Superkraftstoff?

Veröffentlicht am 24. Dezember 2020, 17:13 Uhr von G. Allen Brooks

(Der Artikel wurde ursprünglich in der September-/Oktoberausgabe 2020 veröffentlicht.)

Wählen Sie eine Farbe – jede Farbe – Blau, Grün, Braun oder Grau. Das sind die Farben, die den verschiedenen Formen von Wasserstoff zugeordnet werden, je nachdem, wie er hergestellt wird. Wasserstoff ist plötzlich zum Supermann der erneuerbaren Energien geworden. Anstatt Metropolis zu retten, muss die Welt vor einer schädlichen Zukunft gerettet werden, die durch übermäßige Kohlenstoffemissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe verursacht wird.

Da wir von der globalen Erwärmung zum Klimawandel und schließlich zur Klimakrise übergegangen sind, ist die Suche nach sauberen Energiequellen immer dringlicher geworden. Einst diente Erdgas als Brennstoff, das halb so viel CO2 ausstößt wie Kohle. Mit 8 bis 12 US-Dollar pro Million Btus verringerte das teure Erdgas den Abstand zur teureren Wind- und Solarenergie.

Diese Kluft vergrößerte sich, als die Schiefergasrevolution die Gaspreise auf unter 2 USD/mmBtu drückte. Umweltschützer wechselten daraufhin von Erdgas zu Wasserstoff als dem sauberen Kraftstoffretter. Damit das Wasserstoffzeitalter tatsächlich beginnen kann, muss der Kraftstoff eine Reihe technischer und wirtschaftlicher Hürden überwinden.

Eigenschaften

Wasserstoff – das chemische Element mit dem Symbol H und der Ordnungszahl 1 – ist das leichteste Element im Universum, 14-mal leichter als Luft und daher für Ballons nützlich. Es ist auch das am häufigsten vorkommende Element und macht 75 Prozent der Masse des Universums aus. „Wasserstoff“ kommt vom griechischen „hydro“, was „Wasser“ bedeutet, und „genes“, was „Schöpfer“ bedeutet – im Grunde „aus Wasser geboren“, also dem, was nach der Verbrennung von Wasserstoff übrig bleibt.

Mit nur einem Proton im Kern ist Wasserstoff das kleinste chemische Element. Es kann auch ohne Neutronen existieren. Die geringe Größe und die geringe Dichte von Wasserstoff stellen Transport- und Speicherprobleme dar. Aufgrund seiner relativ hohen Bindungsstärke ist viel Energie erforderlich (z. B. Elektrolyse), um Wasserstoff in seiner reinen Form zu isolieren, was die Kosten erhöht.

Wasserstoff wurde erstmals 1766 vom großen Experimentalwissenschaftler Henry Cavendish identifiziert. Er erzeugte mit Hilfe eines elektrischen Funkens Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff. Die erste Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie umwandelte, wurde 1838 von Sir William Grove unter Verwendung von Zink- und Platinelektroden entwickelt. Obwohl die Entdeckung 20 Jahre vor Beginn des Erdölzeitalters stattfand, blieb sie auf der Strecke. Die erste kommerzielle Brennstoffzelle wurde fast ein Jahrhundert lang (1932) nicht entwickelt.

Vermarktung

Kommerziell genutzt wurde Wasserstoff erstmals 1792, etwa 25 Jahre nach seiner Entdeckung, bei der Produktion von Kohlegas, dem so genannten „Stadtgas“. Wasserstoff machte fast die Hälfte des Stadtgases aus, das in der Gaslichtära des 19. und frühen 20. Jahrhunderts Straßenlaternen betrieb.

Die vielleicht erstaunlichste Wasserstoffvorhersage fand ihre Erwähnung in Jules Vernes Abenteuerroman „Die geheimnisvolle Insel“ aus dem Jahr 1875, in dem er eine Welt beschrieb, in der „Wasser eines Tages als Brennstoff verwendet wird, wobei der Wasserstoff und der Sauerstoff, aus denen es besteht, einzeln oder zusammen verwendet werden.“ eine unerschöpfliche Wärme- und Lichtquelle von einer Intensität, zu der Kohle nicht fähig ist.“

Verne war in mehrfacher Hinsicht ein Visionär. Das Buch beginnt während des amerikanischen Bürgerkriegs, als fünf Kriegsgefangene einen mit Wasserstoff gefüllten Beobachtungsballon entführen, um zu entkommen. Wasserstoff würde in den kommenden Jahrzehnten zum Auftriebselement werden, das Zeppelin-Luftschiffe anhebt und den transatlantischen Reiseverkehr und die militärischen Taktiken revolutioniert.

