Wasserstoff – Universal-Energieträger der Zukunft?

Unter dem Eindruck des CO2-Problems ist eine alte Thematik wieder aus der Versenkung aufgetaucht, die schon anlässlich der Erdölkrise von 1973 die Schlagzeilen fütterte: Wasserstoff. Und erneut beflügelt dieses auf unserem Planeten in unbeschränkten Mengen verfügbare Element die Phantasie von Politikern und Anlegern. So lässt die Energiemarkt-Forschungsstelle NEF von Bloomberg verlauten, dass die Weltbevölkerung bis zur Deadline des Pariser Klimaabkommens von 2050 einen Viertel ihres Energiehungers mit H2 decken könnte. Und gemäss den Prognosen des „Hydrogen Council“ – einer Gemeinschaft, die die Interessen der Wasserstoffwirtschaft bündelt – wird der jährliche Wasserstoff-Gesamtumsatz bis zur Mitte des Jahrhunderts die stolze Summe von 2´500 Milliarden Dollar erreichen. Hier ist einige Skepsis angebracht. Denn nach dem heutigen Stand der Dinge wird sich die Wasserstoffwirtschaft nur auf der Basis extrem hoher Subventionen und/oder sehr hoher CO2-Abgaben etablieren können. Und hier dürfte ihre Zukunft in wesentlichem Masse davon abhängen, ob sie gegenüber der pyrolytischen CO2-Neutralisation der fossilen Energieträger bei einem geschätzten Kompensations-Aufwand von 50 CHF pro Tonne CO2 bzw.15 Rappen pro Liter Diesel-Äquivalent wirtschaftlich zu bestehen vermag. Diese Relation erscheint noch in keiner Renditeschätzung von Personen und Entitäten, die sich heute schon mit der Wasserstoff-Thematik reich rechnen.

Man erinnert sich: Anlässlich der Erdölkrise von 1973 kam unvermutet der Begriff „Wasserstoff“ ins Spiel. Mit dem Einsatz dieses Energieträgers – so unkten manche Gazetten und Kommentatoren – werde man den Ölbaronen eine lange Nase drehen, eine valable Alternative zum Erdöl schaffen und so vom Erdöl unabhängig werden können. Mit dem Ende der Krise, die nicht eine Versorgungs-, sondern vielmehr eine Polit- und Handelskrise war, verschwand der Begriff fast ebenso schnell von der Bildfläche, wie er gekommen war. Vier Jahrzehnte später tauchte der Hype von damals wieder aus der Versenkung auf – diesmal als Joker in der Klimadiskussion. Konkret: Als idealer klimaneutraler Energieträger, der das CO2-Problem zu lösen verspricht. Und wiederum trifft die Wasserstoffwirtschaft an der Börse auf grosses Interesse. 

Doch was ist real davon zu halten? Um nicht wieder den gleichen Illusionen zu erliegen wie damals, empfiehlt es sich, die Sache nüchtern und vor allem in ihren ökonomischen Zusammenhängen und diese wiederum in Relation zur aktuell dominanten Kohlenstoffdioxid-Frage zu betrachten. Bei der Beurteilung dieser Frage dürfte die CO2-Neutralisierung fossiler Brenn- und Treibstoffe mittels Biopyrolyse – wie sie in der vorliegenden Publikation beschrieben wird und wie sie bislang noch kaum jemand von den euphorischen Promotoren der Wasserstoffwirtschaft in Betracht gezogen hat – unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit eine absolut dominierende Rolle spielen. Die massgebliche Referenzgrösse ist dabei der Liter CO2-kompensierten Dieselöls oder Kerosins, der sich mit einem Zuschlag von ca. 15 Rappen oder Cents auf den Gestehungs- bzw. Verkaufspreis rechnet. Stellt sich somit die Frage, ob hier der Wasserstoff technisch und wirtschaftlich mithalten kann.

