Die Zukunft hängt am Wasserstoff

Er ist ein farbloses Gas. Trotzdem ist die Rede vom grauen, grünen, blauen und türkisen Wasserstoff. Obwohl es ungebundenen Wasserstoff ls Rohstoff auf der Erde nicht gibt, gilt er als Hoffnungsträger, der Energieversorgung und Klimaschutz versöhnen kann. Es wird kein leichter Weg in das Wasserstoffzeitalter. Von Prof. Dr. Peter Schönfeld

folgt uns für weitere News

Am Anfang war der Wasserstoff“, so lautet der Titel eines populärwissenschaftlichen Buches von Hoimar von Ditfurth. Mit einer in den Siebzigern des letzten Jahrhunderts ausgestrahlten Wissenschaftssendung („Querschnitt“) hat er Fernsehgeschichte geschrieben. Wegen des damals noch großen öffentlichen Interesses an der Wissenschaft wurde die Sendung ein „Straßenfeger“. Aufzuklären über Pseudo- und Grenzwissenschaften war eines ihrer Anliegen. Mit einem scheinbar für die Astrologie werbenden Thema („Die Sterne lügen nicht“) hatte er in Astrologenkreisen einen Tsunamie ausgelöst. Abgesehen von üblen Beschimpfungen („Neanderthaler“, „Ignorant“ und „blanker Materialist“) wurde der ZDF-Indendant aufgefordert: „Kürzen Sie ihm sein Honorar, weil er die Gebührenzahler liederlich informiert“ und die Aufzeichnung der Sendung sicherzustellen, „zwecks Überführung des Täters“ (Der Spiegel, Nr. 8/1978). Tatsächlich musste sich der Mainzer Staatsanwalt in der Folge mit Strafanzeigen wegen Betrugs, Untreue und Beleidigung beschäftigen. Dazu muss man wissen, dass in dieser Zeit die Hälfte aller Bundesbürger der Astrologie hörig waren und mit dieser geschätzte 50 Millionen DM umgesetzt wurden.

Aber, warum war nun der Wasserstoff am Anfang? Nach Überzeugung der Kosmologen beginnt seine Geschichte mit dem Urknall vor rund 15 Milliarden Jahren. Nachdem sich das gebildete Universum auf 3000°C abgekühlt hatte, konnten sich die Protonen, Neutronen und Elektronen in der „Ursuppe der Elementarteilchen“ zu Atomen vereinigen. Das Ergebnis war eine Gaswolke, die zu drei Vierteln aus Wasserstoff und zu einem Viertel aus Helium bestand.

Ein Winzling als Schwergewicht

Heute ist der Wasserstoff in aller Munde. Er gilt als der Hoffnungsträger angesichts unserer Ängste um den Zustand der Atmosphäre. Der Engländer Cavendish entdeckte ihn 1766 in Gestalt von kleinen, brennbaren Gasblasen, als er Säuren mit unedlen Metallen zusammenbrachte. Laurant Antoine de Lavoisier, ein Begründer der modernen Chemie und berühmtes Opfer der Französischen Revolution, charakterisierte ihn als Bestandteil des Wassers und taufte ihn auf den Namen hydro-gène (griechisch: hydro = Wasser; genes = erzeugend). Im Periodensystem der Elemente steht Wasserstoff an erster Stelle. Seiner Leichtigkeit wegen hatte ihn Graf Zeppelin einst für den Bau der Luftschiffe eingesetzt. Im Chemieunterricht haben wir seine temperamentvolle Vereinigung mit dem Sauerstoff als Knallgasreaktion kennengelernt. Die dabei freiwerdende Energie soll das Fundament unserer zukünftigen Energiewirtschaft werden, denn der auf die Masse des Wasserstoffs bezogene Energiegehalt (141,8 MJ/kg) ist 3mal größer als der des Benzins.

Auch unsere Körperzellen nutzen die (enzym-vermittelte) Knallgasreaktion, denn ohne Energie gibt es kein Zellleben. Deshalb sind wir so süchtig nach Sauerstoff. 15000 L Luft muss der Durchschnittsmann (49 Jahre, 1,79 m, 82 kg) täglich für den Betrieb der Knallgasreaktion einatmen. In seinen Zellen verbrennen kleine Kraftwerke (Mitochondrien) den Wasserstoff völlig geräuschlos und bilden dabei die Energie, die das Zellleben braucht. Quelle des Wasserstoffs sind die Fette und Kohlenhydrate in der Nahrung.

