Stromerzeugung

Quelle: zVg

Wasserstoff als Energieträger

Ist Wasserstoff Teil der Lösung zur Energiewende und was sind die Erfolgsparameter? Darauf wird im folgenden Artikel eingegangen. So ist Wasserstoff erst einmal ein Energieträger – ein Stoff also – der geeignet ist, Energie zu transportieren oder zu speichern. Wasserstoff kann aber noch mehr.

Wasserstoff kommt in der Natur gebunden mit Sauerstoff in Form von Wasser vor. Durch Energieaufwand – durch die Elektrolyse – kann Wasser in seine Bestandteile gespalten und Wasserstoff nutzbar gemacht werden. Es braucht also Elektrizität dazu. Der Prozess ist physikalisch nicht reversibel, es wird daher durch den Elektrolyseur auch Entropie, also Wärme erzeugt. Kann die Wärme nicht für andere Zwecke genutzt werden, ist sie verloren und geht als Verlust in die Energiebilanz ein. Wasserstoff ist im Periodensystem der Elemente in der ersten Gruppe und hat die Ordnungszahl 1. Diese Zahl, auch Kernladungszahl genannt, beschreibt die Anzahl Protonen im Atomkern und ordnet somit die Elemente nach ihren Massen. Wasserstoff ist also das leichteste Element, das es gibt. Er ist unter Normalbedingungen flüchtig und nimmt sehr viel Volumen ein. Um Wasserstoff transportieren und lagern zu können, muss er sehr stark komprimiert werden. Je nach Anwendung ist eine 350-fache bis 1000-fache Verdichtung erforderlich. Auch dieser Prozess ist nicht umkehrbar. Es entsteht abermals Entropie, also Wärme, die ungenutzt als Verlust hingenommen werden muss. Ausserdem ist die Dichte von Wasserstoff bei doppeltem Druck nicht gleich doppelt so hoch. Ein Beispiel: Wird Wasserstoff von 350 auf 700 bar erhöht, hat man im selben Tank nicht doppelt so viel Wasserstoff, sondern nur etwa 67 % mehr (siehe Abb. 1)

Kinetische Energie

Jetzt hat der Wasserstoff also nicht nur chemisch gespeicherte Energie, sondern eben auch kinetische Energie durch die Druckbeladung. Diese kinetische Energie wird nur für die Lagerung und den Transport benötigt, damit der Energieträger etwas handlicher wird. Für die Funktion als Energieträger hat sie keine Bedeutung.

Je nach Anwendung wird der Wasserstoff nun mit Fahrzeugen an den Nutzungsort, zum Beispiel Tankstellen, geführt. Diese Transportenergie ist auch graue Energie. Alternativ kann der Wasserstoff über ein Leitungsnetz transportiert werden. Dabei entsteht an den Abnahmestellen ein Druckverlust.

Wird der Wasserstoff an den Tankstellen auf einen Tank im Fahrzeug umgeladen, entsteht ebenfalls ein Druckverlust, bis hin zur eigentlichen Energienutzung ist der gesamte am Anfang durch Kompression erzeugte Druck wieder neutralisiert. Die gesamte Kompressionsenergie ist also Grauenergie, die nicht weiter genutzt werden kann.

Netzkostenbeitrag sparen

Da der Strom, sobald er in ein Netz eingespeist wird, auch einen Netzkostenbeitrag enthält, ist er teurer, wenn er an einer Tankstelle verbraucht wird. Es ist günstiger, den Elektrolyseur bei einem Kraftwerk zu installieren, um den Netzkostenbeitrag zu sparen und dafür mit dem Lastwagen den Wasserstoff zu transportieren. In der Tat sind die Wasserstoffproduktionsanlagen der Firma greenH2 AG im Kraftwerk Birsfelden und eine gemeinsame Produktionsanlage mit der Eniwa AG und der greenH2 im WKW Aarau und jene von Hydrospider im WKW Niedergösgen. Über die Kosten des Strassentransports gegenüber den Netzkosten will sich Hydrospider AG nicht äussern. Die Wärme wird nicht genutzt.

