Dozenten der Hochschule Kempten räumen mit Klischees auf

Ernüchterung für Wasserstoff-Fans

Antrieb, industrielle Produktion, Wärmeproduktion und Speicherung: Einen umfassenden Blick
auf die Potentiale von Wasserstoff warfen die Dozenten der Hochschule Kempten Norbert Grotz
und Dr. Martin Steyer.
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Antrieb, industrielle Produktion, Wärmeproduktion und Speicherung: Einen umfassenden Blick auf die Potentiale von Wasserstoff warfen die Dozenten der Hochschule Kempten Norbert Grotz und Dr. Martin Steyer.

Kempten – Wasserstoff werde im Allgäu nur punktuell interessant, sagt die Analyse der Hochschuldozenten Norbert Grotz und Dr. Martin Steyer. „Wir waren teilweise selbst überrascht von unseren Ergebnissen“, erklärte Steyer bei seiner öffentlichen Vorlesung. Für die Ringveranstaltung „Nachhaltigkeit und Ethik in Wirtschaft und Technik“ hatte er sich zusammen mit seinem Partner, dem Ingenieur für Elektrotechnik Norbert Grotz, den Wasserstoff (H) vorgenommen. „Wir haben festgestellt, dass in der Öffentlichkeit bei dem Thema noch Klärungsbedarf da ist“, sagen die beiden.

Es klingt verlockend: Energie herstellen, ohne dabei Treibhausgase zu produzieren. Wasserstoff ist immer öfter als saubere Energiequelle im Gespräch. Verstromt man ihn in einer Brennstoffzelle, bleiben als Nebenprodukte lediglich Wasser und etwas Wärme zurück. Aber ist Wasserstoff tatsächlich ein Energieträger der Zukunft, können wir die Klimawende schaffen, wenn wir auf Wasserstoff setzen und wie sieht es mit einer sinnvollen Nutzung speziell im Allgäu aus? Die Wissenschaftler haben das Thema detailliert beleuchtet und verglichen, wie der Wasserstoff in puncto Energieverbrauch abschneidet.

Denn um die Energiewende zu schaffen, gehe es nicht nur darum, den stark ansteigenden Strombedarf regenerativ herzustellen. Weil wir das nicht schaffen, müssen wir es gleichzeitig hinbekommen, weniger Energie zu verbrauchen. „Und nicht in erster Linie durch Verzicht“, sagte Grotz, „naja, auf manches könnte man vielleicht schon verzichten“, aber es gehe vor allem darum, technisch intelligent vorzugehen und die Effizienz zu steigern.

Wasserstoff interessant bei großen Fahrzeugen und langen Strecken? 

Genau schauten sich die Forscher daher verschiedene Verkehrsmittel an: „Da gibt’s ja diese bekannte Grafik“, sagte Grotz. Die besagt, je länger die Strecke und/oder je schwerer das Auto, desto interessanter wird Wasserstoff als Antriebsmittel. „Aber wir müssen uns das aber im Detail anschauen“, warnte er und erklärte die Komponenten eines H-Autos. Neben einem Elektromotor finden sich dort Brennstoffzelle und Wasserstofftank. Weil der gasförmige Wasserstoff viel Platz benötigt, muss man hier mit Hochdrucktanks (700 bar) arbeiten. Bei dieser Komprimierung gehen etwa zwölf Prozent der Energie verloren, weil man sie aufwenden muss, um das Gas in den Tank zu bekommen, erklärte Steyer. Davor muss der Wasserstoff mittels Elektrolyse aber erst produziert werden, was 30 Prozent der Energie kostet.

Dann gelangt der Wasserstoff in die Brennstoffzelle an Bord. Hier werden die Protonen und Elektronen der Wasserstoffmoleküle getrennt und reagieren im Zusammenspiel mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Eine Schicht versperrt den Elektronen den Weg. Durch den Umweg, den sie nehmen müssen, können sie, vereinfacht gesagt, als Strom genutzt werden. Auch bei diesem Prozess gehe wieder Energie verloren: Steyer rechnet bei marktreifen Brennstoffzellen mit zwischen 50 und 60 Prozent.

