Wirtschaft

Deutscher Treibstoff der Zukunft "Aktuell sind nur 0,03 Prozent des Wasserstoffs grün"

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Wasserstoff ist auch für Thyssenkrupp der Brennstoff der Zukunft.

(Foto: imago images/blickwinkel)

Wasserstoff ist der Treibstoff der Zukunft. Er kann auf See, Schiene oder Straße eingesetzt werden. In der Schwerindustrie taugt H2 anstelle von Öl, Gas und Kohle als alternativer Brennstoff. Wurde er bei der Elektrolyse durch Windenergie oder Sonnenstrom gewonnen, verbrennt er selbst bei Temperaturen von 1600 Grad Celsius in der Stahlherstellung grün, verursacht also keinen weiteren CO2-Ausstoß. Die Bundesregierung ist überzeugt: Sie hat mit mehreren afrikanischen Staaten, Kanada, Kasachstan und Saudi-Arabien Wasserstoff-Partnerschaften geplant oder bereits vereinbart. Eine Masse an Fürsprechern, die Roel van de Krol nach vielen Jahren des Wartens beeindruckt. "Wasserstoff wird wirklich von allen unterstützt", sagt der Direktor des Instituts für Solare Brennstoffe am Helmholtz-Zentrum Berlin. Im "Klima-Labor" von ntv warnt er aber auch vor einem wichtigen Flaschenhals beim Ausbau der Elektrolyse-Kapazitäten: Wir brauchen große Mengen des seltenen Edelmetalls Iridium. Gibt es davon genug? "Im Moment wissen wir das nicht."

ntv.de: Microsoft-Gründer Bill Gates sagt, Wasserstoff ist das "Schweizer Taschenmesser der Dekarbonisierung". Tesla-Chef Elon Musk hält Wasserstoff für das "dümmste Ding", das er sich als Energiespeicher vorstellen kann. Wer hat recht?

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Roel van de Krol forscht am Institut für Solare Brennstoffe des Helmholtz-Zentrums Berlin. Mit seinen Kolleginnen und Kollegen arbeitet er daran, chemische Treibstoffe wie Wasserstoff aus Quellen zu gewinnen, die im Überfluss vorhanden sind: Wasser und CO2.

(Foto: Helmholtz-Zentrum Berlin)

Roel van de Krol: Beide ein bisschen. Wenn man sich die erneuerbaren Energien vorstellt, denkt man an Wind oder Solar. Die liefern Strom, den man am besten gleich verwendet, weil man dann die geringsten Verluste hat. Aber das geht nicht, weil wir nachts keine Sonne haben. Deshalb müssen wir den tagsüber generierten Strom zwischenspeichern, um ihn nachts nutzen zu können.

Das bekannte Problem.

Genau. Aber dafür reicht die Speicherkapazität von Batterien nicht aus. Damit kann man 500 oder 600 Kilometer mit dem Auto fahren, das ist prima. Wenn wir eine Stadt eine ganze Nacht lang versorgen wollen, brauchen wir alternative Speichermethoden. Da sind chemische Kraftstoffe einfach unschlagbar, wenn man sich die Energiedichte anschaut - also, wie viel Energie diese pro Kilogramm oder pro Liter enthalten.

Damit meinen Sie unter anderem Wasserstoff?

Wasserstoff ist einer davon, genau. Das ist der einfachste chemische Speicherstoff, den man sich vorstellen kann. Der Vorteil von Wasserstoff ist: Wenn man ihn verbrennt, wird kein CO2 freigesetzt, sondern nur Wasser. Wenn man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt und Wasserstoff anschließend als Brennstoff verwendet, hat man einen geschlossenen Kreislauf. Das macht Wasserstoff im Vergleich zu anderen chemischen Kraftstoffen, wo wieder CO2 freigelassen wird, sehr attraktiv. Deswegen gibt es so viel Interesse daran.

Elektrolyse & Wasserstoff

Bei der Elektrolyse wird Wasser in einem Elektrolyseur durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Anschließend kann Wasserstoff anstelle von Öl, Kohle oder Erdgas in der Schwerindustrie eingesetzt und beispielsweise als Brennstoff in der Stahlindustrie bei 1600 Grad Celsius verbrannt werden. Außerdem kann H2 als chemischer oder synthetischer Kraftstoff wie E-Fuel oder Solarkerosin unkompliziert über lange Zeiträume gespeichert und bei Bedarf zurück in Elektrizität verwandelt werden. Aktuell gibt es in Deutschland für die Herstellung von grünem Wasserstoff eine installierte Elektrolyseleistung von 30 Megawatt. Für den Umstieg in eine Wasserstoffwirtschaft muss diese Kapazität massiv ausgebaut werden.