Das Zeitalter der Zeppelinreisen endete 1939 mit dem katastrophalen Hindenburg-Unglück in Lakehurst, New Jersey, bei dem 35 Passagiere bei einer spektakulären Explosion und einem Brand ums Leben kamen und die Frage nach der Sicherheit von Wasserstoff aufgeworfen wurde. Wie alle fossilen Brennstoffe ist Wasserstoff leicht brennbar, erfordert jedoch eine Konzentration, die fast dreimal so hoch ist wie die von Benzin, was bedeutet, dass Benzin dreimal brennbarer ist als Wasserstoff.

Wasserstoff verteilt sich auch schnell, wenn ein Leck auftritt, und seine Flammen erzeugen in Abwesenheit von Kohlenstoff nur geringe Strahlungswärme, was bedeutet, dass sie schnell ausbrennen. Was wahrscheinlich am wichtigsten ist: Wasserstoff ist ungiftig und erzeugt bei der Verbrennung in Gegenwart von Sauerstoff nur sauberes Wasser, was ihn zum Treibstoff für die kohlenstofffreie Wirtschaft der Zukunft macht.

Zu seiner Attraktivität kommt noch seine Vielseitigkeit hinzu. Als Gas kann es sowohl die bestehende Erdgaspipeline-Infrastruktur nutzen als auch stromerzeugende Turbinen antreiben. In flüssiger Form kann es als Transportkraftstoff verwendet werden, was die verwirrendste saubere Energielösung im Energiesektor darstellt. Die Elektrifizierung der weltweiten Fahrzeugflotte führt zu Umweltproblemen, vom Abbau seltener Erden bis zur Batterieentsorgung. Als Kraftstoff, der unter Vermeidung oder Minimierung von Kohlenstoffemissionen hergestellt werden kann, ist Wasserstoff viel wünschenswerter.

Die Farbe der Sauberkeit

Die vier Wasserstoffvarianten sind durch die bei der Produktion freigesetzten Kohlenstoffmengen gefärbt. Brauner Wasserstoff wird aus Kohle hergestellt, grauer Wasserstoff aus Erdgas. In beiden Fällen gelangt das CO2 aus dem Produktionsprozess in die Atmosphäre – bei Kohle mehr, bei Gas weniger.

Im Gegensatz dazu wird blauer Wasserstoff aus Erdgas gewonnen, wobei die Emissionen aufgefangen und gespeichert werden. Der ideale Wasserstoff ist grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Kraftstoffen hergestellt wird und bei dem nur Wasser als Emission entsteht.

Europa stellt fest, dass sein aggressiver Vorstoß in Richtung sauberer Energie dazu geführt hat, dass ein erheblicher Überschuss an Wind- und Solarstrom erzeugt wird, wenn dieser nicht benötigt wird, was die Energieversorger dazu zwingt, den Erzeugern den verschwendeten Strom zu bezahlen. Die Fluktuation von Wind- und Solarenergie führt dazu, dass zwei- bis dreimal so viel Stromerzeugungskapazität gebaut werden muss wie nötig, was zu einer Fehlallokation der Investitionen führt. Diese Fehlallokation wird durch die Tatsache verstärkt, dass diese intermittierenden Energiequellen eine Betriebsdauer von nur 15 bis 25 Jahren haben, verglichen mit Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen, die eine Lebensdauer von 40 bis 60 Jahren haben.

Die Kostenherausforderung

Die größte Hürde für Wasserstoff sind die Produktionskosten, insbesondere wenn er umweltfreundlich sein muss. Eine Studie des Hydrogen Council ergab, dass bei einem Importpreis von 3 US-Dollar pro Kilogramm Wasserstoff zum Antrieb von Turbinen die erzeugte Elektrizität etwa 140 US-Dollar pro Megawattstunde (MWh) kosten würde.

Im Vergleich dazu geht eine Schätzung der Stromgestehungskosten aus dem Jahr 2019 davon aus, dass die nicht subventionierten Kosten der kombinierten Stromerzeugung mit Erdgas zwischen 44 US-Dollar/MWh und 68 US-Dollar/MWh liegen, was einem aktuellen Kostenvorteil von 50 bis 70 Prozent gegenüber der hypothetischen Zahl bei der Wasserstofferzeugung entspricht. Wenn der Wasserstoffimportpreis auf 1 US-Dollar pro Kilogramm gesenkt werden könnte, wäre der resultierende Strom preislich konkurrenzfähig mit Strom aus Erdgas und hätte den zusätzlichen Vorteil, dass keine CO2-Emissionen entstehen.

