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ENERGIEWIRTSCHAFT: WEGE ZUM WASSERSTOFF


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 1/2020 vom 14.12.2019

Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen soll der Energieträger der Zukunft werden! Forschergruppen weltweit liefern sich ein Rennen um die klimafreundlichste Herstellung.


Artikelbild für den Artikel "ENERGIEWIRTSCHAFT: WEGE ZUM WASSERSTOFF" aus der Ausgabe 1/2020 von Spektrum der Wissenschaft. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 1/2020

Mit Hilfe von Strom stellt ein Elektrolyseur in Dresden Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser her.


SUNFIRE (WWW.FLICKR.COM/PHOTOS/SUNFIRE_DRESDEN/31888250390/); MIT FRDL. GEN. VON SUNFIRE

Katja Maria Engel ist promovierte Ingenieurin der Materialwissenschaften und arbeitet als Wissenschaftsjournalistin in Dortmund.

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... September 2019 ging auf der Teststrecke in den Ardennen ein wasserstoffgetriebener Bolide mit insgesamt fast 1000 PS an den Start – als Symbol für die klimafreundliche und grüne Zukunft der Mobilität. Der blau-weiße Prototyp preschte in elf Sekunden schon die ersten 400 Meter voran, und dabei dampfte aus seinem Auspuff nichts als reines Wasser.

Weil bei seiner Verbrennung kein CO2 entsteht, gilt das Gas mit der Formel H2 als Energieträger der Zukunft. Es soll Sonnen- und Windenergie zwischenspeichern, als Ersatz für Erdgas Haushalte beheizen, Flugzeuge und Schiffe antreiben und ganze Industrien CO2-frei machen. Im November 2019 hat die Bundesregierung bekannt gegeben, dass sie noch bis Ende des Jahres eine nationale Strategie für den »Schlüsselrohstoff« verabschieden will. Die Bundesländer wetteifern regelrecht um Förderung für neue Wasserstoffzentren, mit denen sie sich neue Wirtschaftskraft erhoffen. Hamburg kündigt sogar den weltgrößten Produktionsstandort an, ohne dass bisher ein Spatenstich erfolgt ist. Die Stahlindustrie, die momentan rund sieben Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verursacht, will ihren ökologischen Fußabdruck verringern, indem sie Wasserstoff statt Kohle als Reduktionsmittel einsetzt. Schon in den nächsten Jahren soll es das Gas an jeder Tankstelle geben. Manch einer erwartet nicht weniger als ein Zeitalter voll unendlich viel »sauberer« Energie.

Doch der grüne Hoffnungsträger hat bislang eine rabenschwarze Klimabilanz. »96 Prozent des Wasserstoffs, der auf der Erde produziert wird, stammen aus fossilen Brennstoffen. Und der elektrische Strom für die Elektrolyse, mit der die restlichen vier Prozent hergestellt werden, kommt meist wiederum aus fossilen Quellen«, rechnet Roel van de Krol, Leiter des Helmholtz-Instituts für Solare Brennstoffe in Berlin, vor.

Bereits jetzt verschlingt die Industrie diesen Stoff regelrecht: Jedes Jahr werden weltweit um die 70 Millionen Tonnen reinen Wasserstoffs verbraucht (siehe Grafik rechts). Allein die deutsche Industrie benötigt jährlich mehr als50 Milliarden Kubikmeter davon – das entspricht dem Wasservolumen des Bodensees. Die Chemiebranche stellt damit Dünger her, in Raffinerien hilft er, Erdöl in leichtere Brennstoffe umzuwandeln oder zu entschwefeln, und zunehmend werden synthetische Kraftstoffe daraus erzeugt. Ob Grundchemikalien, Pflanzenschutzmittel oder Pharmaka: Sie alle benötigen zur Herstellung Wasserstoff.