Das klingt so, als hätte Bill Gates recht. Warum bezeichnet Elon Musk Wasserstoff dann als "dümmsten" Energiespeicher, den er sich vorstellen kann?

Für Autos hat er recht, weil die Batterien dafür ausreichen. Dann wäre es natürlich "dumm", Wasserstoff zu nutzen, weil bei der Spaltung von Wasser und auch bei der umgekehrten Reaktion, wenn man Wasserstoff in Elektrizität verwandelt, Energie verloren geht. Bei Batterien sind die Verluste sehr klein. Man verliert nur ein paar Prozent der Energie in Form von Wärme beim Laden und Entladen. Beim Herstellen und Verbrauchen von Wasserstoff verliert man locker 30 bis 40 Prozent der Energie. Aus dieser Sicht hat Elon Musk recht. Aber man kann nicht alle Energie in Batterien speichern, deshalb hat auch Bill Gates recht.

Bill Gates denkt eher an die Schwerindustrie?

In der Schwerindustrie gibt es Prozesse, die man schwer elektrifizieren kann. Das kriegt man mit Strom nicht hin, man braucht eine Alternative. Wasserstoff hat seine Vor- und Nachteile, ist aber eigentlich einer der vielversprechendsten Energieträger.

Also ist es richtig, wenn man hört: Wasserstoff ist der Treibstoff der Zukunft. Damit können wir Öl, Gas und Kohle ersetzen.

Ich würde es so sagen: Wasserstoff ist das Beste, was wir uns im Moment vorstellen können. Es ist nicht perfekt, aber wir haben nichts, was noch besser funktioniert.

Was ist der große Haken, wenn Sie sagen, Wasserstoff ist nicht perfekt?

Der Haken ist der Energieverlust, wenn man Wasser in Wasserstoff zersetzt und wieder zurückverwandelt. Das sind 25 bis 30 Prozent pro Konversionsschritt. Das ist beachtlich. Der zweite Nachteil ist, dass Wasserstoff zwar eine sehr hohe Energiedichte pro Kilogramm hat, aber eine sehr niedrige Dichte pro Liter, also Volumen. Wenn ein LKW Wasserstoff mitnehmen will, muss man den Wasserstoff bis zu 700 oder 800 bar komprimieren. Dafür gibt es technisch ausgereifte Lösungen. Aber auch bei der Komprimierung von Wasserstoff geht Energie verloren.

Das heißt, man hat entweder extrem viel Platz und riesige Speicher, die das große Volumen aufnehmen können, auch wenn es nicht viel wiegt. Oder man verbraucht Energie, um es zu komprimieren?

Wo finde ich das Klima-Labor?

Das Klima-Labor finden Sie bei ntv und überall, wo es Podcasts gibt: RTL+ Musik, Apple Podcasts, Amazon Music, Google Podcasts, Spotify, RSS-Feed

Genau. Bei mobilen Anwendungen muss man Wasserstoff aber komprimieren, sonst kann man es nicht mitführen. Daran führt kein Weg vorbei.

Ist das Herstellen von Wasserstoff ähnlich problematisch wie das Speichern?

Technisch nicht. Man nutzt die Elektrolyse schon seit mehr als 100 Jahren. Das Verfahren kann noch verbessert werden, aber die Technologie ist ausgereift, erwachsen und wird großskalig angewendet.

Können Sie den Ablauf noch mal für Laien erklären?

Elektrolyse ist das Experiment, bei dem man zwei Elektroden in ein Fass mit Wasser steckt und elektrische Spannung anlegt. Dieser Strom sorgt dafür, dass das Wassermolekül in ein Wasserstoffmolekül und ein Sauerstoffmolekül zersetzt wird. Diese Gase kann man getrennt voneinander auffangen und man hat Wasserstoff.

Dafür braucht man aber viel Strom, der natürlich aus erneuerbaren Energien stammen muss, wenn man grünen Wasserstoff herstellen will. Aber es gibt ja auch blauen, grauen, roten Wasserstoff und noch andere Farben. Wie unterscheiden die sich?

