Der Wasserstoff hebt ab

Universell einsetzbar

Das leichte Wasserstoff-Gas soll zum Fundament eines neuen Energiesystems werden, denn es ist universell einsetzbar: Durch Verbrennen mit Sauerstoff treibt es Raketen an oder befeuert Gasturbinen. Brennstoffzellen zähmen die feurige chemische Reaktion durch eine räumliche Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff in zwei Halbzellen – und liefern kontinuierlich elektrischen Strom. Hersteller testen solche Zellen seit Jahrzehnten als sauberen Antrieb für Autos (im englischen Fachjargon: Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) – mit Erfolg.

FCEV sind Elektrofahrzeuge, die nur eine recht kleine Batterie an Bord haben. Denn sie wird nur für kurze Leistungsspitzen und zur Rückgewinnung von Bremsenergie gebraucht. Die Energie für den Antrieb kommt aus einem Wasserstoff-Tank. Brennstoffzellen-Autos benötigen daher keine langen Ladepausen. Und sie bieten – dank der im Vergleich zu einer Batterie wesentlich höheren Energiedichte von Wasserstoff – ähnliche Reichweiten wie Wagen mit Verbrennungsmotor.

Ein typisches Henne-Ei-Problem

Dass erst ein paar Hundert solcher Fahrzeuge in Deutschland unterwegs sind, liegt am hohen Preis der ersten Kleinserienmodelle – und an dem dürftigen Netz an Wasserstoff-Tankstellen. Es ist also ein klassisches „Henne-Ei-Problem“. Für das Klima und die Luftqualität sind Brennstoffzellen-Autos gut: Statt CO2 und verschiedener Schadstoffe pusten sie nur Wasserdampf in die Luft.

Dennoch spricht sich das Bundesumweltministerium gegen die Brennstoffzelle im Verkehr aus. Der Grund: Ihr Wirkungsgrad ist mit rund 60 Prozent zwar etwa doppelt so groß wie bei Autos mit Benzin- oder Dieselmotor, doch eine Batterie ist in diesem Punkt noch besser. Sie nutzt rund 90 Prozent der eingesetzten Energie. Ökostrom soll so effizient wie möglich eingesetzt werden, argumentieren die Kritiker der Brennstoffzellen-Technik. Betrachtet man die ganze Kette von der Wasserstoff-Produktion bis zum Antrieb, brauchen FCEV gegenüber Elektroautos mit Batterieantrieb gar die dreifache Menge an elektrischer Energie. Tesla-Chef Elon Musk ersetzt den Begriff „Fuel Cell“ deshalb gern durch „Fool Cell“ – übersetzt: „Idiotenzelle“.

Batterieelektrische Pkw sind für Entfernungen bis etwa 300 Kilometer die effizientere Lösung, zeigen Studien. Doch je größer die Reichweite und je schwerer das Fahrzeug, umso größer, schwerer und damit unpraktikabler werden die Batterien. Dazu kommt der steigende Bedarf an kritischen Rohstoffen. Bei tonnenschweren Lkw ist Wasserstoff klar im Vorteil. Denn da kann die Abwärme der Brennstoffzelle im Winter nebenbei das Fahrzeug beheizen, ohne dass sich dadurch – wie bei einer Batterie – die Reichweite verkürzt.

Die Debatte um Wirkungsgrade wirkt akademisch, da die Produktion von grünem Wasserstoff klimaneutral ist, sofern der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt. Entscheidend wird hingegen sein, dass genug Ökostrom verfügbar ist.

Eine Energiewende ohne Wasserstoff sei nicht machbar, ist Tom Smolinka vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg überzeugt: „Will man die CO2-Minderungsziele bis 2050 erreichen, dann geht das nur über Sektorenkopplung mit grünem Wasserstoff.“ Als Sektoren sehen die Experten zum Beispiel die Stromerzeugung des elektrischen Stroms an sowie den Energieverbrauch in Wohn- und Industriegebäuden, Landwirtschaft oder Verkehr.