Die Bewältigung der Kostenherausforderung motiviert Unternehmen dazu, mit Projekten zur Herstellung von grünem Wasserstoff mit billigem erneuerbarem Strom zu experimentieren. Diese Experimente zielen auf Offshore-Wind- und Solaranlagen ab, um aus überschüssigem Strom Wasserstoff herzustellen. Der Wasserstoff würde gespeichert und dann zur Stromerzeugung genutzt, wenn die erneuerbaren Energiequellen nicht in der Lage sind, Strom zu liefern.

Alternativ könnten diese Anlagen Wasserstoff zu geringeren Kosten produzieren, indem sie den verschwendeten Strom nutzen und ihn in das Gasleitungsnetz des Kontinents einspeisen. Es könnte auch in flüssiger Form geliefert werden, um den Transportsektor anzutreiben. Es gibt Pläne, ein Netzwerk von Lager- und Betankungsanlagen für flüssige Kohlenwasserstoffe entlang der großen Flüsse Europas zu schaffen, das mit Brennstoffzellen ausgestattete Lastkähne und Schiffe antreiben und so den CO2-Ausstoß reduzieren soll. Ein Markt für Brennstoffzellenfahrzeuge könnte auch in Europa in der Zukunft liegen, wie es in Südkalifornien der Fall ist.

Der Reiz von Wasserstoff für den Transport liegt in seiner hohen Energiedichte, wenn auch mit gewissen Einschränkungen. Insbesondere Wasserstoff hat im Vergleich zu anderen Kraftstoffen einen hohen Energiegehalt pro Gewichtseinheit, aber eine geringere Energiedichte pro Volumeneinheit.

Wasserstoff hat den dreifachen Energiegehalt von Benzin, auf Volumenbasis ist dieses Verhältnis jedoch umgekehrt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug muss mit Hochdruckwasserstoff betrieben werden, wofür hochfeste Speichertanks aus verstärkten Verbundwerkstoffen erforderlich sind, was die Fahrzeugkosten erhöht.

Wichtig ist, dass Wasserstoff im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiespeicherdichte aufweist. Ein Kilogramm Wasserstoff hat die gleiche elektrische Energie wie eine Gallone Benzin. Da die Tank-to-Wheel-Effizienz eines Brennstoffzellenfahrzeugs doppelt so hoch ist wie die eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, bietet ein Kilogramm Wasserstoff so viel Reichweite wie zwei Gallonen Benzin. Bei sinkenden Wasserstoffpreisen würden Brennstoffzellenfahrzeuge sehr wettbewerbsfähig werden, insbesondere weil sie weniger Umweltprobleme hätten als batteriebetriebene Fahrzeuge.

Unbeantwortete Fragen

Neben der Kostenfrage gibt es noch offene Fragen zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff. Seine kleinen Moleküle ermöglichen es ihm, Stahlrohre mit einer vier- bis fünfmal höheren Geschwindigkeit zu durchdringen als Methan, was zu Versprödung führt und den Austausch von Gasleitungen sowie Geräten, wenn Wasserstoff verwendet wird, erforderlich macht.

Zur Erdgasspeicherung werden entweder Salzstöcke, Grundwasserleiter oder erschöpfte Öl-/Gaslagerstätten genutzt. In Europa wurden bisher nur Salzstöcke zur Wasserstoffspeicherung untersucht, daher bleibt die Frage offen, ob ausreichende Kapazitäten vorhanden sind. Alternative Speichermöglichkeiten müssen geprüft werden, ggf. muss ein zusätzlicher Salzstockspeicher errichtet werden. Solange sich Wasserstoff nicht als kommerziell nutzbarer Kraftstoff erweist, ist die Speicherung in großem Maßstab kein Hindernis.

Europa investiert stark in Wind- und Solarenergie, um seine Ziele für saubere Energie zu erreichen. Jede Energiestudie weist jedoch darauf hin, dass diese Ziele nicht erreicht werden können, ohne dass Wasserstoff eine wichtige Rolle spielt. Europa verzeichnete in letzter Zeit eine geringe Wind- und Solarleistung, was die Herausforderungen für Energieversorger, Strom nach Bedarf zu liefern, noch größer macht.

Alle setzen stark auf die Kommerzialität von regelbarem Wasserstoff, aber es ist nicht bekannt, wann – oder ob – die wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen von Wasserstoff bewältigt werden können. Wenn nicht, steht den Plänen für grüne Energie ein Tag der Abrechnung bevor.

Die hier geäußerten Meinungen sind die des Autors und nicht unbedingt die von The Maritime Executive.