Häufige Fragen zur Wasserstoff-Technologie

Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz von Energiewandlungen. Er stellt das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand dar – im Sinne: abgegebener gewünschter Leistung zu anfangs zugeführter Leistung. Der Wirkungsgrad reduziert sich mit jedem Umwandlungs- bzw. Reaktionsschritt.

Effizienztechnisch ist es daher sinnvoll, Wasserstoff möglichst direkt zu verwenden. Bei anderer Zielsetzung kann eine Umwandlung in synthetisches Methan oder synthetische Kraftstoffe sinnvoll sein.

Ein Beispiel: Im Forschungsprojekt H₂ORIZON werden 56 kWh Windstrom eingesetzt, um ein Kilogramm Wasserstoff mit einem Energiegehalt – bezogen auf den Brennwert – von 39,45 kWh/kg zu produzieren. Damit liegt der Wirkungsgrad der Elektrolyse bei 70%.

Power-to-Gas ist ein Sammelbegriff für alle Verfahren, bei denen durch den Einsatz von elektrischem Strom Wasser in seine Bestandteile aufgespalten wird: Wasserstoff und Sauerstoff.

Wasserstoff kann verhältnismäßig einfach und über einen längeren Zeitraum hinweg gespeichert werden. Falls gewünscht, ist auch eine Rückverstromung durch den Einsatz von Turbinen oder Brennstoffzellen möglich. Alternativ kann das Gas direkt verbraucht werden – beispielsweise, um mit Brennstoffzellen Verkehrsmittel anzutreiben oder industrielle Prozesse zu unterstützen.

Über eine nachgeschaltete Stufe der Methanisierung kann der elektrolytisch erzeugte Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid zu Methan umgesetzt werden. So gewonnenes synthetisches Erdgas kann bedenkenlos in das bestehende Gasnetz eingespeist werden. Der heutige Nutzungsgrad dieser Methode liegt nur bei rund 40%, weshalb die Methanisierung derzeit wirtschaftlich wenig tragfähig ist. Die Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ist aktuell in geringen Prozentanteilen von 5-10% möglich. Wie höhere Wasserstoffbeimischungen in bestehende Gasnetze realisiert werden können, ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte.

Aus diesem Grund fokussiert das Projekt H₂ORIZON auf den ersten Prozessschritt – auf die regenerative Erzeugung von vielseitig verwendbarem Wasserstoff.

Power-to-X als Oberbegriff steht für die Umwandlung von Strom in verschiedenartige chemische Energieträger, die über eine lange Zeit speicherfähig sind.

Mit Hilfe von Strom aus (regenerativen) Quellen wird in einem ersten Schritt Wasserstoff erzeugt (vgl. Power-to-Gas). Dieser kann dann mit Kohlenstoffdioxid zu Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Methan umgesetzt werden.

Die Power-to-Liquid Technologie beschreibt einen nachgeschalteten Verfahrensschritt, bei dem der Wasserstoff durch Umsetzung mit CO₂ in langkettigere, synthetische Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Auf diesem Weg kann beispielsweise synthetisches Benzin, Diesel oder Kerosin klimaneutral hergestellt und in einem konventionellen Verbrennungsmotor umgesetzt werden.

Power-to-Chemicals bezeichnet die Herstellung von Basischemikalien für die Chemie-Industrie. Hier dient der Wasserstoff als wichtige Ausgangschemikalie für die Synthese komplexer chemischer Stoffe.

Alle Power-to-X-Konzepte schaffen eine Option zur Langzeitspeicherung von erneuerbarem Strom. Darüber hinaus haben sie weitere wichtige Effekte:

• Negative Regelenergie zum Ausgleich von Lastschwankungen im Netz aufgrund des steigenden Anteils erneuerbarer Energien
• Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien für bisher mit fossiler Primärenergie versorgte Anwendungen (Mobilität, Wärmeerzeugung, Chemie)

Unter Methanisierung versteht man die Herstellung von synthetischem Methan aus Wasserstoff und CO₂. Um beispielsweise elektrolytisch erzeugten Wasserstoff in großen Mengen in bestehende Erdgasnetze einspeisen zu können, ist es notwendig, ihn in synthetisches Methan umzusetzen.