Und diesen erhält man nach wie vor aus Kohle, Gas oder Erdöl. Den Löwenanteil der Produktion macht mit etwa 50 Prozent die Dampfreformierung aus Erdgas aus, bei der Methan und Wasser zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt werden. Sowohl bei der Reaktion selbst als auch durch die großen Energiemengen, die zum Beheizen benötigt werden, entsteht viel CO2. 2019 stellten dänische Wissenschaftler einen Reformer vor, der durch elektrischen Strom beheizt wird und auf diese Weise erhebliche Mengen an Kohlenstoffdioxid einspart (siehe »Altes Verfahren neu gedacht«, S. 60). Das Kernproblem aber, dass allein durch die Reaktion CO2 entsteht, bleibt. »Würde die Produktion über die Spaltung von Wasser durch mit erneuerbarem Strom betriebene Elektrolyse oder solar beheizte thermochemische Prozesse erfolgen, könnten auch die 59 bis 83 Prozent CO2-Emissionen, die durch die Reaktion des Erdgases entstehen, vermieden werden«, gibt Christian Sattler zu bedenken, Leiter der Abteilung Solare Verfahrenstechnik am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln.

Forscher entdeckten die Wasserelekrolyse per Zufall

Diese Reaktion der von ihm genannten Elektrolyse ist schon lange bekannt: Fließt durch eine wässrige Lösung mit frei beweglichen Ionen ein elektrischer Gleichstrom, bildet sich an der Kathode (der negativ geladenen Elektrode) Wasserstoff und an der Anode (der positiv geladenen Elektrode) Sauerstoff. Insgesamt entstehen so aus zwei Molekülen Wasser zwei Moleküle Wasserstoff und ein Molekül Sauerstoff. Durch die chemische Reaktion selbst gast bei der Wasserelektrolyse also kein Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre aus.

Bereits im Jahr 1800 entdeckten neugierige Forscher dieses Phänomen der Wasserspaltung per Zufall. Am 20. März 1800 schickte der Physiker Alessandro Volta einen Brief aus Italien nach London, in dem er den Aufbau der ersten kontinuierlich funktionierenden Batterie skizzierte. Die Empfänger in England, die Chemiker Anthony Carlisle und William Nicholson, bauten seine Apparatur anhand des mitgelieferten Bauplans nach. Doch da Volta sich mehr für die Zuckungen des menschlichen Körpers begeisterte, die auftraten, sobald er ihn unter elektrischen Strom setzte, bemerkte er nicht, dass die Batterie undicht war. Die Engländer verpassten sich zwar auch den obligatorischen Elektroschock, analysierten anschließend aber den fehlerhaften Versuchsaufbau. Immer wieder tröpfelten die beiden Wasser auf den Apparat, der aus einem Stapel Metallmünzen, feuchten Lappen und ein paar Drähten bestand, um das Austreten eines noch nicht näher identifizierten Gases zu unterbinden. Dabei stellten sie schnell fest, dass sie gerade die Bindungen der Wassermoleküle gespalten hatten. Als sie die Batterie daraufhin ganz untertauchten, sprudelten Wasserstoff und Sauerstoff nur so hervor. Gleich im Juli desselben Jahres publizierte Nicholson in seinem Wissenschaftsmagazin »Journal of Natural Philosophy, Chemistry & the Arts« unter dem Titel »Bericht über eine neue elektrische Apparatur« die Sensation der Wasserspaltung.

Derzeit stammt Wasserstoff fast komplett aus fossilen Quellen. Elektrolyse mit »grünem« Strom wird als saubere Alternative gehandelt. Gleichzeitig soll der Bedarf (2018: 70 Millionen Tonnen (Mt)) rasant steigen.


OECD/IEA THE FUTURE OF HYDROGEN; BEARBEITUNG: SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT

Weil die Kosten für regenerativ erzeugten Strom weltweit sinken, prognostizieren Experten jetzt – 220 Jahre nach der Entdeckung der Wasserelektrolyse – den Aufstieg der Elektrolyseure. In der Nähe von Wasserkraftwerken, wo Strom günstig und dauerhaft verfügbar ist, findet man solche Anlagen bereits seit Mitte des letzten Jahrhunderts – beispielsweise am Assuan-Staudamm in Ägypten, wo ab 1960 das größte arbeitende Elektrolysekraftwerk der Welt Wasserstoff für die Düngemittelproduktion herstellte. Dort produzierte der Elektrolyseur mit einer Nennleistung von 156 Megawatt 33 000 Kubikmeter Wasserstoff in der Stunde. Er basierte auf dem Verfahren der alkalischen Elektrolyse, bei welcher der Elektrolyseur mit einem Gemisch aus Wasser und Kalilauge gefüllt ist. »Die heute noch genutzte Technik ist im Grunde uralt«, sagt Tom Smolinka, Elektrolyseforscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. »Dieser Typ an Elektrolyseur ist seit über 100 Jahren in der Industrie im Einsatz, aber im Fokus stehen hier eher Zuverlässigkeit und Robustheit. Der Wirkungsgrad war nicht so wichtig, da preiswerte Wasserkraft des Staudamms zur Verfügung stand.«