Der Verkehrssektor ist das größte Sorgenkind, da seine Treibhausgas-Emissionen bisher kaum gesunken sind. Wasserstoff, der bereits einige Regionalzüge und Busflotten antreibt, gilt als einzige realistische Option für den Ersatz fossiler Energieträger in Schifffahrt, Flug- und Schwerlastverkehr. Dazu lässt er sich entweder als gasförmiger Treibstoff oder als Basis für synthetische Kraftstoffe nutzen.

Schwankendes Angebot ausgleichen

Auch im Stromsektor wird grüner Wasserstoff gebraucht, weil seine Produktion in Elektrolyse-Anlagen dem Stromangebot folgen und Angebotsschwankungen ausgleichen kann, meint Smolinka. Denn so lasse sich erneuerbarer elektrischer Strom besser in das Energiesystem integrieren. „Dafür brauchen wir angepasste Elektrolysen, die sich flexibel betreiben lassen und damit netzdienlich agieren“, betont der Fraunhofer-Forscher. Sie können also zur Stabilisierung der Stromnetze beitragen. Smolinka und sein Team am Fraunhofer ISE erforschen, wie sich die Lebensdauer von Elektrolyseanlagen bei dynamischem Betrieb mit schnellem Ein- und Ausschalten erhöhen lässt.

Die Elektrolyseure sollen auch das Kardinalproblem der Energiewende lösen: den Mangel an Energiespeichern. Selbst bei einem starken Ausbau von Wind- und Sonnenenergie drohen sogenannte Dunkelflauten – Phasen ohne Sonne und zugleich mit schwachem Wind –, in denen Reservekraftwerke als Stromlieferanten einspringen müssen. „Wir werden saisonale Energiespeicher für 15 bis 20 Terawattstunden (TWh) erneuerbare Energie brauchen“, sagt Ludwig Jörissen vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) in Ulm. Das entspricht etwa der jährlichen Stromproduktion von zwei Kernkraftwerken. Pumpspeicher und Batterien seien dazu nicht annähernd in der Lage, in Kavernen – großen unterirdischen Hohlräumen – gespeicherter Wasserstoff aber schon.

Strom aus sauberen Kraftwerken

Als Brennstoff in regelbaren Kraftwerken könnte Wasserstoff eine durchgängige Stromerzeugung ermöglichen, ohne dazu fossile Energieträger nutzen zu müssen. An windreichen Tagen, wenn norddeutsche Windparks viel Strom liefern, würde dazu die H2-Produktion hochgefahren. Bisher müssen in solchen windreichen Phasen Windkraftanlagen abgeschaltet werden, weil die Netze nicht genug Strom befördern können und Speicher fehlen. Jährlich werden daher mehr als fünf TWh an erneuerbarem Strom gar nicht erst produziert, obwohl die Windenergie dafür da wäre. Statt die Turbinen aus dem Wind zu drehen oder den Strom quasi ins Ausland zu verschenken, ließe er sich mit Power-to-Gas als Vorrat bunkern.

Für Werner Diwald, den Vorstandsvorsitzenden des Deutschen Wasserstoff-Verbands (DWV), steht fest, dass grüner Wasserstoff „die heutige Rolle des Erdöls einnehmen wird“. Diwald begrüßt die Nationale Wasserstoffstrategie der Berliner Bundesregierung als „wichtiges Signal an die Industrie“. Zusammen mit dem Konjunkturpaket stellt der Bund über neun Milliarden Euro für den Markthochlauf der Wasserstoff-Wirtschaft in Aussicht. Für die Energiewende ist das Geld gut investiert, meint der Verbandschef, auch weil damit Chancen für die heimische Wirtschaft verbunden seien.