Die brenntechnischen Eigenschaften von synthetischem Erdgas und fossilem Erdgas sind nahezu identisch, so dass dieses Gas ohne Mengenbegrenzung in die Erdgasnetze eingespeist werden kann. Bei reinem Wasserstoff liegt die Begrenzung derzeit noch bei 5 bis 10 Volumen-Prozent Zuspeisung.

Das Kohlenstoffdioxid, das für die Methanisierung benötigt wird, kann aus biogenen Kohlenstoffquellen bezogen werden: zum Beispiel aus Biogas, Klärgas, der Biomassevergasung, Brauereien oder der Bioethanol-Industrie. In diesem Fall wird der Atmosphäre aktiv CO₂ entzogen.

Die Kombination mit Kohlenstoffdioxid aus konventionellen Kraftwerken oder industriellen Prozessen, wie beispielsweise der Zement- oder Stahlherstellung, ist ebenfalls eine Option zur CO₂-Minderung. Diese Option nennt sich CCS (Carbon Capture and Storage) und ist Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen zur Minderung der Kohlenstoffdioxidemissionen konventioneller Kraftwerke. Der Knackpunkt dieser Technologie ist jedoch, dass das anfallende CO₂ abgetrennt und eingelagert werden muss, beispielsweise unterirdisch in geeigneten Gesteinsschichten. Dies stellt momentan noch eine Herausforderung dar.

Insgesamt ist der Energieverlust von der Erzeugung des Wasserstoffs durch Elektrolyse bis hin zur Methanisierung noch sehr hoch. Das Verfahren ist derzeit nicht wirtschaftlich und damit vor allem eine interessante Option für die Zukunft.

Die Elektrolyse ist das zentrale Element der Power-to-Gas Technologie. Dabei zerlegt ein Elektrolyseur mit Hilfe von elektrischem Strom Wasser in die Grundbausteine Wasserstoff und Sauerstoff.

Aktuell gibt es drei verschiedene Elektrolysetechnologien, von denen zwei bereits Marktreife erlangt haben:

• Alkalische Wasserelektrolyse mit einem flüssigen basischen Elektrolyten
• Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (kurz PEM-Elektrolyse) mit einer polymeren Feststoffmembran als Elektrolyt
• Festoxid-Elektrolyse (Solid Oxide Electrolyzer Cell, kurz SOEC) – derzeit noch in Entwicklung

Die technisch seit vielen Jahrzehnten erprobte Technologie ist die alkalische Elektrolyse (AEL = Alkaline Electrolysis), die bei niedrigen Temperaturen (< 100 °C) und meist geringen Drücken betrieben wird.

Die Technologie zeichnet sich aus durch eine hohe Langzeitstabilität, geringe Investitionskosten und höchste Wirkungsgrade. Das hängt allerdings auch damit zusammen, dass der produzierte Wasserstoff meist ein atmosphärisches Druckniveau von 1 bar hat – und die Energiekosten für die anschließende Kompression bei dieser Betrachtung nicht berücksichtigt werden.

Die Anlagen benötigen verhältnismäßig viel Platz. Das liegt vor allem an der aufwändigen nachgeschalteten Wasserstoffreinigung. Und im Hinblick auf die Nutzung volatiler Stromangebote besteht das Problem, dass sie ihre Last nur relativ träge ändern können und einen vergleichsweise geringen Teillastbereich haben. Damit ist der Einsatz eines alkalischen Elektrolyseurs vor allem dann sinnvoll, wenn die Anlage in einem konstanten Dauerbetrieb gefahren werden kann – wie beispielsweise in Kombination mit einem Laufwasserkraftwerk oder bei konstantem Strombezug aus dem Netz.

Die dynamische PEM-Technologie, die auch im Projekt H₂ORIZON zum Einsatz kommt, wird derzeit als Hoffnungsträger für die Zukunft gehandelt. Ihr größter Vorteil ist ihre hohe Dynamik. Mit Reaktionszeiten von nur wenigen Sekunden ist sie besonders dafür geeignet, dem volatilen Einspeisungsprofil erneuerbarer Erzeugungsanlagen, wie beispielsweise Windkraftanlagen zu folgen.