Dabei stehen zwei Aspekte im Vordergrund: Erstens darf es sich bei diesem Wasserstoff nur um sogenannt „grünen“ handeln – d.h. solchen, der nicht aus fossilen Energieträgern gewonnen wird und für dessen Herstellung keine oder nur marginale CO2-Mengen freigesetzt werden. Und zweitens muss er sich ohne politisch gesteuerte Marktverfälschungen rechnen, denn Markterfolge, die primär auf staatlicher Förderung und Unterstützung gründen, sind tendenziell auf Sand gebaut und haben langfristig eine eher düstere Prognose. Hier stellen sich der Sache denn auch bereits erste Hürden in den Weg. Denn „grüner“ Wasserstoff ist vergleichsweise teuer – selbst solcher, der mittels Elektrolyse aus überschüssiger elektrischer Energie hergestellt wird.

Immerhin sind hier Mischrechnungen denkbar – insbesondere dort, wo es um den Eintrag von „Flatterstrom“ aus unregelmässig fliessenden Wind- oder Fotovoltaik-Quellen geht und wo Produktionsüberschüsse zur Erhaltung der Netzwerkstabilität sofort abgeführt werden müssen. Derzeit aber wird Wasserstoff aus Gründen der Versorgungssicherheit und einer zuverlässigen Kalkulationsbasis vor allem aus Erdgas gewonnen – unter Inkaufnahme der damit einhergehenden CO2-Freisetzung. Fachleute, die sich bislang zur Thematik vernehmen liessen, wiesen deshalb fast ausnahmslos darauf hin, dass eine Wasserstoffwirtschaft noch auf lange Zeit hinaus nur unter der Voraussetzung hoher Subventionen oder entsprechender Querfinanzierungen aufgebaut werden könne.

Die Biopyrolyse dürfte entsprechenden Projekten wohl über kurz oder lang einen ordentlichen Strich durch die Rechnung machen. Hier stellt sich denn auch zunächst einmal die Frage, ob es überhaupt wirtschaftlich sei, Wasserstoff durch Elektrolyse aus überschüssigem Strom herzustellen, auch wenn dieser aus den genannten Gründen zum Nulltarif zu haben sei. Falls ja, könnte es auch eine interessante Option sein, Wasserstoff aus speziellen Solarfarmen in Wüstengebieten oder im Hochgebirge zu gewinnen, bei welchen das Gas als Nebenprodukt zur besseren Auslastung der Gesamtanlage zu betrachten wäre. Eine andere interessante Möglichkeit könnte die Herstellung von Wasserstoff aus gentechnisch veränderten Algen mittels spezieller Bioreaktoren bieten – sofern es dereinst gelingen sollte, Algen mit dieser Eigenschaft zu züchten und zu bewirtschaften. Weitere Quellen könnten sich auch im Bereich der Abfallbewirtschaftung oder neuartiger biochemischer Prozesse bieten. Stets wird dabei jedoch die preisliche Konkurrenzfähigkeit eine dominante Rolle spielen.

Die wirtschaftliche Herstellung ist jedoch nur eines von mehreren Problemen, welche es zur erfolgreichen Implementierung einer lebensfähigen und nicht auf Dauer am staatlichen Tropf hängenden Wasserstoffwirtschaft zu lösen gilt. Ein anderes ist die adäquate Lagerung und der Transport des Gases. Hier bietet sich zwar die Verflüssigung oder Verdichtung und Speicherung in Druckgefässen an. So kann Wasserstoff beispielsweise auch tiefgekühlt oder mit 700 bar verdichtet werden. Diese Verfahren sind jedoch nicht nur sehr aufwändig, sondern auch ausgesprochen energieintensiv. Ausserdem sind sie mit erheblichen Sicherheitsrisiken verbunden. So hat die Planung von Wasserstoff-Tankstellen schon mancherorts zu heftigen Reaktionen bei der ansässigen Bevölkerung geführt.