Der DWV vertritt unternehmerische Schwergewichte wie die Firmen Linde, Siemens, Bosch, VW und BMW. Die deutsche Industrie kann von der Wasserstoff-Wirtschaft profitieren, ist man beim DWV überzeugt. Doch dafür brauche man „einen verlässlichen, planbaren Markt für grünen Wasserstoff“. Deshalb müsse die Regulierung jetzt schnell auf den Weg gebracht werden, damit etwa auf Basis von Wasserstoff produzierte synthetische Kraftstoffe (E- Fuels) eine Chance bekämen.

Mit Strom, Wasser und CO2 lässt sich im Prinzip jeder Kraftstoff nahezu klimaneutral produzieren. Obwohl der Wirkungsgrad durch die zusätzliche Umwandlung sinkt, könnten E-Fuels helfen, die Klimaziele im Verkehr zu erreichen. Bisher werden sie jedoch – anders als etwa Biodiesel – nicht zur Erfüllung des Erneuerbare-Energien-Ziels im Verkehrssektor anerkannt. Als Null-Emissions-Fahrzeuge gelten nur reine Batterie-Elektroautos, selbst wenn sie mit Kohlestrom betrieben werden.

Doch DWV und Autoindustrie setzen große Hoffnungen in synthetische Kraftstoffe. So betreibt Audi im niedersächsischen Werlte seit 2013 die mit sechs Megawatt leistungsstärkste Power-to-Gas-Anlage Deutschlands. Sie nutzt Ökostrom aus Windparks der Umgebung, um per Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Außerdem produziert die Anlage aus Wasserstoff und Kohlendioxid synthetisches Methan, das ins Erdgasnetz eingespeist wird. Der nächste Schritt soll die Herstellung klimaneutraler E-Fuels sein.

Grüner Wasserstoff könne auch den CO2-Fußabdruck fossiler Kraftstoffe verkleinern, betont Diwald. „Für die Dieselherstellung werden jährlich 170.000 Tonnen Wasserstoff gebraucht“, berichtet der DWV-Vorstand. Durch den Einsatz von grünem Wasserstoff ließen sich die CO2-Emissionen um 1,7 Millionen Tonnen senken. Das Problem sei, dass diese Emissionsminderung bisher im Rahmen der Treibhausgas-Quotenverpflichtung der Raffinerien nicht berücksichtigt werde. Dennoch baut die Shell AG in der Rheinland-Raffinerie bei Köln einen Elektrolyseur, der grünen Wasserstoff für die Entschwefelung konventioneller Kraftstoffe liefern soll.

Neue Membranen im Fokus

Der britische Hersteller ITM Power liefert die Anlage und will damit demonstrieren, dass die sogenannte Feststoffmembran-Technik (Proton Exchange Membran, PEM) reif für großindustrielle Anwendungen ist. Bei dieser Variante der Elektrolyse besteht der Elektrolyt aus einer dünnen folienartigen Membran. Der nach eigenen Angaben weltweit größte PEM-Elektrolyseur mit einer Leistung von 10 Megawatt soll jährlich 1300 Tonnen grünen Wasserstoff produzieren. Doch allein die Rheinland-Raffinerie benötigt insgesamt etwa die 140-fache Menge. Um alle Raffinerien umzustellen, bräuchte es ein bis zwei Gigawatt Elektrolyse-Leistung. Benötigt werden also Großelektrolyseure – und die sind bereits geplant, beispielsweise in Lingen, wo das Industrie-Konsortium GetH2 mit 100 Megawatt den ersten Schritt zum Aufbau einer bundesweiten Wasserstoff-Infrastruktur machen will.

Dünger vom Assuan-Staudamm

Neuland sind solche Dimensionen keineswegs: Als mit dem Bau des Assuan-Staudamms in Oberägypten in den 1960er-Jahren die jährliche Ablagerung fruchtbaren Nilschlamms wegfiel, entstand in der Nähe eine Düngemittelfabrik. Um den für die Düngerproduktion nötigen Ammoniak herzustellen, wird Wasserstoff gebraucht. Den lieferte ab 1963 ein Großelektrolyseur, den Ingenieure der Firma Hartchrom im Auftrag von BASF entworfen hatten. Das Kraftwerk am Staudamm stellte die elektrische Leistung von über 200 Megawatt für insgesamt 288 Module bereit. Einige davon waren bis vor wenigen Jahren in Betrieb.