Mit verbesserter Technologie könnten solche Anlagen entscheidend zur Energiewende beitragen, schrieben Expertinnen und Experten des Zentrums für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg im Technologiebericht an das Bundeswirtschaftsministerium im April 2018. Mittlerweile liege der Wirkungsgrad solcher Wasserstoffgeneratoren zwischen 51 und 79 Prozent (bezogen auf den Brennwert von Wasserstoff). Sie schätzen, dass eine konsequente Weiterentwicklung bis 2030 um die neun Millionen Tonnen CO2-Äquivalente an Treibhausgasen jährlich vermeiden könnte, 2050 zwischen 50 und 110 Millionen Tonnen. Voraussetzung sei, dass der benötigte Strom komplett aus regenerativen Quellen stammt. Und durch Nebeneffekte, beispielsweise den schrittweisen Ersatz von Diesel- und Benzinkraftstoffen durch H2, prognostizieren die Experten sinkende Emissionen von Stickoxiden (NOx), Schwefeldioxid (SO2) sowie Feinstaub.

26 Forschungs- und Pilotanlagen für die Elektrolyse von Wasser entstehen derzeit in Deutschland. Und der weltgrößte Wasserspalter mit 100 Megawatt Leistung soll bald in der Nähe des Hamburger Hafens stehen. »Davon ist man aber noch weit entfernt«, meint Tom Smolinka. »Technisch gesehen ist das machbar, aber es ist eine spannende Frage, wie schnell die Finanzierung geklärt wird.« Andere Städte wollen ebenfalls dabei sein: Siemens möchte in Görlitz mit der Fraunhofer-Gesellschaft ein Wasserstoff-Technologiezentrum errichten, um die Stadt als neuen Wirtschaftsstandort zu positionieren. Und Bayern hat ebenfalls ein Wasserstoff-Forschungszentrum angekündigt.

Das Wuppertal-Institut erwartet bis 2030 fast 60-prozentige Wachstumsraten für Neuzulassungen von Elektrolyseuren in Deutschland. Die zunehmende Kommerzialisierung und ein sich bildender Massenmarkt sollen im nächsten Jahrzehnt an die 400 Wasserstofftankstellen in Deutschland möglich machen. Derweil bieten mehrere Anlagenhersteller schon große Elektrolysegeräte mit einem versprochenen Wirkungsgrad von über 80 Prozent an.

Auch diejenigen Industrien, die den Wasserstoff benötigen, stampfen große Initiativen für Pilotanlagen aus dem Boden. Shell und ITM Power bauen derzeit bei der Rheinland Raffinerie in Wesseling bei Köln die weltweit erste kommerzielle Membran-Elektrolyse-Anlage. Dieser zweite Typ von Elektrolyseur spaltet Wasser statt in einer alkali schen Flüssigkeit in einem sauren, festen Elektrolyten. Er eignet sich auch für einen dynamischen Betrieb – wenn also die zur Verfügung stehende Energie schwankt wie bei der Nutzung von Wind- oder Sonnenenergie. Erprobt ist die Technik bislang nur in kleinen Anlagen. Diejenige in Wesseling soll ab 2020 mit einer Kapazität von zehn Megawatt an die 1300 Tonnen Wasserstoff pro Jahr erzeugen, so der Hersteller. Das produzierte Gas will vor allem die Raffinerie nutzen, um ihre Produkte zu verarbeiten.