Der Strom aus der Brennstoffzelle wandert dann in den Elektromotor. Trotz Wasserstoffantrieb braucht der Wagen zusätzlich eine Batterie in einer Größe zwischen Autobatterie und E-Autobatterie. Denn die Brennstoffzelle und deren Befeuchtung müssten erst einmal in Gang gebracht werden. Weil auch E-Motor und Batterie keinen Wirkungsgrad von 100 Prozent haben, schlagen dadurch weitere Energieverluste zu Buche.

An einem Auto in Golf-Größe stellte Grotz den Vergleich an: Der Wagen braucht 14 Kilowattstunden (kWh) an mechanischer Energie pro 100 Kilometer. Je nach Antriebsart und deren Wirkungsgrad muss unterschiedlich viel Energie dafür produziert werden. Bei Dieselund Benzinmotoren werden 67 kWh benötigt (75 Prozent Wärmeverluste, 16 Prozent Verlust für Kraftstoffherstellung und -transport). Noch schlechter schneiden E-Fuels ab. Hier wird mittels Strom aus Wasser und CO2 synthetischer Kraftstoff hergestellt. Um die 14 kWh für den Mittelklassewagen zu erhalten, sind dabei sogar 108 kWh nötig.

Das Wasserstoff-Auto benötigt für die 100 Kilometer 45 kWh und ist somit besser als Diesel und Benzin. Ungeschlagen bleibe jedoch das E-Auto mit einem Gesamtwirkungsgrad von 76 Prozent (Transport /Batterie -18 Prozent, Elektromotor – acht Prozent). Es benötige nur 19 kWh. Der schlechtere Wirkungsgrad des Wasserstoffs erkläre sich damit, dass hier mehr und verlustreichere Umwandlungsprozesse von Nöten seien.

(Kurze) Oberleitungen auf dem Vormarsch

Und wie sieht es aus, wenn die Strecken länger, die Fahrzeuge schwerer und die Batterien im E-Auto somit größer werden? Holt das Wasserstoff-Fahrzeug dann auf? Diesen Effekt stellen die Forscher in ihren Berechnungen nicht fest. Bis hin zu Reichweiten von 800 bis 1000 Kilometer würden Wasserstofffahrzeuge etwa die doppelte Energiemenge wie E-Fahrzeuge benötigen. „Um Wasserstoffautos zu betreiben, brauchen wir also die doppelte Menge an Windrändern“, sagte Steyer.

Und dass dies auch bei den großen LKW der Fall ist, habe auch Steyer überrascht. Viele große Hersteller würden derzeit vor allem auf E-LKW setzen und verschöben den Wasserstoff-Start in die Zukunft, auch wenn die schweren E-LKW-Batterien eventuell die mögliche Zuladung verringern. Das gleiche Bild zeige sich bei den Bussen. Im Angebot seien E-Fahrzeuge mit nur 200 bis 300 Kilometern Reichweite. Im Winter sinke diese noch weiter, weil viel Energie für die Heizung geopfert werde.

Die geringen Reichweiten von E-Bussen ließen sich erklären, wenn man nur bis zum nächsten Ladepunkt an der nächsten Haltestelle fahren müsse. Wiederauferstanden seien die Oberleitungen. Busschnelladepunkte nach diesem Muster finde man in Münster, Barcelona und London. Auf der A1 gibt es bereits LKW im Oberleitungssystem und auch die passenden Ladestellen. Und auch in puncto Zuladegewicht sind solche LKW wieder gleichauf mit H-Fahrzeugen.

Und was ist mit dem blauen Wasserstoffzug?

„Bei der Eisenbahn ist die Antwort noch viel einfacher“, sagte Grotz. Da gebe es ja schon überall Oberleitungen. Der Wirkungsgrad des E-Motors liege mit 95 Prozent noch besser als jener auf der Straße. Ein Wasserstoffzug erreiche dagegen nur einen Wirkungsgrad von 40 Prozent. Bis die Oberleitungen in ausreichender Menge über den Schienen baumeln, gebe es auch hier Übergangstechnologien: in Form von Batterie-Hybrid-Zügen mit Oberleitungsabnehmern. „Die Österreicher machen das so, dass sie an Bahnhöfen kurze Oberleitungsstücke einsetzen.“ Mit diesem Zwischenladen reiche die Batterie ohne Weiteres. Der blaue Wasserstoffzug, der durch die Medien fährt, „hat vom Wirkungsgrad her keine Chance gegenüber Oberleitung und Hybrid-Lösung“.