Leider gibt es keinen Wasserstoff auf der Erde. Aber, als Bestandteil des Wassers ist der Wasserstoff der häufigste Stoff auf unserem Planeten. Der im Wasser enthaltene Sauerstoff wurde in den Sternen gebildet (wie auch alle anderen schweren Elemente) und als Wolke in den Weltraum geschleudert. Den Rest besorgte der interstellare Staub, der den Gaswolken-Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser vereinte. Schlussendlich kam das Wasser wahrscheinlich in Gestalt von Eismeteoriten auf die Erde, was u. a. der hohe Eisgehalt der Kometen nahelegt.

Obwohl es den Wasser-Wasserstoff in gigantischen Mengen auf der Erde gibt, ist er im Wasser nur in „verbrannter Form“ enthalten. Durch die Vereinigung mit dem Sauerstoff hat er sein einziges Elektron an diesen verloren, was in der Sprache der Chemiker Oxidation heißt. Der Wasserstoff im Wasser entspricht somit dem Kohlenstoff im Kohlendioxid. Um wieder Wasserstoff zu werden, muss die „Ehe“ mit dem Sauerstoff geschieden werden. Das geht zwar leicht mit unedlen Metallen, die dem Wasserstoff im Wasser das Elektron zurückgeben und danach als Ionen in der Tiefe des Wasser verschwinden. Für die indus- trielle Wasserstoffherstellung ist das aber kein praktikables Verfahren. Erst mit der Erfindung der Volta´schen Säule (der Vorläufer unserer heutigen Batterien) wurde vor rund 200 Jahren die Tür für die Gewinnung des Wasserstoffs aus dem Wasser aufgestoßen. In dieser Goldgräber-Zeit der Elektrochemie entdeckte man die Zerlegung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe dieser Gleichspannungsquelle (Elektrolyse). Hochgradig beeindruckt von der Elektrolyse des Wassers und beseelt vom Fortschrittsglauben des 19. Jahrhunderts schrieb Jules Verne 1874 („Die geheimnisvolle Insel“): „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“ Damit ist der Romancier der Sience-Fiction-Literatur auch zum Visionär des grünen Wasserstoffs geworden. Grün darf der Wasserstoff aber nur dann genannt werden, wenn die Quelle für den elektrischen Strom der Wind, die Wasserkraft oder die Sonne ist. Deshalb bezeichnet man diese Art der Herstellung auch als „Power-to-Gas“.

Aktueller Ausdruck der heutigen Wasserstoff-Euphorie ist die von der Bundesregierung kürzlich verabschiedete Nationale Wasserstoffstrategie (NWS). Danach soll der Wasserstoff vorrangig in der Chemieindustrie (Ammoniak, Methanol), Logistik (Containerschiffe, Fernbusse, Züge) und für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe (Power Fuels) eingesetzt werden. Der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff für das Brennstoffzellen-Auto erscheint zunehmend als Alternative zum Batteriebetrieb des Autos. So hat ein Brennstoffzellen-Auto eine deutlich größere Reichweite (etwa 750 km) und lässt sich auch schneller betanken. Andererseits wird grüner Strom bei einem Batterie-Auto mit einem höheren Wirkungsgrad (69 %) als bei einem Brennstoffzellen-Auto (32 %) in Bewegung umgesetzt (Süddeutsche Zeitung vom 20.02.2020). Dieser Vorteil des Batterie-Autos scheint allerdings durch den großen Kohlendioxid-Rucksack bei der Herstellung der Batterie verwässert zu werden. Kalifornien hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, bis 2030 rund eine Million Fahrzeuge mit Wasserstoff auf die Straße zu bringen.

Interessant ist der Elektrolyse-Wasserstoff auch als Stromspeicher, denn mit großen Brennstoffzellen kann der grüne Wasserstoff bei Bedarf rückverstromt werden und so die schwankende Ökostromproduktion puffern. Auch grüner Stahl ist auf der Agenda. Wie soll das gehen? Durch den Austausch der bisher üblichen Kohlenstaub-Befeuerung der Hochöfen gegen Wasserstoff würden diese Hochöfen als Kohlendioxid-Dreckschleudern verschwinden.

Grau gegen grün

Heute hat der produzierte Wasserstoff noch zu über 95 Prozent eine graue Herkunft. Grau wird er genannt, weil an seiner Herstellung Kohle oder Erdgas beteiligt sind. Im 19. Jahrhundert war das aus Kohle und Wasser hergestellte Kohlegas ein verbreiteter Energieträger. Mit dem in Gasometern gespeicherten Gas konnte nahezu jeder Winkel in einer Stadt mit Energie versorgt werden. Die noch vorhandenen, ausgedienten Gasometer gelten heute als Kathedralen der Industriekultur und ziehen als Panometer Einheimische und Touristen in Scharen an. Wegen des tödlichen Kohlenmonoxids im Gas war dieses auch für Selbstmörder von Interesse. Als in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts das Kohlegas durch Erdgas ersetzt wurde, taugte es nicht mehr für den Suizid.