Die Stahlindustrie schreitet mit eigenen Projekten voran

Für Industriebetriebe, die den hergestellten Wasserstoff direkt in ihren Prozessen nutzen, ist wiederum ein noch wenig erprobter Typ interessant: die Hochtemperatur-Elektrolyse. In einer Pilotanlage stellt die Firma Sunfire mit dem Verfahren seit 2014 in Dresden Wasserstoff her und veredelt ihn zusammen mit CO2 gleich zu synthetischen Kraftstoffen. Die Elektrolyse läuft dort bei 850 bis 1000 Grad Celsius mit Wasserdampf bei einem Druck von 20 bar ab. Aber die große Hitze erfordert eine aufwändige Dichtungsund Regelungstechnik sowie robustes Material. Noch besteht viel Forschungsbedarf an dieser dritten Variante der Wasserspaltung mit Strom, dafür ist sie jedoch die effizienteste mit Wirkungsgraden um 90 Prozent. Ihr Vorteil: Die Hitze trägt zur Spaltenergie bei. So kann die erforderliche Zellspannung um mehr als 0,5 Volt auf unter 1 Volt gesenkt werden, und weniger Strom wird für die Elektrolyse benötigt.

Zusätzlichen Auftrieb erhält die Forschung an dieser Form der Wasserspaltung durch die Stahlindustrie, die für sage und schreibe sieben Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich zeichnet. Um diese verheerende Bilanz deutlich zu senken, will die Salzgitter Flachstahl GmbH ab Ende 2020 in zwei Hochtemperatur-Elektrolyseuren mit Windenergie klimaneutralen Wasserstoff erzeugen. Zunächst soll dieser den bislang genutzten Wasserstoff aus fossilen Quellen ersetzen; langfristig könnte er aber sogar für die Reduktion von Eisenerz zum Metall verwendet werden, einen Prozessschritt, für den bislang Kohle eingesetzt wird. Das könnte die CO2-Emissionen um bis zu 85 Prozent senken. Bis Ende 2022 sollen die beiden Anlagen etwa 100 Tonnen Wasserstoff liefern. Gefördert wird das Projekt mit europäischen Geldern durch das Innova tionsprogramm Horizon 2020. Der gewaltige Pferdefuß, den alle Elektrolyseverfahren gemeinsam haben, sind die unbegrenzten Mengen an grünem Strom, die die Entwickler wie selbstverständlich voraussetzen. Emissionsfrei ist der Wasserstoff aus den Elektrolyseuren erst, wenn er Strom aus regenerativen Quellen nutzt. Im Jahr 2019 hatten regenerative Energien (Wasserkraft, Wind, Solarenergie und Biomasse) mit gut 210 Terawattstunden (TWh) immerhin einen Anteil von rund 46 Prozent an der deutschen Stromproduktion, betrachtet man nur den Strom, den Kraftwerke zur öffentlichen Stromversorgung herstellen. Zur Erzeugung eines Normkubikmeters Wasserstoff mittels Elektrolyse muss theoretisch eine Energie von 3,54 Kilowattstunden (kWh) aufgewendet werden. Praktisch liegen die Werte zwischen 3,6 und 4,9 kWh – je nach Art des Elektrolyseurs. Allein um mit Strom die 50 Kubikmeter H2 zu erzeugen, die Deutschland derzeit jährlich verbraucht, müsste man also etwa 180 bis 245 Terawattstunden aufbringen. Und um genügend Wasserstoff für einen CO2-neutralen Schiffs- und Flugverkehr in Deutschland zu gewinnen, seien allein 557 Terawattstunden Strom erforderlich, hat das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE errechnet. »Mittel- und langfristig wird Deutschland CO2-freien Wasserstoff in größerem Umfang importieren müssen«, räumt die Bundesregierung in ihrem vorläufigen Papier zur nationalen Wasserstoffstrategie ein.

In Salzgitter sollen ab 2020 zwei Hochtemperatur-Elektrolyseure gekoppelt mit Windenergie klimaneutralen Wasserstoff für die Stahlindustrie erzeugen.