Wasserstoff bei die Fische

Nur bei den ganz langen LKW-Strecken und in der Schifffahrt könne der Wasserstoff sein volles Potential ausspielen. Der Nachteil: Man braucht neue Schiffe. E-Fuel hat zwar einen „super-schlechten Wirkungsgrad“, er könne dagegen mit den aktuellen Flotten verwendet werden. Andere visionäre Ideen seien, den Wind mittels Segeln wieder zu nutzen, oder Treibstoff aus Algen zu gewinnen. Auch beim Flugverkehr sei Wasserstoff ein Thema. Airbus habe schon eine ganze Flotte angekündigt. Allerdings könne es eventuell klimaschädlich sein, wenn in solch hohen Höhen Wasser ausgestoßen werde. An diesem Thema arbeite die Forschung gerade noch.

Aber Wasserstoff kann ja nicht nur in der Mobilität eingesetzt werden, sondern auch im Bereich Wärmeenergie. Zum Beispiel können Gasöfen über Brennstoffzellen mit Wasserstoff verwendet werden. Das hätte den Vorteil, dass viele Bestandsgasöfen regenerativ genutzt werden könnten. „Hier schlagen aber wieder die Wirkungsgrade zu Buche“, sagte Steyer. Auch im Inselbetrieb mache Wasserstoff Sinn, wenn man selbst autark sein will, könnte man sein Haus mit einer Brennstoffzelle bauen. Für Steyer ist Wasserstoff im Wärmesektor eine Brückentechnologie. Denn an Wärmepumpen komme er nicht heran. „Wärmepumpen sind mit Abstand die effektivste Technologie, die wir haben“, so der Wissenschaftler. Sie haben einen Wirkungsgrad von 100 bis 500 Prozent. Wenn man hier den Wirkungsgrad von Strom zu Wärme betrachte, kommt Umweltwärme dazu – also aus Erde, Luft- oder Wasser – und bessert den Wirkungsgrad auf. Aus einer Kilowattstunde Strom entstehen mit Erdwärmepumpen drei bis vier Kilowattstunden Wärme. Auch Heizstäbe wären hier sehr gut und seien zudem kostengünstig. Und die Effektivität der Wärmepumpen könne man sich auch im Stromsektor zu Nutze machen.

Power to Heat hat eine Schlüsselfunktion in der Energiewende

Unser Stromnetz basiert auf einem permanenten Gleichgewicht von Stromerzeugern und Abnehmern. Wenn Wind- und Sonnenergie weiter ausgebaut werden, ist das Stromangebot aber stärkeren Schwankungen unterworfen als jetzt. An wind- und sonnenreichen Tagen kann es vorkommen, dass zu viel Stromangebot da ist. Im Winter dagegen gibt es zwei bis dreimal im Jahr sogenannte „Dunkelflauten“, an denen der Energiebedarf hoch ist, das -angebot aber gering. „Im Moment könnten diese Schwankungen ausgeglichen werden, indem wir Gaskraftwerke ab- oder zuschalten“, erklärte Grotz. Künftige regenerative Energieüberschüsse nicht zu nutzen, wäre aber „schade“. Und wenn man den Stromverbrauch nicht einzig auf Wind- und Sonnenzeiten legen und nicht so viel Strom importieren will, müsse man ihn auch speichern.

Am effizientesten sei es, nach dem „Power-to-heat-Prinzip“ den Überschussstrom über Wärmepumpen oder Heizstäbe als Warmwasser zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt im Fernwärmenetz zu nutzen. „Diese Wärmespeicher können für kürzere Zeit auch jeder für sich im Keller nutzen“, sagte Grotz. Sind die Wärmespeicher voll, sollten wegen ihres hohen Wirkungsgrades Batteriespeicher und Pumpwasserkraftwerke als zweites genutzt werden. Erst im vierten Schritt komme in Frage, mit dem Überschussstrom aus Wasser Wasserstoff als Speicher zu erzeugen. Denn auch hier fallen in der Produktion und der Speicherung wieder Energieverluste an.

