Wasserstoff: vom „idealen“ Kraftstoff zur teuren, komplizierten und kurzlebigen Infrastruktur?
Wasserstoff wird als der „Heilige Gral“ der sauberen, CO2-freien Energie angesehen. Doch H₂ ist nur schwer zu speichern, da es ein äußerst kleines Molekül ist. Um ein hohes Energie-zu-Volumen-Verhältnis zu erreichen, muss er stark gekühlt oder komprimiert werden. Speicherung und Verteilung erfordern spezielle Technologien und Materialien. Selbst dann entweicht Wasserstoff leicht und verursacht einen indirekten Treibhauseffekt, der über 100 Jahre hinweg 12-mal so stark ist wie der von CO₂!
Die Folgen der geringen Größe von Wasserstoff…
Wasserstoff verbrennt in der Luft zu Wasser und geringen Mengen NOx, jedoch ohne CO₂! Ein Wasserstoffmolekül ist jedoch etwa 2/3 so groß wie ein Methanmolekül, was es ihm ermöglicht, durch Verbindungen in Behältern und Rohren zu entweichen: Es kann sogar in Metalle eindringen und diese spröde machen. Je länger die „Kette“ von der Wasserstoffproduktion bis zur Wasserstoffnutzung und je länger er gelagert wird, desto mehr entweicht er. In der Atmosphäre reagiert H₂ mit Molekülen, die ansonsten Methan abbauen würden. Methan ist ein starkes Treibhausgas, und je mehr Wasserstoff entweicht, desto länger bleibt Methan in der Atmosphäre bestehen.
Herausforderungen bei der Speicherung und Verteilung von Wasserstoff…
Wasserstoff wird typischerweise durch Elektrolyse hergestellt, also durch die Spaltung von Wasser mittels Strom. Dabei entstehen H₂-Gas und O₂ (Sauerstoff)-Gas. Um Wasserstoff in großen Mengen zu speichern, muss er komprimiert und gekühlt werden: Wie stark? Auf minus 253 °C (-423 °F). Diese Prozesse erfordern große Energiemengen, was etwa 30 % der Energie des gespeicherten Wasserstoffs ausmacht. Der Transport erfolgt über hochspezialisierte, mehrschichtige Rohre, oft mit einer Vakuumhülle, die kontinuierlich entlüftet werden muss. Für die kurzfristige Speicherung werden Hightech-Behälter mit mehreren Schichten verwendet. Die Lebensdauer dieser Infrastruktur liegt bei maximal 10 bis 50 Jahren. Im Vergleich dazu hat die Infrastruktur für kohlenstoffbasierte Brennstoffe eine Lebensdauer von 70 Jahren oder mehr und ist wesentlich kostengünstiger in Herstellung, Wartung und Reparatur.
Verwendung eines „Wasserstoffträgers“ als Alternative…
Wasserstoff hat zweifellos wünschenswerte Eigenschaften, stellt aber auch enorme Herausforderungen. Die Biologie nutzt tatsächlich die chemische Energie von Wasserstoff, jedoch nicht durch direkte Verbrennung. Stattdessen verwendet die Natur Kohlenstoff als Wasserstoffträger, wodurch die Energie viel leichter zu speichern und zu verteilen ist. Das menschliche Äquivalent wären E-Fuels (synthetische Kohlenstoff-/Wasserstoff-Brennstoffe). Ein häufig vorgebrachtes Argument gegen E-Fuels ist ihre ineffiziente Produktion: Es gehe viel Energie „verloren“. Wenn jedoch die Energieverluste und Leckagen in einer reinen Wasserstoffwirtschaft berechnet werden, stellen sie sich als nicht geringer heraus als die einer E-Fuel-Wirtschaft. Zudem erfordert Wasserstoff eine sehr teure und vergleichsweise kurzlebige Kraftstoffinfrastruktur.
