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Aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht nur Wasser, kein CO2. Wasserstoff kann ein wichtiger Energieträger in einer CO2-freien Zukunft werden. Wie ist es aber heute, im Jahr 2021?
Woher kommt der Wasserstoff?
Wasserstoff finden wir hauptsächlich gebunden mit Sauerstoff (H2O) in der Form von Eis, Wasser und Wasserdampf. In der Luft ist der Anteil von ungebundenem Wasserstoff (H2) sehr gering.
Molekularer Wasserstoff (H2) muss also hergestellt werden. Heute wird Wasserstoff vor allem aus Erdgas gewonnen. Dabei entsteht sogar noch mehr CO2 pro kWh Wasserstoff (0.2 - 0.3 kg/kWh) als bei der Verbrennung von Erdgas (0.18 kg/kWh). Es gibt Versuchsanlagen, in denen das CO2 einsammelt wird, was auch bei fossilen Kraftwerken in Pilotversuchen ausprobiert wird. Wie gut das funktioniert und was das kostet ist noch nicht geklärt. Daneben gibt es noch viele andere Verfahren zur Wasserstoffherstellung, die hier nicht vertieft werden. Eine schöne Lösung ist die Elektrolyse, die wir aus dem Schulunterricht kennen. Mit Elektrizität wird Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgeteilt. Gute Anlagen benötigen für 1 kg Wasserstoff 50 kWh elektrische Energie, was einen Wirkungsgrad von 66 % bezogen auf den Heizwert von Wasserstoff ergibt.
Die grosse Frage ist: Von wo kommt die elektrische Energie zur Wasserstoffherstellung? Wenn sie aus erneuerbarer Energie (Wasserkraft, Windkraft, Photovoltaik, Biogas usw.) kommt, dann ist sie offiziell CO2-frei. Man könnte also eine grosse Photovoltaikanlage bauen und damit Wasserstoff herstellen. Würde man den Strom aber ins Stromnetz einspeisen, reduziert man direkt den CO2-Ausstoss der aktuell produzierenden fossilen Kraftwerken, die automatisch etwas zurückfahren.
Wir beeinflussen also durch jede Stromeinspeisung und jeden Strombezug die Leistung der regulierbaren Kraftwerke, welche derzeit im europäischen Stromnetz vorwiegend fossile Kraftwerke sind. In der Schweiz wird das Stromnetz über Wasserkraftwerke mit Speicherseen reguliert. Wenn die zurückgefahren werden, dann haben sie für später mehr Energiereserve, welche dann nicht aus dem Ausland mit fossilen Kraftwerken gedeckt werden muss. Es kommt also schlussendlich auf das Gleiche heraus.
Schon heute hat erneuerbare Energie einen grossen Anteil an der europäischen Stromproduktion und dann sind auch noch einige CO2-freie Kernkraftwerke in Betrieb. Mit den aktuellen Produktionsdaten der verschiedenen Kraftwerke und Hochrechnungen rechnet man für jede Viertelstunde einen "CO2-Emissionsfaktor des Strommix" aus. Mit diesem Wert kann man den CO2-Anteil von Wasserstoff auch bestimmen, je tiefer er ist, desto besser.
Schlussfolgerung: Heute (2021) verursacht die Wasserstoffherstellung noch viel CO2. Das gleiche gilt auch für den Batteriestrom in Elektrofahrzeugen.
Eine spezielle Situation herrscht bei Starkwind, wenn im Norden die Windkraftwerke wegen mangelnder Kapazität im Übertragungsnetz abgeregelt werden. Dann könnte man dort CO2-freien Wasserstoff herstellen.
In Zukunft muss aber mehr erneuerbare Elektrizität produziert werden, als gebraucht wird. Wenn die Batterien voll sind, kann überall CO2-freier Wasserstoff produziert werden, bevor die Erneuerbaren abgeregelt werden.
Fakten zum Wasserstoff
In einem Kilogramm Wasserstoff stecken rund 33 kWh Energie, das ist etwa das Dreifache von Benzin. Wenn man den entstehenden Wasserdampf kondensiert, kommen 6 kWh Wärme dazu, was einen Brennwert von 39 kWh/kg ergibt. Dieser spielt aber nur für Heizzwecke eine Rolle.
Wasserstoff ist sehr leicht, es ist das leichteste Gas. Ein Kubikmeter Wasserstoff ist bei 0 °C und Normaldruck rund 90 Gramm schwer, Luft hat 1300 Gramm pro m³. Ein Kubikmeter Wasserstoff hat einen Heizwert von 3 kWh. Erdgas hat 10 kWh/m³, ist aber 8-mal schwerer und nicht CO2-frei.
Für eine grössere Energiemenge pro Volumen gibt es folgende Möglichkeiten:
- Verflüssigung auf - 254 °C ergibt 70 Gramm/Liter und 2.3 kWh/Liter (ohne Behälter). Benzin hat etwa 9 kWh/Liter. Damit der Wasserstoff im vakuumisolierte Behälter flüssig bleibt, wird er durch eine geringe Menge laufend verdampfenden Wasserstoff gekühlt. Dieser Wasserstoff ist dann verloren und macht die Umgebung explosiv. Wenn man den Behälter abdichtet, erhöht sich mit der Zeit der Druck auf unzulässige Werte.
- Komprimierung auf 700 bar ergibt 40 Gramm/Liter und 1.3 kWh/Liter (ohne Behälter). Behälter für Wasserstoffgas sind schwer dicht zu kriegen.
- Einlagerung an andere Stoffe wie zum Beispiel Metallhydride.
- Chemische Bindung mit CO2 ergibt Brennstoffe wie Methan oder Methanol. Dann hat man zwar kein Wasserstoff mehr, aber ist CO2-frei wenn das CO2 aus der Luft kommt.
Schlussfolgerung: Speicherverfahren für Wasserstoff sind aufwendig und erfordern zusätzlichen Energieaufwand. Sie führen aber in eine CO2-freie Zukunft.
Erneuerbare Energie ist nicht ganz CO2-frei. Herstellung, Unterhalt und Entsorgung der Anlagen verursacht CO2, Stichwort: Graue Energie. Die Gewinnung, Aufbereitung und der Transport von Uran, Kohle, Heizöl, Benzin, Holz, Erdgas usw. verursacht auch CO2. Die Zielrichtung ist weniger CO2.
Anwendungen von Wasserstoff
In der Industrie werden grosse Mengen von Wasserstoff für nicht energetische Anwendungen gebraucht. In diesem Beitrag geht es aber um Energie.
Man kann mit Wasserstoff heizen und es gibt auch Verbrennungsmotoren, die mit Wasserstoff laufen. Wasserstoff ist aber wie gemacht für Brennstoffzellen. Aus Wasserstoff und Sauerstoff (oder Luft) gibt es warmen Wasserdampf (oder heisse feuchte Luft) und Elektrizität, ohne Umweg über einen Generator. Das Tolle ist, dass es Brennstoffzellen im Leistungsbereich von 0.1 bis 300 kW gibt, die heute schon 40 % elektrischen Wirkungsgrad erreichen, wie ein guter Verbrennungsmotor. Weltweit sind Forschungsinstitute und Unternehmen an der Erhöhung des Wirkungsgrades, an der Verlängerung der Lebensdauer und an der Kostenreduktion.
Es ist gut möglich, dass in Zukunft viele Gebäude mit Erdgasanschluss einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle als Heizung haben. Zusätzlich wird noch Strom ins Netz eingespiesen, der dann für Wärmepumpen in andern Gebäuden zur Verfügung steht.