Aus diesem Wasserstoff könne wiederum mittels Elektrolyse ein Gas hergestellt werden, mit dem man bestehende und neue Gaskraftwerke in Dunkelflauten zuschalten kann. Und der Ausbau solcher Kraftwerke sei in kleinerem Umfang absolut notwendig so Grotz und Steyer. Allerdings sei im Gespräch, auch Wasserstoff aus dem Ausland zu importieren, „und das macht auch Sinn“, sagte Steyer, weil beispielsweise afrikanische Länder mit ihren vielen Sonnenstunden und Unmengen von Platz „viel kostengünstiger Wasserstoff produzieren können als wir“. In diesem Fall könnten wir laut Steyer aber auch gleich den regenerativen Strom importieren, was technisch und kostenmäßig die preiswerteste Variante sei. Ob man sich von solchen günstigen Importen abhängig mache oder nicht, sei am Ende auch eine politische Frage. Als letzte Möglichkeit komme für die Dunkelflauten auch Biomasse-Energie in Betracht. Aus Sicht von Grotz und Steyer werde man sich aus politischen Gründen für eine Mischung aus all dem entscheiden.

»Noch machen zusätzliche Speicher keinen Sinn«

Obwohl in der Öffentlichkeit „alle davon reden, wir brauchen Speicher, wir brauchen Speicher“, mache der Zubau von Speichern generell erst Sinn, wenn der Anteil an regenerativer Energie am Gesamtenergiebedarf bei rund 70 Prozent und mehr liege. Das sei im Zusammenhang mit den aktuellen Ausbauszenarien in etwa ab dem Jahr 2035 zu sehen. (Heute sind wir bei 17 Prozent.) Demensprechend werde auch erst zu diesem Zeitpunkt Wasserstoff als Speicher zum Einsatz kommen. Die inländische Wasserstoffproduktion werde aber „vermutlich nie wettbewerbsfähig sein, im Vergleich zu sonnen- und windreicheren Standorten“, so Steyer. Insgesamt rechnen die beiden Forscher damit, dass im kleineren Umfang (zwischen fünf und zehn Prozent) des Gesamtenergiebedarfs in Wasserstoff gespeichert werden.

„So richtige Potentiale für Wasserstoff im Allgäu haben wir nicht sehen können“, zeigte sich Grotz am Ende enttäuscht. Da im Allgäu keine größeren Stahl-, Chemie- oder Pharmaproduzenten beheimatet sind, die Wasserstoff lokal in großen Mengen für ihre Produktion benötigen, und auch keine größeren Erzeuger von regenerativer Energie zu finden sind, werde der Wasserstoff in der Herstellung von Stoffen nur punktuell eingesetzt. Auch in der Allgäuer Mobilität besetzen Wasserstofffahrzeuge laut der Analyse nur eine Nische: bei den extremen Langstrecken im Cargo-Bereich oder vereinzelt am AllgäuAirport. Und momentan, ohne große regenerativen Energie-Anteile, „wäre es ein Verlustgeschäft, den guten regenerativen Strom in Wasserstoff umzuwandeln. Das würde unsere CO2-Bilanz verschlechtern“. Ab 2035 sei es punktuell möglich. Seine Ergebnisse einschränkend machte Steyer jedoch deutlich, dass er und sein Partner nicht den Einblick in jedes Unternehmen hätten und sie dennoch eine weitere Erforschung der Wasserstofftechnologien für den zielgerichteten Einsatz in künftigen Anwendungen empfehlen.

Wer den ganzen Vortrag sehen will, findet ihn hier.

Zu den Powerpoint-Folien geht‘s hierlang.

Und die gesamte Ringvorlesung gibt‘s hier.

Susanne Lüderitz

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Die Sendung „Kontrovers – Die Story, E-Auto-Revolution? Tanken statt laden“. Hier geht es um eine Methanol-Brennstoffzelle. Zu sehen hier.

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