Verlockt von Perfektion – aber ist Wasserstoff wirklich perfekt?…
Aus chemischer Sicht ist Wasserstoff nahezu so perfekt, wie man es sich wünschen könnte – aber eben nicht ganz… Hier ist ein wenig Chemie, die Ihnen vielleicht neu ist:
Warum Wasserstoff ein „indirektes“ Treibhausgas ist…
Ist Wasserstoff ein Treibhausgas?! Klingt nach einer lächerlichen Frage, oder? Aber 2023 veröffentlichten Forscher die neueste Arbeit in einer Reihe von Studien, die zeigen, dass Wasserstoff tatsächlich ein erhebliches indirektes Globales Erwärmungspotenzial über 100 Jahre (GWP100) hat: es liegt etwa 12-mal höher als das von CO2. Diese Forschung baut auf zahlreichen früheren Studien anderer Wissenschaftler auf. Die atmosphärische Chemie von entweichendem Wasserstoff beeinflusst auch die Ozonkonzentrationen, und diese Chemie ist bislang wenig erforscht: Sie könnte bedeutend sein oder auch nicht. Aber sie zeigt eine von vielen Facetten der komplizierten Chemie von Wasserstoff – ein weiteres atmosphärisches System mit Dynamiken und letztendlichen Konsequenzen, die schwer vorherzusagen sind.
Sobald Wasserstoff in die Atmosphäre gelangt, zerstört er schnell ein recht nützliches Molekül: sogenannte Hydroxylradikale (•OH), die normalerweise Methan abbauen würden. Methan ist ein starkes Treibhausgas, und daher führt entweichender Wasserstoff zu einer erhöhten Methankonzentration in der Atmosphäre, was einen indirekten Erwärmungseffekt verursacht.
Die Herausforderung der Wasserstoff-Leckage…
Wasserstoff ist ein so kleines Molekül, dass es sehr leicht aus Verteilungs- und Speicherinfrastrukturen entweichen kann. Bei Flüssigwasserstoff-Speichern wird der Verlust auf etwa 1 % pro Tag geschätzt, kann jedoch bis zu 5 % betragen. In Pipelines ist der Verlust vermutlich noch höher. Die größten Leckagen werden im Transportsektor erwartet, wo die Versorgung der Verteilungsinfrastruktur, die Zwischenlagerung in kostengünstigen Behältern und das Betanken einzelner Fahrzeuge größere Schwachstellen darstellen, verglichen mit großvolumigen, kontinuierlich laufenden industriellen Prozessen.
Der sogenannte „fugitive“ (unbeabsichtigte) Wasserstoff ist sehr schwer zu quantifizieren. Eine kürzlich durchgeführte umfassende Überprüfung in diesem Bereich gibt folgende Verlustbereiche an:
- 0,15 – 10 % während der Verflüssigung,
- 2 – 20 % während des Transports und der Handhabung,
- 2 – 15 % beim Betanken.
Wenn man diese drei Stufen als Abfolge betrachtet, werden die Verluste multiplikativ, was zu folgenden potenziellen Verlusten führt:
- Minimum über alle Stufen hinweg: 4,1 %
- Maximum über alle Stufen hinweg: 39 %
- Durchschnitt über alle Stufen hinweg: 23 %
Völlig neue Infrastrukturen für Lagerung und Verteilung sind erforderlich…
Die bestehenden Infrastrukturen, die für die Lagerung und Verteilung von Erdgas (hauptsächlich Methan) genutzt werden, sind für reinen Wasserstoff nicht geeignet. Der Unterschied in der Molekülgröße ist erheblich:
Normale Gaspipelines können einen bescheidenen Prozentsatz an Wasserstoff transportieren, da Methan im Grunde mit Wasserstoff um die potenziellen Leckstellen konkurriert und so verhindert, dass viel Wasserstoff austritt. Reiner Wasserstoff ist jedoch eine völlig andere Angelegenheit.