Grauer Wasserstoff wird heute überwiegend durch Dampfreforming von Erdgas hergestellt. Dieses Verfahren lässt sich am Bild eines Tannenzweigs veranschaulichen. Die Nadeln stehen für die Wasserstoffatome der Kohlenwasserstoff-Ketten im Erdgas. Beim Reforming werden die Nadeln abgestreift, es bleibt eine nackte Kohlenstoffkette übrig, die leider zu Kohlendioxid wird. Eine Tonne des so hergestellten Wasserstoffs hat 10 Tonnen Kohlendioxid im Schlepptau. Deshalb kann der graue Wasserstoff keine Säule in einer klimaneutralen Energiewirtschaft sein. Nun gibt es Pläne, den Kohlendioxid-Rucksack des grauen Wasserstoffs zu verkleinern. Das Ergebnis ist blauer und türkisfarbener Wasserstoff. Grauer Wasserstoff wird „blau“, wenn das Kohlendioxid separat gespeichert wird, was natürlich den Wasserstoff verteuert. Dieser Weg wird vermehrt in Norwegen beschritten, weil dort durch die jahrzehntelange Förderung von Erdgas und Erdöl große unterirdische Einlagerungskapazitäten entstanden sind. Von türkisem Wasserstoff wird dann gesprochen, wenn dieser durch „Feuerspaltung“ von Methan (Pyrolyse) gewonnen wird. Dabei entsteht leicht einzulagernder fester Kohlenstoff. Allerdings ist die Kohlendioxid-Neutralität bei der Pyrolyse nur dann gewährleistet, wenn dafür ausschließlich erneuerbare Energie eingesetzt wird. Gegenwärtig wird darüber gestritten, wie bunt zukünftig der Wasserstoff sein soll. Deutschland sieht den Schwerpunkt des grünen Wasserstoffs in der Fahrzeugmobilität, wogegen Brüssel einen generellen Einsatz in der Industrie anstrebt.

Hürden zum Wasserstoffzeitalter

Grüner Wasserstoff ist noch sehr teuer. Selbst der an sonnigsten und windigsten Tagen hergestellte grüne Wasserstoff kostet zehnmal so viel wie russisches Erdgas. Abgesehen von der bisher geringen Elektrolyse-Kapazität in Deutschland erfordert mehr grüner Wasserstoff mehr Ökostrom. Ursprünglich dachte man daran, Ökostrom aus marokkanischen Solaranlagen zu importieren. Diese Pläne haben sich inzwischen zerschlagen. Jetzt soll grüner Wasserstoff in Nordafrika produziert werden und von dort nach Deutschland kommen.

Weil Wasserstoff 15mal leichter ist als Luft, kann nur wenig Masse in verpresster Form transportiert werden. So befördert ein mit Stahlflaschen beladener 40-Tonnen-Laster nur etwa 300 kg Wasserstoff. Ein Transport als flüssiger Wasserstoff ist auch keine Lösung, denn Wasserstoffgas wird erst bei -253°C flüssig und die anfallenden Kühlkosten betragen mindes-tens 30% der Herstellungskosten. Wasserstoff hat aber auch die Eigenschaft sich an bestimmte Metalle unter Bildung von Metallhydriden zu binden. Vielleicht kann er auch einmal so, zumindest in geringen Mengen, transportiert werden? Aktuell erscheint aber nur der Transport von Wasserstoffgas in Rohrleitungen effektiv. Auf diese Weise soll in Nordafrika hergestellter grüner Wasserstoff per Pipeline nach Deutschland kommen. Dort stehen für die Weiterleitung 50.000 km Erdgas-Hochdruckleitungen bereit.

Bisher ist die Nachfrage nach grünem Wasserstoff noch viel zu gering und der für die Elektrolyse eingesetzte Ökostrom zu teuer. An Letzterem hat auch Schuld, dass der grüne Elektrolysestrom noch durch eine Umlagesteuer des Erneuerbare Energie-Gesetzes (EEG) belastet ist. Damit aber grüner Wasserstoff keine dauersubventionierte Luxusenergiequelle bleibt, müssen in den nächsten Jahren in Europa nach einer Studie der Beratungsfirma EnergyComment die Preise für den Elektrolyse-Wasserstoff von derzeit 1.500 bis 500 Euro pro kW auf unter 200 Euro pro kW fallen. Erst dann bekäme Cyrus Smith, Offizier des Amerikanischen Bürgerkrieges und genialer Ingenieur in Jules Vernes „Geheimnisvoller Insel“ recht, dass Wasserstoff eine große Zukunft als Energieträger hat.

Vielleicht gefällt dir auch