztendlich wird diese Strategie sie dazu veranlassen, auf umweltfreundlicheren Wasserstoff umzusteigen, wenn dieser erschwinglicher wird.

Wie Andreas Züttel betont, handelt es sich hierbei jedoch nur um eine vorübergehende Strategie, die so lange eingeführt wird, bis die Nachfrage nach Wasserstoff und die Infrastruktur für seine Verteilung geschaffen sind. "Wenn wir anfangen, viel Wasserstoff zu verwenden, kann es sich nur um erneuerbaren Wasserstoff handeln. Jede andere Lösung würde nicht wirklich Sinn machen".