Die Art und Weise, wie wir Wasserstoff lagern und verteilen müssen, bringt große Herausforderungen mit sich. Und was wäre, wenn trotz aller Bemühungen während der Lagerung, Verteilung und Nutzung 20 % des Wasserstoffs in die Atmosphäre entweichen würden? (Eine Schätzung, die keineswegs unrealistisch ist.) Können wir die indirekte globale Erwärmung abschätzen, die dies in einer vollständig ausgebauten globalen Wasserstoffwirtschaft verursachen würde?
Die potenziellen Auswirkungen von entweichendem Wasserstoff auf die globale Erwärmung quantifizieren…
Wir können eine grobe Berechnung auf Basis der Umstellung des gesamten aktuellen globalen Primärenergiebedarfs auf wasserstoffbasierte Technologien anstellen. Diese Berechnung legt nahe, dass das GWP100 (Treibhausgaseffekt über 100 Jahre) von „fugitive“ Wasserstoff (entweichendem Wasserstoff) mindestens 25 % der aktuellen CO2-Emissionen entsprechen könnte. Tatsächlich wäre es so, als würden wir das Ziel, die CO2-Emissionen auf Null zu reduzieren, um einen erheblichen Betrag verfehlen. Der Mindestwert könnte etwa 5 % der aktuellen Emissionen betragen, der Maximalwert jedoch bis zu 49 %.
Natürlich gibt es bei solchen Schätzungen sehr viele Unsicherheiten, also nehmen Sie sie mit Vorsicht… Es könnte ein Thema sein, das wir einfach sehr genau im Auge behalten müssen. Die letzte Überlegung ist: Wir werden Methanemissionen niemals vollständig stoppen können, solange es Landwirtschaft gibt. Daher müssen wir den Beitrag von Methan zur globalen Erwärmung reduzieren – nicht verstärken.
Die Berücksichtigung von Wasserstoffverlusten in der Gesamteffizienz (Wirkungsgrad) einer Wasserstoffwirtschaft…
Schließlich können wir versuchen, die gesamte – d. h. die vollständige – Effizienz einer reinen Wasserstoffwirtschaft mit der von E-Fuels zu vergleichen. Dazu würden wir die energetischen Effizienzen der Produktion berechnen und dann auch Treibstoffverluste berücksichtigen, die während der Lagerung und Verteilung auftreten. All diese Verluste verringern die letztendlich verfügbare Energie des Kraftstoffs, sodass sie tatsächlich als Effizienzverluste betrachtet werden können. Mit der aktuellen Technologie würden wir etwa Folgendes erhalten:
Daher ein abschließender Gedanke in diesem Abschnitt: Es scheint, dass eine reine Wasserstoffwirtschaft im Vergleich zu einer E-Fuel-Wirtschaft 1. eine geringere Energieeffizienz im Durchschnitt, 2. höhere Infrastrukturkosten und 3. ein größeres Potenzial zur globalen Erwärmung aufweisen würde. Wasserstoff ist, trotz des anfänglichen Eindrucks, weit davon entfernt, der perfekte Treibstoff für menschliche Wirtschaftssysteme zu sein…
Die Herausforderungen einer reinen Wasserstoffwirtschaft…
Eine äußerst teure neue Infrastruktur, die viel Energie für Bau, Betrieb und Wartung erfordert und eine vergleichsweise kurze Lebensdauer hat.
Vom Kühlen des Wasserstoffs auf minus 253 °C über die großflächige Lagerung in vakuumisolierten Mehrschichttanks, den Transport durch hochspezialisierte Pipelines bis hin zu einer Vielzahl von kurzzeitigen, ebenfalls hochspezialisierten Speichervorrichtungen… Dies ist die bislang komplizierteste Energieinfrastruktur.
Schlüsselindustrien benötigen hochkomprimierten Wasserstoff…
Die Stahl- und Zementindustrie benötigen hochkonzentrierte Energie, da sie Energie mit extrem hoher Geschwindigkeit verbrauchen (Leistung im Megawattbereich). Daher benötigen sie hochkomprimierten Wasserstoff: Wasserstoff bei normaler Temperatur und Druck (20 °C und 1 Atmosphäre) hat eine Energiedichte von 0,013 MJ pro Liter. Das ist weniger als die Hälfte der Energiedichte von Methan bei normaler Temperatur und Druck (0,036 MJ pro Liter).