SUNFIRE / SUNFIRE ELECTROLYSIS MODULE GRINHY / SALZGITTER FLACHSTAHL GMBH, 2017 (WWW.FLICKR.COM/PHOTOS/SUNFIRE_DRESDEN/35568734786/); MIT FRDL. GEN. VON SUNFIRE

Geht es allerdings nach anderen Wissenschaftlern, dann sollte bei der Herstellung von Wasserstoff gar kein Strom zum Einsatz kommen. Bereits seit 2,5 Milliarden Jahren gelingt es Pflanzen mittels Fotosynthese, die Energie des Sonnenlichts zu nutzen, um speicherbare Energieträger zu erzeugen. Die Zutaten erscheinen übersichtlich: Wasser, Licht und Kohlenstoffdioxid.

Das solle man sich von der Natur abschauen, forderte bereits 1912 der italienische Chemiker Giacomo Ciamician auf einem Fachkongress in New York und stellte die Idee der »künstlichen Fotosynthese« vor. Er wollte so aus CO2 und Wasserstoff Methan herstellen und rechnete seinen Zuhörern genau vor, mit wie viel Sonnenenergie man auf diese Weise wie viel Kilogramm Kohle umsetzen kann. Einige Jahrzehnte nach dieser Rede wurden dazu zwar Mitte der 1970er Jahre nach der Ölkrise einige Forschungsvorhaben angestoßen. Aber als Erdgas wieder billiger wurde, verfolgte man diese Alternativen nicht mehr mit dem gleichen Elan. Erst unter dem Eindruck des Zweiten Golfkriegs und den Warnungen vor einer Klimakatastrophe mit dem 3. IPCC-Bericht starteten ab 2001 wieder weltweit zahlreiche Forschungen und Entwicklungen zur künstlichen Fotosynthese durch. Jetzt 2019 – mehr als 100 Jahre nach Ciamicians fruchtlosem Appell – fassen die deutschen Wissenschaftsakademien den Stand der Dinge in ihrem Bericht zusammen: »Die künstliche Photosynthese könnte die industrielle Kohlendioxid-Bilanz signifikant verbessern«, und empfehlen eine rund zehnjährige intensive Forschungsund Entwicklungsarbeit. Wünschenswert wäre es, so die Gutachter, am Ende eine erste Pilotanlage zu sehen.

Auftrieb erhielt das lange vernachlässigte Thema, Wasserstoff ohne elektrischen Strom herzustellen, durch den Artikel »The Artificial Leaf«, den Daniel Nocera vom Massachusetts Institute of Technology 2012 in der Zeitschrift »Accounts of Chemical Research« veröffentlichte. Sein Nachbau eines künstlichen Blatts aus der Natur war so groß wie eine Briefmarke und bestand aus einer Silizium-Solarzelle, die um spezielle Katalysatoren ergänzt war. Wenn er sie mit Sonnenlicht bestrahlte, setzte er damit Elektronen und positiv geladene »Löcher« frei. Und so blubberte aus dem kleinen Stückchen, eingetaucht in Wasser, der begehrte Wasserstoff – damals noch mit einem Wirkungsgrad von unter fünf Prozent (siehe Grafik rechts).

Die künstliche Fotosynthese benötigt keinen Strom: Mit Hilfe des Sonnenlichts produziert ein Katalysator in einer wässrigen Lösung Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2).


SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT / BUSKE-GRAFIK

Aktuell steht der Wirkungsgradrekord bei 19,3 Prozent. Das ist ein Vielfaches von den 0,3 bis 1 Prozent, die Pflanzenproteine schaffen. Ihn hat ein großes Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der TU Ilmenau, des California Institute of Technology, der University of Cambridge, des Fraunhofer ISE und des Helmholtz-Zentrums Berlin 2018 aufgestellt. Um die vorherige Höchstmarke zu übertreffen, kombinierten sie eine Tandem-Solarzelle mit Rhodium-Nanopartikeln und weiteren funktionalen Schichten zu einer Fotoelektrode, die so viel Licht wie möglich einfangen soll. In einem wässrigen Elektrolyten bildet sich dann auf der Vorderseite (Kathode) Wasserstoff, auf der Rückseite (Anode) entsteht Sauerstoff. Der Clou sei eine Schicht aus kristallinem Titandioxid, denn dieses Material verringert die optischen Verluste durch Reflexion, verbessert den Ladungstransort und schützt den Katalysator vor Korrosion. Mittlerweile hält der Aufbau mehr als 100 Stunden durch.