„Das waren Eisenschweine“, sagt Werner Diwald. Der Materialbedarf habe den Bedarf moderner Elektrolyseure um ein Vielfaches überstiegen. Statt den heute möglichen 70 bis 82 Prozent dürfte der Wirkungsgrad „eher bei 60 Prozent“ gelegen haben. Die Elektrolyse in Ägypten war dennoch wirtschaftlich, weil sie durch die regelmäßige Stromzufuhr vom Wasserkraftwerk fast durchgehend bei Volllast arbeitete. „Die geringen Strombezugspreise haben sie rentabel gemacht“, sagt Tom Smolinka. Allerdings: Nach der Ölkrise in den 1970er-Jahren begann die Förderung von Erdgas im großen Stil. „Seitdem setzt man weltweit auf die Dampfreformierung“, sagt der Fraunhofer-Forscher. Inzwischen hätten sich die Anforderungen an Elektrolyseure gewandelt, da sie heute einem schwankenden Stromangebot folgen müssen.

Der fünftgrößte deutsche Energieversorger, die Firma EWE aus Oldenburg, kennt das Problem: „Wir haben über 90 Prozent erneuerbare Energie im Netz“, sagt Paul Schneider, Wasserstoff-Experte bei EWE. Doch der Strombedarf sei nicht immer dann am höchsten, wenn der Wind stark weht. Deshalb müssten Windparks in Ostfriesland während „fast 30 Prozent der möglichen Betriebsstunden abgeregelt werden“.

Fataler Mangel an Stromleitungen

Riesige Mengen an Ökoenergie bleiben daher ungenutzt, weil Stromleitungen zu den Großverbrauchern im Süden fehlen. Deren Bau sei weit teurer als eine Wasserstoff-Infrastruktur mit dezentralen Elektrolysen, die aus dem „überschüssigen“ Strom grünen Wasserstoff erzeugen könnten. Damit ließen sich viele Wasserstoff-Fahrzeuge betreiben – und nebenbei würden sie eine Lösung für das Hauptproblem der Energiewende bieten: „Fluktuierende Quellen brauchen großskalige Speicher“, sagt EWE-Ingenieur Schneider.

Wenn wochenlang kein Wind weht, springen bisher fossile Ersatzkraftwerke ein. Auch dafür sei Wasserstoff die ideale Lösung, weil er sich im großen Stil in Kavernen speichern lasse, in denen bisher Erdgas lagert. „In der Dunkelflaute wird grüner Wasserstoff zum Primärenergieträger“, sagt Schneider. Der Mann mit dem markanten H2-Tattoo auf dem Arm will die EWE-Infrastruktur in eine grüne Batterie der Energiewende verwandeln. 37 unterirdische Lagerstätten betreibt das Unternehmen vor allem in Norddeutschland. In manche davon würde der Kölner Dom zweimal passen. Eine einzige Kaverne speichert mehr Energie als alle Pumpspeicherwerke Deutschlands zusammen. Zwei Drittel der in Deutschland vorhandenen Kavernen lassen sich problemlos auf Wasserstoff umrüsten und könnten so eine Speicherkapazität von 45 Terawattstunden bereitstellen, sagt Schneider. Für ihn ist Wasserstoff „der Zehnkämpfer der Energiewende“, der dringend an den Start muss, „weil Klimaschutz nur sektorübergreifend funktioniert“.

Mit dem Projekt „Hyways for Future“ soll der Nordwesten Deutschlands zur Wasserstoff-Region werden. Gemeinsam mit Partnern will EWE 90 Millionen Euro in eine Wasserstoff-Infrastruktur investieren, einschließlich einer Elektrolyse mit 13 Megawatt Leistung in Bremen. Langfristig sei ein Vielfaches dieser Leistung möglich, heißt es bei dem Oldenburger Unternehmen.