Flüssige Brennstoffe haben den Vorteil, dass sie in viel größeren Mengen pro Sekunde in einen Prozess gepumpt werden können als Gase: Das ist in der Industrie entscheidend. Gekühlt und komprimiert erreicht flüssiger Wasserstoff fast 10 MJ pro Liter, aber flüssiges Methan liegt mehr als dreimal höher bei 35 MJ pro Liter. Um also denselben Energiebedarf für thermische Prozesse in der Industrie zu decken, benötigen wir mehr als die dreifache Menge an Wasserstoff im Vergleich zu Methan.
Flüssiger Wasserstoff (bei minus 253 °C) weist viel höhere Leckageraten auf als gasförmiger Wasserstoff, der beispielsweise direkt zur Herstellung von E-Fuels verwendet werden kann. Schätzungen für die Leckage von flüssigem H₂ variieren stark. Laut einer aktuellen Übersicht könnten im besten Fall 4,1 % Verlust in der Kette von Lagerung bis Nutzung auftreten, im schlimmsten Fall jedoch bis zu 39 %. Könnte die Wahrheit irgendwo dazwischen liegen? Etwa 23 % Verlust?
Flüssiger Wasserstoff ist besonders herausfordernd…
Ein weiterer Nachteil ist die Lebensdauer der Wasserstoffinfrastruktur. Diese ist deutlich geringer als die der Infrastruktur für kohlenstoffbasierte Brennstoffe:
Wasserstoff dringt durch die kleinsten Risse und entweicht aus dem Lager- und Verteilnetz; er dringt sogar in Metall ein! Ja, wasserstoffbedingte Sprödigkeit (Embrittlement) von Stahl ist ein bekanntes Phänomen. Dies führt zu einem schnelleren „Altern“ von Behältern und Rohren, die Wasserstoff enthalten.
Wasserstoffs Energie auf bequemere Weise nutzen…
Können wir das enorme Potenzial von Wasserstoff ohne diese Probleme nutzen? Ja, und genau das hat die Biologie seit 3,5 Milliarden Jahren getan – allerdings nicht, indem Wasserstoff als Gas oder Flüssigkeit gespeichert und verteilt wurde… Wir können Energieträger mit sehr hoher Energiedichte auf ähnliche Weise herstellen, wie es die Biologie tut (wenn auch nicht identisch). Das bedeutet, dass wir ähnliche Netto-Null-Materialkreisläufe mit Kohlenstoffverbindungen verwenden. Um mehr zu erfahren, klicken Sie hier.
Als Nächstes: Energiegewinnung an günstigen Standorten und Zentralisierung der Strom- bzw. Kraftstoffproduktion…
Weiterführende Lektüren:
> Eine Multi-Modell-Bewertung des Treibhauspotenzials von Wasserstoff
> Perspektiven und Meinungen zu den möglichen Klimanachteilen durch Wasserstofflecks
> Über die prozentualen Bereiche der wahrscheinlichen Leckage in einer reinen Wasserstoff-Infrastruktur für Speicherung, Verteilung und Nutzung
> Akademische Literaturübersicht zur prozentualen Wasserstoffleckage in verschiedenen Szenarien, berechnet von verschiedenen Forschern
> Akademische Übersicht, die die Leckagebereiche von Wasserstoff in den Hauptteilen der Speicher- und Verteilungsinfrastruktur darstellt
> Wasserstoffversprödung: Liste von Zusammenfassungen aus Übersichts- und Forschungsarbeiten
> Lebenszyklusanalyse von Wasserstoffspeichertanks mit Angaben zur erwarteten Lebensdauer in Jahren
> Lebenserwartung von großskaligen Langzeit-Lagerungstanks für flüssigen Wasserstoff
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