»Die Schwierigkeit besteht im Grunde darin, drei Elemente zusammenzubringen: Wirkungsgrad, Stabilität und Skalierbarkeit«, erklärt der Materialwissenschaftler Roel van de Krol, der den bisherigen Rekordhalter mitentwickelt hat. »Es ist die Kombination der drei Komponenten, die das ganze Spiel so schwierig macht. Und in den letzten Jahren hat sich viel Forschung auf den Wirkungsgrad konzentriert. «

Ohne Stromzufuhr und teure, seltene Metalle: Der Traum vom ökologischsten Wasserstoff

Damit die künstliche Fotosynthese ähnlich produktiv funktioniert wie die konventionelle Elektrolyse, können größere Oberflächen der Katalysatoren helfen. Daran arbeitet Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm. Er will zudem die teuren Katalysatormaterialien ersetzen, die bis dato oft aus Metallkomplexen oder sehr seltenen Elementen wie Ruthenium oder Iridium bestehen. Für seine Forschung nutzt er mesoporöses graphitisches Kohlenstoffnitrid, einen organischen Halbleiter, der gleichzeitig stabil und preiswert ist. Kohlenstoff- und Stickstoffatome wechseln sich in dem Material ab und bilden Schichten, die denen des Graphits ähneln. Regelmäßige Poren in Antoniettis Material vergrößern die Oberfläche um ein Tausendfaches und machen den Stoff somit zu einem leistungsfähigen Katalysator, denn die chemischen Reaktionen laufen an seinen Grenzflächen ab. In einem Gramm mesoporösen Kohlenstoffnitrids verbirgt sich somit die innere Oberfläche von 1000 Quadratmetern. »Das ist, als sähe man auf einen Quadratmeter Fläche, in der sich aber unsichtbar die eines ganzen Fußballplatzes verbirgt«, sagt der Grenzflächenforscher.

Der Potsdamer Wissenschaftler ist sich sicher, dass er nicht nur am grünsten Wasserstoff arbeitet, sondern auch am billigsten. Denn im Prinzip ist die künstliche Fotosynthese vergleichbar einer Solarzelle, deren elektrischer Strom in einen Elektrolyseur fließt – mit dem Vorteil, dass das künstliche Blatt weder Kabel noch Strom benötigt und daher lokal und dezentral ohne Transportverluste Energie erzeu gen könnte. »Es ist der grünste Wasserstoff, und das ist unsere Motivation, daran zu forschen«, ist auch Roel van de Krol überzeugt.

Doch trotz aller Teilerfolge lockt die Technologie noch keine Großinvestoren in den Hamburger Hafen oder nach Görlitz. »Wir sind so weit, dass wir kleine Bauelemente herstellen können«, sagt der Helmholtz-Forscher van de Krol. »Bislang waren alle zufrieden mit wenigen Quadratmillimetern. Der Wirkungsgrad war das wichtige Thema. Aber damit können wir die Welt nicht retten. Wir müssen von wenigen Quadratzentimetern in den nächsten Jahren auf 50 bis 100 Quadratzentimeter kommen.« Nur zum Vergleich: Eine CD-Hülle hat eine Fläche von 170 Quadratzentimeter. Auf eine erste kleine Pilotanlage hofft van de Krol erst in den nächsten fünf bis zehn Jahren.

Bis dahin soll der Anteil an Wasserstoff als Energieträger schon stark gestiegen sein. Um die Beimischung von H2 ins deutsche Gasnetz zu testen, betreibt das Fraunhofer ISE seit August 2017 eine Anlage, mit der die Kunden des kommunalen Netzes in Freiburg bis zu zwei Prozent H2 unter ihr Erdgas gemischt bekommen. Technisch möglich wären jetzt schon zehn Prozent. »Würde man die Kapazitäten voll ausschöpfen, um Wasserstoff einzuspeisen, ließe sich ein beträchtlicher Input an erneuerbaren Energien im Gesamtsystem speichern«, sagt Christopher Hebling, Leiter Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE. Großbritannien erwägt derweil, das gesamte Gasnetz auf den neuen Energieträger umzustellen (siehe »Großbitanniens Wasserstoffwirtschaft «, links). Japan und Australien haben ebenfalls große Vorhaben zur Wasserstofftechnologie angekündigt.