Müllautos mit Brennstoffzelle

Geplant ist auch die Anschaffung Hunderter Pkw, Lkw, Busse und sogar Müllfahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb sowie der Bau von Tankstellen zwischen Cuxhaven und Oldenburg. Die sollen künftig per Stromleitung versorgt werden, da der Transport per Lkw aufwendiger wäre: Dazu müsste das Gas auf 350 bis 700 Bar komprimiert werden. Und wegen des hohen Eigengewichts der Stahlbehälter passt maximal eine Tonne Wasserstoff auf eine Fuhre.

Mit Pipelines lässt sich Wasserstoff für ein Zehntel der Kosten transportieren. Dafür könnten Teile der bestehenden Erdgaspipelines schrittweise umgewidmet und ergänzt werden. EWE betreibt 55.000 Kilometer Gaspipelines. Deutschlandweit gibt es sogar 510.000 Kilometer, in denen die Betreiber künftig mehr Wasserstoff als Erdgas befördern wollen. „Die Versorgung wird kein Problem sein“, meint Schneider. Allerdings müsse zuerst eine Nachfrage entstehen, etwa durch Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Der H2-Botschafter ist am liebsten mit einem Brennstoffzellen-Auto aus dem Firmenfuhrpark unterwegs. Die Diskussion um den Wirkungsgrad führe in die Irre, meint er. Was zähle, seien die Klimaneutralität und das Gesamtpaket.

Obwohl Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland noch rar sind, seien Langstrecken-Fahrten etwa mit einem Hyundai Nexo kein Problem, sagt Schneider. 84 Tankstationen in Großstädten und an wichtigen Autobahnen bieten schon heute eine Basisabdeckung. Bis 2023 plant das Joint Venture H2 Mobility, 400 Wasserstoff-Tankstellen in ganz Deutschland zu errichten. Die hohen Kosten pro Station werden künftig sinken, wie Experten am Forschungszentrum Jülich berechnet haben: Ab einer Zahl von mehreren Millionen Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist der Aufbau einer Infrastruktur für Wasserstoff sogar günstiger als der einer für Elektroauto-Ladesäulen.

Nebeneinander der Techniken

Gebraucht werden für die Verkehrswende beide, meint auch Technik-Fan Schneider, der an Brennstoffzellen-Autos neben dem Komfort des Elektroantriebs vor allem die Reichweite und kurze Tankzeiten wie bei einem Wagen mit Verbrennungsmotor schätzt. Auch der ZSW-Wissenschaftler Ludwig Jörissen glaubt an das Brennstoffzellen-Auto und beobachtet, dass „unsere Batterieforscher sehr gerne damit fahren“. Der hohe Preis von rund 80.000 Euro pro Fahrzeug sei dem Umstand geschuldet, dass die ersten Modelle bisher nur in kleiner Stückzahl produziert werden. Teuer ist vor allem das Herzstück des Wasserstoff-Antriebs: „Brennstoffzellen sind noch kein industrielles Massenprodukt“, sagt Jörissen. „Bei höheren Stückzahlen werden die Kosten sinken“. Langfristig sollten Autos mit Wasserstoff-Tank und Brennstoffzelle sogar günstiger sein als Wagen mit Verbrennungsmotor, da der viel mehr Bauteile benötigt.

Das Beratungsunternehmen Deloitte hat in einer neuen Studie berechnet, dass der Preis für Brennstoffzellen-Fahrzeuge bereits innerhalb von zehn Jahren unter den von Benzin-, Diesel- und Batterie-Elektroautos sinken wird. Die bei Batterien bereits erreichten Kostensenkungen stünden der Brennstoffzelle noch bevor. Der Großteil der Batteriekosten entfällt inzwischen auf Rohstoffe, die kaum billiger werden dürften, wenn der Bedarf steigt. Allerdings drohen deutsche Autobauer bei der Brennstoffzellen-Technik den Anschluss zu verlieren, befürchtet Jörissen: An den öffentlich geförderten Wasserstoff-Stationen tanken fast nur asiatische Modelle. Der Stuttgarter Autokonzern Daimler hingegen stellt seine Mercedes-GLC F-CELL-Versuchsflotte ein. Während BMW und Audi noch forschen, erhöht Toyota die Produktionskapazität des Brennstoffzellen-Modells Mirai von 5000 auf 30.000 Fahrzeuge pro Jahr.

