So klappt die Energiewende

Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Die im Moment viel diskutierte Energiewende kennt zahlreiche Ausgestaltungsmöglichkeiten. Es geht darum, wie in Zukunft Strom hergestellt wird, wie er gespeichert wird, ob Strom als Ersatz für andere Energiequellen wie Öl und Gas dienen kann und wie Mobilität mit Elektrizität ausgestaltet werden kann.

Von Peter Tromm | Dozent und Projektleiter, Fachhochschule Graubünden Do, 23.01.2020

Das Thema Energiewende beschäftigt die Menschen immer mehr. Einerseits ist der Energiekonsum gross und lässt sich kaum einschränken oder gar vermeiden. Andererseits nimmt der Energiehunger weltweit immer noch jedes Jahr zu. Wenn wir in der Schweiz den Erdölverbrauch senken und gleichzeitig Atomkraftwerke abschalten wollen, stellt sich die Frage, wie wir den Energiebedarf decken können. 

Wärme lässt sich heute mit Wärmetauschern (Luft- und Erdwärmepumpen) in Gebäude einbringen. Laut dem Bundesamt für Energie werden heute in der Schweiz etwa 90 Prozent der neu erstellten Gebäude mit solchen Heizungsanlagen ausgerüstet. So wird also der Ölverbrauch mehr und mehr verringert, aber immer noch Strom zum Betreiben der Anlage benötigt.

Nachhaltiger Strom wird über Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik-Anlagen (PV) hergestellt. Der Nachteil ist hierbei, dass dieser Strom nicht konstant zur Verfügung steht. Wenn nun immer mehr Elektrizität mittels PV hergestellt wird, ist es erforderlich, diesen Strom z.B. für die Nacht speichern zu können. Dies geht mit synthetischen Treibstoffen, einer davon ist Wasserstoff.

Speicherung von Strom

Wasser lässt sich mittels Strom durch Elektrolyse in seine zwei Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Der Wasserstoff wird aufgefangen und in Drucktanks gespeichert. Den Sauerstoff gibt man an die Umgebungsluft ab. Auf diese Art lässt sich Strom speichern. Mit Hilfe einer sogenannten Brennstoffzelle (BZ, engl. Fuel Cell FC) kann der Wasserstoff wieder in Strom umgewandelt werden. Dazu wird Sauerstoff benötigt, den man aus der Luft nimmt. Einziges Abfallprodukt ist Wasser, womit der Kreislauf geschlossen ist.

Gasförmiger Wasserstoff strömt in einer Brennstoffzelle über eine Platin-Elektrode und wird in Protonen (Wasserstoff-Ionen) und Elektronen aufgespalten. Die Protonen wandern durch eine Membran zur anderen Elektrode und verbinden sich mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser. Die Elektronen fliessen über einen Leiter und können als Strom genutzt werden.

Funktionsweise einer Brennstoffzelle

 

In einer Brennstoffzelle findet – chemisch gesehen – die Verbrennung von Wasserstoff statt. Dabei entsteht wieder Strom. Dieses Prinzip ist seit etwa hundert Jahren bekannt. Der Wirkungsgrad liegt heute bei ungefähr 60 Prozent, das bedeutet, dass die im Wasserstoff enthaltene Energiemenge zu 60 Prozent in Strom umgesetzt wird. Wie bei allen Verbrennungsmaschinen geht der Rest als Abwärme verloren. Verglichen mit einem Benzinmotor ist das ein sehr guter Wert, da dieser bestenfalls nur 30 Prozent der im Benzin enthaltenen Energie in Bewegung umsetzt. Die Brennstoffzelle läuft bei einer Betriebstemperatur von etwa 80 Grad Celsius.

Durch intensive Forschung sollte sich dieser Wirkungsgrad weiter verbessern lassen. So geht der Vorsitzende von Toyota davon aus, dass dies wesentlich schneller geschieht als die Entwicklung von Elektro- und Hybridantrieben.

Ein Brennstoffzellen-Stack für die Serienproduktion der Firma Bosch für LKW und PW. (Bild Bosch)

 

Speicherung von Wasserstoff

Wasserstoff ist bei Raumtemperatur, also 20 Grad Celsius, ein Gas, es ist unsichtbar und geruchlos. Dies macht ein Handling schwieriger beziehungsweise aufwendiger, ist aber vergleichbar mit Erdgas.

Wollte man Wasserstoff flüssig machen, müsste man diesen auf -252 Grad Celsius herunterkühlen. Das wäre natürlich zu aufwendig. Um Gas speichern zu können, verwendet man Druckflaschen, wie man sie zum Beispiel für Campinggas oder auch Taucherflaschen kennt. In der Industrie und in Labors werden bereits heute relativ grosse Mengen an Wasserstoff verwendet, die in Flaschen geliefert und gelagert werden. Es existieren auch bereits Tanklastfahrzeuge, zum Beispiel bei Linde, für den Transport dieses Gases. Die Speicherung kann bei einem Druck von bis zu 700 bar erfolgen.

Um grössere Mengen speichern zu können, beschäftigt sich die Forschung zurzeit mit unterirdischen Hohlräumen, zum Beispiel Kavernen, mit den vorhandenen Erdgasnetzen und auch mit voluminösen Stahlkugeln.

In einigen Gebieten der Schweiz werden dem Erdgasnetz bereits heute etwa 10 Prozent Wasserstoff zugesetzt, zum Beispiel in Solothurn. Bei den Anwendungen merkt man keinen Unterschied, aber der Kohlenstoffdioxid-Ausstoss wird verringert.

Dies ist der erste Artikel in einer Serie zum Thema Wasserstoff. In einem weiteren Artikel im Verlauf des Frühlings wird der Autor auf die Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff und auf die Chancen einer Wasserstoffwirtschaft für den Kanton Graubünden eingehen.

Zum Autor

Dr. Peter Tromm arbeitet am Zentrum für wirtschaftspolitische Forschung ZWF der Fachhochschule Graubünden. Unter anderem leitet er zurzeit das Projekt «Wasserstoff für die Energiewende». Es geht dabei um regionalwirtschaftliche Auswirkungen im Kanton Graubünden. Mithilfe dieses Projektes soll abgeklärt werden, ob Wasserstoff in Graubünden wirtschaftlich hergestellt und genutzt werden kann, ob und wie sich Wasserstoff-Tankstellen auch im Berggebiet wirtschaftlich betreiben lassen, welcher Nutzen für die gesamte Region aus einer Wasserstoffwirtschaft resultieren kann und ob sich Wasserstoff sinnvoll und genügend speichern lässt.

Kontakt: peter.tromm@fhgr.ch