Rekordhalter der künstlichen Fotosynthese ist ein Siliziumchip, der Wasser mit einem Wirkungsgrad von gut 19 Prozent spaltet (hier ist ein Vorläufer zu sehen).


MATTHIAS MAY, HELMHOLTZ-ZENTRUM BERLIN FÜR MATERIALIEN UND ENERGIE

Dass die Wasserstoffwirtschaft eine recht hohe sozialpolitische und lokale Akzeptanz aufweist, wie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung in seinem Technologiebericht 2018 schreibt, ist für die weitere Entwicklung sicher von Vorteil. Vielleicht auch, dass Wasserstoff im Jahr 2050 eine inländische Wertschöpfung in Deutschland von bis zu acht Milliarden Euro pro Jahr bewirken soll. Dabei sollte nicht unterschlagen werden, dass der zukünftige Stromverbrauch um das Dreifache steigen kann, erklärt Tom Smolinka vom Fraunhofer ISE. Bei einem derzeitigen Strombedarf um die 600 Terawattstunden pro Jahr in Deutschland erwarten die Fraunhofer-Forscher »gemäß der gerechneten Szenarien im Jahr 2050 einen Bedarf von 2000 TWh, der überwiegend durch Wind und Solar gedeckt werden wird.«

Im Moment scheint allerdings die Wasserelektrolyse auf dem Vormarsch – in Kombination mit einem massiven Ausbau erneuerbarer Energien. Bleiben bei dem Rennen dann vielleicht Verfahren auf der Strecke, die noch nicht einmal eine Pilotanlage vorweisen können wie die künstliche Fotosynthese? Der Max-Planck-Forscher Antonietti befürchtet das nicht: »Das ist Innovationstheorie«, hofft er. »Wir brauchen Einstiegstechnologien, damit der Markt vorbereitet ist. Wenn sich der Wasserstoff etabliert hat, dann ist auch Platz für alternative Technologien«.

QUELLEN

Brinner, A. et al: Power-to-gas (Wasserstoff). In: Wuppertal Institut, ISI, IZES (Hg.): Technologien für die Energiewende. Teilbericht 2 an das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), 2018, S. 9–64

Cheng, W.-H. et al.: Monolithic photoelectrochemical device for direct water splitting with 19% efficiency. ACS Energy Letters 3, 2018

Dau, H. et al.: Künstliche Photosynthese. Besser als die Natur? Springer, 2019

Ghosh, I. et al.: Organic semiconductor photocatalyst can bifunctionalize arenes and heteroarenes. Science 365, 2019

Wismann, T. et al.: Electrified methane reforming: A compact approach to greener industrial hydrogen production. Science 364, 2019

LITERATURTIPPS

Diermann, R.: Strom im Tank. spektrum.de 11. 7. 2019 Der Erfolg von grünem Wasserstoff und daraus hergestellten Brennstoffen hängt von politischen Faktoren ab, sagt der Autor.

Service, R. F.: Renewable bonds. Science 365, 2019 Was steckt hinter dem Aufstieg der elektrischen Herstellung von Wasserstoff und anderen Produkten?

AUF EINEN BLICK: AUF DEM WEG ZUM GRÜNEN WASSERSTOFF

1 Wasserstoff wird als klimafreundlicher Energieträger der Zukunft gehandelt. Seine Herstellung, etwa aus Methan, verursacht momentan jedoch viel CO2.

2 Eine Verbesserung soll die Reduktion mittels Elektrolyse von Wasser bringen, die allerdings immense Mengen an Strom benötigt.

3 Noch in den Kinderschuhen stecken Technologien, die ohne Stromzufuhr auskommen, wie die künstliche Fotosynthese.

Altes Verfahren neu gedacht

Den Löwenanteil des weltweit hergestellten Wasserstoffs, nämlich gut die Hälfte, liefert derzeit die Dampfreformierung von Methan aus Erdgas. Dieses bewährte und etablierte Verfahren verbraucht viel Energie, denn der endotherme Prozess kommt erst bei 800 Grad Celsius richtig in Gang. Zudem setzt die chemische Reaktion selbst zusätzliches Kohlendioxid frei. Mit jedem Kilogramm Wasserstoff entstehen so je nach Anlage und Betriebsweise zwischen 6,6 und 9,3 Kilogramm CO2. Die Dampfreformierung trägt damit rund drei Prozent zu den globalen Kohlenstoffdioxidemissionen bei.