Ostasien und Kalifornien geben Gas

„Noch ist Deutschland technologisch auf Augenhöhe“, sagt Jörissen. „Doch bei der Produktion werden wir abgehängt.“ Dabei geht es um viel Wertschöpfung: Zwar ist laut den Beratern von Deloitte weltweit nur eine fünfstellige Zahl von Pkw mit Brennstoffzelle unterwegs, vor allem in Kalifornien und Japan. Doch unter anderem China setzt vermehrt auf Wasserstoff. Bis 2030 rechnen die Analysten mit weit über zehn Millionen Fahrzeugen mit diesem Kraftstoff im Tank auf den Straßen.

Doch bei der Nationalen Wasserstoff-strategie haben sich die Gegner der Brennstoffzelle durchgesetzt. Pkw mit dieser Technik kommen dort nur in einem Nebensatz für „Flottenanwendungen“ vor. Und obwohl kaum ein Experte bezweifelt, dass die Zukunft der Lkw dem Wasserstoff gehört, treten die deutschen Wasserstoff-Strategen auch hier auf die Bremse: „In Teilen des Straßenschwerlastverkehrs“, heißt es in dem Papier, könne die Brennstoffzelle „die batterieelektrische Mobilität ergänzen“. Das Bundesumweltministerium fördert stattdessen Oberleitungen für elektrische Lkw.

„Das ist Effizienz am grünen Tisch“, meint Ansgar Christ, Direktor für Produktmanagement bei Bosch. Auf vielen Autobahnen und vor allem für den internationalen Güterverkehr bräuchte es dafür zunächst ein zuverlässiges Streckennetz mit Oberleitungen. Der weltgrößte Autozulieferer setzt daher unter anderem auf Wasserstoff – zumal vor allem für Lkw ein dichtes Tankstellennetz nicht erforderlich ist. Denn ein Großteil der Betankung findet auf Betriebshöfen statt.

Die neuen CO2-Flottengrenzwerte der Europäischen Union für Lkw lassen sich nur durch mehr Elektrifizierung erreichen, ist der Bosch-Produktmanager überzeugt. Dabei spielt die Brennstoffzelle eine entscheidende Rolle, meint Christ. Gemeinsam mit der Firma PowerCell, einem schwedischen Spezialisten für Brennstoffzellen-Stacks, will man bei Bosch daher das bisherige Hemmnis der hohen Kosten aus dem Weg schaffen: Der Automobilzulieferer unterstützt das Startup-Unternehmen Nikola Motors aus den USA bei der Entwicklung von Brennstoffzellen-Lkw. Auch der italienische Nutzfahrzeughersteller Iveco ist am Bau einer Zugmaschine beteiligt, die ab 2023 ausgeliefert werden soll. Der Brennstoffzellen-Lkw Nikola Tre soll sich in 15 Minuten betanken lassen und pro Tankfüllung bis zu 1200 Kilometer weit kommen.

Noch andere Firmen entwickeln saubere Zugmaschinen: die Hyundai Hydrogen Mobility aus Südkorea beispielsweise sowie der japanische Automobilkonzern Toyota und die Daimler Truck AG, die dazu mit Volvo kooperiert. Die Zeit des Wasserstoffs scheint also endlich gekommen. Und seine Nutzung in Brennstoffzellen beginnt im Schwerlastverkehr. Das Ringen um die begehrten Stücke von diesem neuen Zukunftsmarkt hat begonnen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…