Bedeutend günstiger dürfte es demgegenüber sein, Wasserstoff durch Hydrierung oder Reaktion mit anderen Stoffen in eine flüssige Form zu bringen. Hier hat sich vor allem die Fraunhofer-Gesellschaft mit zwei Neuentwicklungen hervorgetan, die das Handling und die Nutzung des Stoffs vereinfachen und zugleich sicherer machen könnten. Die eine der beiden Methoden besteht darin, elektrolytisch erzeugten Wasserstoff nach dem sogenannten „Power-to-Liquid-Prinzip“ durch Reaktion mit Kohlenstoffdioxid in Methanol umzuwandeln – in einen Flüssig-Energieträger, der sich wie Benzin oder Diesel leicht transportieren und lagern lässt.

Die Herstellung von Methanol aus Wasserstoff und CO2 ist indessen nicht nur als Treibstoff-Alternative interessant, sondern auch zur alternativen Deckung der Nachfrage nach einem der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie. Derzeit werden weltweit pro Jahr über 60 Millionen Tonnen Methanol hergestellt, wovon ca. 85 % im indsutriellen Bereich für Sythesen aller Art und als Lösungsmittel verwendet werden. Die restlichen 15 % gelangen als Treibstoffe oder als Kraftstoff-Additive zum Einsatz.

Heute wird Methanol nahezu ausschliesslich mit Gas aus fossilen Quellen hergestellt, wodurch grosse Mengen an CO2 freigesetzt werden. Hier liesse sich – unter der Voraussetzung einer preislichen Konkurrenzfähigkeit unter Einrechnung einer CO2-Recycling-Entschädigung von 15 Cent pro Liter Diesel-Äquivalent oder von 5 Cent pro Kilogramm CO2 – durch eine Umstellung der Produktion dieses wichtigen Grundstoffs sowohl im Bereich der industriellen Nutzung wie auch zur Alimentierung von Verbrennungsmotoren eine absolut interessante Alternative zu den herkömmlichen Herstellungs-Verfahren entwickeln. Insbesondere liesse sich so erzeugtes Methanol in modernen Mehrstoff-Verbrennungsmotoren sowohl als Kraftstoff wie auch als Additiv hocheffizienter Treibstoffgemische zur weiteren Optimierung der Verbrennungsqualität in Richtung Stöchiometrie nutzen.

Eine andere bei Fraunhofer entwickelte Möglichkeit für den einfacheren Transport und die Lagerung von Wasserstoff bietet sich mit einem als „Powerpaste“ bezeichneten pastosen Kraftstoff an, der durch die Mischung von Wasserstoff mit Magnesiumpulver bei einer Temperatur von 350°C und fünf- bis sechsfachem Atmosphärendruck entsteht. Diese Paste wird für den Einsatz als Kraftstoff mit Wasser vermischt, wobei in der anschliessenden Verbrennung die eine Hälfte der Wasserstoff-Energie aus der Paste, die andere aus dem Wasser kommt. Die Energiespeicherfähigkeit dieser Paste, die in Wechselkartuschen gelagert wird und so auch zum Einsatz gelangt, wird von ihren Entwicklern als „enorm“ bezeichnet: Sie sei wesentlich höher als bei einer 700-bar-Druckflasche und erreiche das Zehnfache einer modernen Autobatterie.

Eine weitere Art der Wasserstoff-Speicherung wurde an der Universität Erlangen entwickelt, wo man intensiv nach geeigneten Trägermaterialien für die Nutzung des Liquid Organic Hydrogen Carrier-Prinzips (LOHC) forscht. LOHC sind flüssige organische Trägerstoffe, die mit H2 hydriert werden und so den Wasserstoff in eine flüssige Form bringen. Beim Trägermaterial handelt es sich um ein reines Speichermedium, welches sich nahezu beliebig oft mit Wasserstoff aufladen und auch wieder entladen lässt.