Um den erheblichen CO2-Ausstoß des Alltagsverfahrens zu reduzieren, haben dänische Wissenschaftler um Sebastian Wismann jetzt eine elektrisch betriebene Alternative entwickelt.

Im bisherigen Verfahren leitet man Methan (CH4) und Wasserdampf in einen 10 bis 14 Meter hohen Reaktor, der bis zu 100 000 Kubikmeter H2 in einer Stunde produziert. Ein Metallkatalysator hilft, unter einem Druck von etwa 25 bis 30 bar Wasserstoff und Kohlenmonoxid (CO) zu erzeugen: CH4 + H2O —› CO + 3 H2 ΔHr 0 = 206 kJ/mol

In einem zweiten separaten Schritt (bekannt als Wassergas-Shift-Reaktion) reagiert das entstandene Kohlenstoffmonoxid mit Wasser zu CO2 und weiterem Wasserstoff: CO + H2O —› CO2 + H2 ΔHr 0 = –41 kJ/mol

Kohlenstoffdioxid bildet sich also zum einen in der Reaktion selbst. Zum anderen entsteht es durch das Beheizen der Anlage: Um die benötigte Energie für die Reaktion aufzubringen (206 Kilojoule pro Mol Wasserstoff), wird etwa ein Fünftel des eingesetzten Methans verbrannt.

Die Tricks des Physikers Wisman und seiner Teamkollegen: Sie verzichten auf die Gasbrenner und beheizen die Reaktorwände mit elektrischem Strom. Dieser fließt durch die Innenwände und erhitzt sie auf Grund des ohmschen Widerstands auf die benötigte Temperatur. So vermeiden sie, dass ein Großteil der Wärme verloren geht. Den Katalysator wiederum haben sie in einer dünnen Schicht auf die beheizten Wände aufgetragen, so dass er um 65 Prozent effektiver arbeitet. Die Wissenschaftler schätzen, dass ein typischer Industriereaktor mit diesem Aufbau 100-mal kleiner gebaut werden kann. Doch »wirksam wird die begrenzte CO2-Ersparnis nur, wenn ausreichend erneuerbarer Strom zur Verfügung steht«, gibt Ralf Peters, Leiter der Abteilung Brenngaserzeugung und Systeme am Institut für Energie- und Klimaforschung des Forschungszentrums Jülich, zu bedenken. Dann biete die Technik eine Möglichkeit, Wasserstoff mit einem um etwa 20 Prozent kleineren CO2-Fußabdruck bereitzustellen. Doch ob Wismanns Reformer sich in der Realität durchsetzt, hängt im Wesentlichen von den Kosten für den elektrischen Strom und Erdgas sowie vom Preis für CO2 ab.

Großbritanniens Wasserstoffwirtschaft

Eine britische Vereinigung von Ingenieuren hat Mitte 2019 visionär kalkuliert, dass das gesamte Gasnetz des Landes zu 100 Prozent von Erdgas auf Wasserstoff umgestellt werden könnte. Zwar seien noch einige entscheidende Fragen offen, um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen. Der Zeitpunkt sei aber optimal, da bis 2030 im Gasnetz die meisten Metallrohre durch Polyethylenrohre ersetzt werden, die geeignet sind, Wasserstoff zu transportieren. Mit einem Schlag wäre so die größte Quelle für Kohlenstoffdioxidemissionen eliminiert. Denn zum Heizen verbranntes Erdgas verursacht auf der Insel fast 200 Millionen Tonnen Kohlenstoffdioxid jährlich. Die Ingenieure schlagen für die Produktion des Wasserstoffs Elektrolyseure vor. ITM Power plant einen »HGAS«-Block mit 100 Megawatt Leistung. Um den Plan umzusetzen, bräuchte die Firma davon 1400 Stück, entsprechend dem Platzbedarf von 1500 Fußballfeldern – und zusätzlich so viel Wasser, wie 1,2 Millionen britische Haushalte jährlich verbrauchen.