Um den Wasserstoff wieder in Strom umzuwandeln wird eine Brennstoffzelle benötigt. Auch bei dieser Umwandlung entsteht Entropie, also Wärme in der Grössenordnung von etwa 40 %. Wird diese Wärme nicht gebraucht, geht auch diese Energie verloren. Technische Prozesse wie auch alle diese Umwandlungsprozesse entlang der Wasserstoffnutzung sind nicht reversible und erzeugen daher viel Wärmeverluste.

Der Energie Sorge tragen

Wenn die gesamte Energie im Überschuss durch die Sonne oder Wind erzeugt wird, spielt das ja keine Rolle. Den Wasserkraft müssen wir hingegen in dieser Betrachtung ausschliessen, da diese Energieform einerseits auch einer Speicherfunktion nachkommen soll und zudem gerade deshalb in Zukunft zu einer knappen Ressource wird, denn der Klimawandel führt unweigerlich zum Verlust sämtlicher Gletscher und Firne. Das ist auch einer der Gründe, warum die Kapazität von Stauseen erhöhtwird bzw. in Zukunft noch erhöht werden muss.

Überschuss wird in einem effizienten Wirtschaftssystem durch den Markt vermieden, da sonst Opportunitätskosten entstehen würden. Daher wird der Markt ohne Regulation keinen wesentlichen Überschuss an erneuerbaren Energien erzeugen. Verhindern nun gerade jene Kreise, die Wasserstoff pushen wollen, den massiven Ausbau von PV aktiv und passiv weiter, sieht es nicht gut aus für H2 als Energieträger. Im Vergleich kann Strom mit sehr viel weniger Verlust transportiert werden. Hier fallen europaweit gerade einmal 6 % an. Beim Transport von H2 gehen 6 % (nicht wie bei Erdgas 1 %) verloren.

Wasserstoff kann aber auch durch eine weitere Umwandlung zu Methan verarbeitet werden, indem CO2 zugegeben wird. Methan ist ähnlich wie Erdgas und kann dieses Gas in der Industrie ersetzen, da dort oft hohe Prozesstemperaturen benötigt werden, die mit Wärmepumpen nicht wirtschaftlich erreicht werden. Das ist vernünftig, vorausgesetzt genügend Strom aus Photovoltaik und Windkraft wird erzeugt. Wenn das nicht der Fall ist, wird einfach weiterhin klimaschädliches Erdgas eingeschleust und das Ganze für grün statt braun verkauft. Denn aus Erdgas kann auch Wasserstoff hergestellt werden.

Regulatorien

Da viel Wärme in all den Prozessschritten entsteht, sollten die Produktionsanlagen (Elektrolyseure) eben nicht bei den Wasserkraftwerken, sondern dort stehen, wo die Wärme gebraucht wird und zudem auch die Lastwagen betankt werden können. Wieder einmal zeigt sich, dass der Strassentransport viel zu billig ist. Zwar deckt der Schwerverkehr die direkten Kosten (ohne externe Kosten) zu 90 %, wie der Branchenverband ASTAG rechnet, dennoch ist die Energie zu billig, damit sich die Energieeffizienz durchsetzt. Der Markt und seine unsichtbare Hand, wie er gerne immer wieder gebetsmühlenartig zitiert wird, regelt das leider nur unzureichend. Letztlich ist auch der fast schon religiöse Glauben an die Selbstregulierung und Eigenverantwortung der Wirtschaft ein auptgrund, dass jegliche Bemühungen seit mehr als 30 Jahren scheitern.

So gesehen sind wirksame, schlanke und unbürokratische Regulatorien keineswegs wirtschaftsfeindlich, sondern sie bieten im Gegenteil neue Chancen, wenn rechtzeitig alte überholte Dogmen abgeworfen werden. Denn Power2Gas hat durchaus einen wichtigen Stellenwert in der zukünftigen Energieversorgung, aber dazu muss das Greenwashing noch verschwinden.