Ein weiterer Vorteil ist ihr verhältnismäßig geringer Platzbedarf. Eine Anlage im Megawatt-Maßstab ist kaum größer als ein handelsüblicher Kühlschrank - bezogen auf die reine Stackgröße. Diese Technologie eignet sich daher insbesondere für einen Vor-Ort-Betrieb an Tankstellen oder für dezentrale Power-to-Gas-Konzepte.

Im Vergleich zu der alkalischen Elektrolyse ist bei der PEM-Elektrolyse keine Abtrennung eines korrosiven, flüssigen Elektrolyten notwendig. Die Gasaufbereitung beschränkt sich einzig darauf, die bei der Produktion anfallende Restfeuchtigkeit abzutrennen. Zudem herrscht bei der PEM-Technik ein höheres Druckniveau in den Stacks. Der Wasserstoff verlässt die Anlage mit einem Ausgangsdruck zwischen 20 und 50 bar. Der Systemwirkungsgrad ist damit nur scheinbar niedriger als bei der alkalischen Elektrolyse – tatsächlich spart man sich nämlich die erste Kompressionsstufe.

Die Investitionskosten sind derzeit noch höher als bei der alkalischen Elektrolyse. Eine breite Serienreife mit entsprechend reduzierten Serienfertigungskosten wird in naher Zukunft erwartet. Bereits heute bieten national wie auch international einige Hersteller Anlagen bis in den Megawattbereich an.

Diese Methode der Wasserspaltung befindet sich gerade erst im Übergang zwischen Forschung und industrieller Anwendung. Das Besondere ist, dass hier mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet wird. Dem Vorteil eines hohen Wirkungsgrades steht der Nachteil einer zwingend kontinuierlichen Betriebsweise gegenüber. Als Elektrolyt wird ein fester Keramikwerkstoff verwendet. Das hohe Temperaturniveau und die Kopplung mit Wärmeanwendungen versprechen großes Potenzial.

Bei einer Brennstoffzelle wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Wenn also Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines Katalysators kontrolliert miteinander zur Reaktion gebracht werden, entsteht elektrischer Strom, der für diverse Anwendungen genutzt werden kann. Die Brennstoffzelle ist damit die Umkehrreaktion der Elektrolyse.

Die beiden Halbzellen der Brennstoffzelle sind durch eine semipermeable Membran getrennt. Je Brennstoffzellentyp können damit nur bestimmte geladene Teilchen die Membran passieren. Membranbeschaffenheit und mobiles Ion unterscheiden die verschiedenen Technologien voneinander.

Alle Technologien haben gemeinsam, dass die im Wasserstoff gespeicherte Energie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Übrig bleiben lediglich Wasser und Abwärme. Brennstoffzellen, die mit reinem Wasserstoff betrieben werden, verursachen lokal keine Emissionen. Elektrofahrzeuge können also mit „grünem Wasserstoff“ emissionsfrei angetrieben werden.

Die Brennstoffzelle ist ein sehr effizienter Energiewandler, der im Zusammenspiel mit einem Elektromotor einen Systemwirkungsgrad von bis zu 50% erreicht. Zum Vergleich: Beim Benzinmotor liegt dieser bei 25 bis 35%. Dadurch ist der Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellenfahrzeugs deutlich höher als bei einem herkömmlichen PKW. Die Systeme ermöglichen bereits heute Reichweiten von über 500 km.

Heute sind mehrere Brennstoffzellen-Typen im Gebrauch. Die gängigsten sind:

• Alkalische Brennstoffzellen (Alkaline Fuel Cell, kurz AFC)
• Protonenaustausch-Membran Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, kurz PEM-FC), wobei hier noch zwischen Niedrig- und Hochtemperatur-PEM Brennstoffzellen unterschieden wird
• Oxidkeramische Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, kurz SOFC)

Der Einsatz des jeweiligen Brennstoffzellen-Typs richtet sich nach dem Anwendungsgebiet. Wird beispielsweise Strom benötigt, der wie beim Fahrzeugantrieb sehr dynamisch bereitstehen muss, eignen sich vor allem PEM-Brennstoffzellen. Möchte man hingegen Strom und Wärme im Sinne einer Kraft-Wärme-Kopplung auf einem sehr konstanten Leistungsniveau nutzen, beispielsweise für die Energieversorgung von Gebäuden, stellen Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cell, kurz SOFC), eine interessante Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen dar.