Die in diesem Projekt engagierten Forscher der Uni Erlangen haben für diesen Zweck Dibenzyltoluol als günstigsten Trägerstoff definiert. Er ist ungiftig, umwelttechnisch unproblematisch und bleibt zwischen minus 34 und plus 360°C flüssig, d.h. er ändert zwischen diesen beiden Temperaturstufen seinen Aggregatszustand nicht, was für den Gebrauch im Bereich der Verkehrsmittel-Antriebe grosse Vorteile bietet. Die Aufladung des Trägers mit Wasserstoff erfolgt in einem speziellen „Hydrierer“, die Entladung vor Ort mittels eines „Dehydridier-Geräts“, welches die Abwärme des Motors für den Prozess der Freisetzung des gespeicherten Wasserstoffs nutzt. Der Wasserstoff lässt sich somit in einem Mehrstoff-Verbrennungsmotor problemlos nutzen – sei es als Teil eines Treibstoffgemischs oder als Gas mittels einer speziellen Zweistoffdüse.

Während sich bei Transport und der Lagerung von Wasserstoff praktikable Lösungen abzeichnen, ist die Frage der Anwendung zu Antriebszwecken noch weitgehend offen. Ausgehend von der Speicherung von Wasserstoff in Drucktanks räumte man ursprünglich der Brennstoffzellen-Technologie die besten Chancen ein. Dahinter ist jedoch mittlerweile ein grosses Fragezeichen zu setzen, nachdem man hier in den letzten Jahren mit der Entwicklung nicht signifikant weitergekommen ist. Nach wie vor ist das Leistungsvermögen der Brennstoffzellen viel zu gering und ist umgekehrt deren Herstellung viel zu teuer, um mit anderen Systemen mithalten zu können. Die Möglichkeit, fossile Energieträger mittels Biopyrolyse CO2-technisch zu neutralisieren lässt die Zukunftsaussichten der anfänglich so hoch gelobten Brennstoffzellen-Technologie dramatisch dahinschmelzen.

Man darf bei der Beurteilung dieser Zukunftschancen nicht ausser Acht lassen, dass es reichlich blauäugig wäre, Systemvergleiche auf der Basis des aktuellen Stands der Verbrennungsmotoren-Technik anzustellen. Denn diese hat ihr Optimierungspotenzial noch längst nicht erreicht – vor allem deshalb, weil hier wichtige Innovationen als Folge der CO2-Problematik in den letzten Jahren nicht weiter vorangekommen sind. Unter der Voraussetzung, dass die Biopyrolyse-Technologie sich durchsetzt und damit dem Verbrennungsmotor zu einer Renaissance verhilft, dürfte hier dem Hybridmotor einer neuen Effizienz- und Leistungsklasse eine dominante Rolle zufallen.

Unter den verschiedenen technischen Konzepten, die sich heute in der Pipeline befinden und die bloss wegen der politischen Forcierung des Elektroantriebs nicht weiter vorangekommen sind, sei hier ein besonders aussichtsreiches Modell mit bereits erbrachtem Proof of Concept herausgegriffen, welches im Wettbewerb der Kosten/Nutzen-Relationen weit vorne stehen dürfte. Die Rede ist von einem Mehrstoff-Kreiskolbenmotor, der die Kraft direkt auf die Antriebsachse bringt und aus wesentlich weniger Bestandteilen als der Hubkolbenmotor besteht, mit einer reibungswiderstands-freien Zweistoffdüse mit vorgelagerter Mischkammer ausgerüstet ist und sich im voll integrierten Hybrid-Modus fahren lässt. Dieser Motor ist nicht nur signifikant effizienter und kostengünstiger als bestehende Modelle, sondern er lässt sich ausserdem mit einem beliebig zusammengesetzten und vor Ort modifizierbaren Gemisch aus flüssigen und gasförmigen Treibstoffen betreiben.

Fazit: Entgegen der euphorischen Stimmung in manchen Anleger- und Politikerkreisen hat Wasserstoff kaum Chancen, zu einem universellen Energieträger als Alternative zu den fossilen Quellen vorzustossen und diese in grossem Stil abzulösen. Dagegen erscheinen die Chancen intakt, dass Wasserstoff künftig im Rahmen eines grösseren Energie-Mix eine wichtige Rolle spielen kann. So beispielsweise als Flüssigtreibstoff für den Antrieb neuartiger und hocheffizienter Mehrstoff-Hybridmotoren für den terrestrischen, den Wasser- und den Luftverkehr sowie für den industriellen Bereich.