Grüner Wasserstoff ist der bevorzugte Weg. Er wird mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt. Beim grauen Wasserstoff stammt der Strom aus fossilen Brennstoffen und Dampfreformierung. Pro Tonne Wasserstoff werden dabei ungefähr zehn Tonnen CO2 in der Atmosphäre freigesetzt.

Zehn Tonnen CO2 für eine Tonne Wasserstoff?

Ja. Der blaue Wasserstoff ist eigentlich das gleiche wie grauer Wasserstoff. Die Energie wird durch Dampfreformierung aus Methan generiert. Von den zehn Tonnen CO2, die dabei entstehen, werden ungefähr 90 Prozent abgefangen und gespeichert. Das ist CCS, Carbon Capture and Storage.

Bei der Stahlherstellung werden Brennstoffe bei 1600 Grad Celsius verbrannt. Wenn wir grünen Wasserstoff verwenden, würde wirklich kein zusätzliches CO2 in die Atmosphäre gepustet?

Wenn wir grünen Wasserstoff verwenden, im Prinzip nicht.

Aber das ist die Krux. Wir haben derzeit einfach nicht genügend grünen Wasserstoff für alle, oder?

Im Moment natürlich nicht. Für 2021 wurde ausgerechnet, dass nur 0,03 Prozent des Wasserstoffs, der eingesetzt wurde, grün waren.

Sehr wenig.

Ja, aber die Industrie wächst rasant. Es gibt natürlich noch keine Zahlen für dieses Jahr, aber vielleicht stehen wir schon bei 1 Prozent. Die Elektrolysekapazität wird massiv ausgebaut. Die Bundesregierung hat die Ambition, bis 2030 eine Kapazität von 10 Gigawatt zu erreichen.

Wir brauchen dafür aber nicht nur mehr Elektrolysekapazität, sondern auch deutlich mehr Solar- und Windenergie - mit der man dann natürlich keine deutschen Haushalte versorgen kann.

Das ist eine Entweder-oder-Frage, genau: Man erzeugt Strom und speist den sofort ins Netz ein oder man stellt damit Wasserstoff her. Die Idee ist aber, dass man nur dann Wasserstoff herstellt, wenn das Stromnetz keinen Strom mehr braucht.

Wir müssen mehr Strom herstellen, als wir verbrauchen?

Ja, aber wir erreichen bereits mehrmals im Jahr eine Überkapazität an Windenergie und Solarstrom. In solchen Momenten müssen wir sogar zuzahlen, um den Strom nach Frankreich zu exportieren. Stattdessen wäre es natürlich klug, wenn wir mit dieser Überkapazität grünen Wasserstoff herstellen.

Ist das die letzte verbliebene Herausforderung? Wir müssen nur noch Solar- und Windenergie auf ein Niveau ausbauen, das sowohl für die Stromversorgung privater Haushalte als auch für die Erzeugung von Wasserstoff reicht?

Das geht Hand in Hand. Es ergibt keinen Sinn, Solar- und Windstrom auszubauen, ohne die Elektrolysekapazität mit auszubauen.

Und wenn das klappt, hätten wir genügend grünen Wasserstoff für die Stahlindustrie und Chemiebranche oder müssten wir weiteren Wasserstoff aus dem Ausland importieren?

In Deutschland haben wir nicht genügend Sonne und Wind, um den vollständigen Energiebedarf abzudecken. Das gilt für ganz Europa und auch Asien. Das sind die beiden Kontinente, die von Energieimporten abhängig sind.

Um die Elektrolysekapazität auszubauen, brauchen wir viele Elektrolyseure. Dort wiederum wird sehr viel Iridium benötigt, ein seltener und teurer Rohstoff. Haben wir davon genug?

Es gibt zwei Arten von Elektrolyseuren: Der erste Typ ist die alkalische Elektrolyse, die wir seit 120 Jahren kennen. Das funktioniert mit Eisen- und Nickel-Elektroden. Davon haben wir genügend, das ist kein Problem. Allerdings müssen diese Elektrolyseure kontinuierlich betrieben werden. Nicht zu 100 Prozent, es reichen auch 10 Prozent. Aber das ist natürlich nicht kompatibel mit dem schwankenden Angebot von Sonnenenergie und Windstrom. Wird kein Strom zugeführt, lösen sich diese Eisen- und Nickel-Elektroden einfach auf.

Dafür hat man diesen zweiten Typ von Elektrolyseuren entwickelt. Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEM) kann mit den schwankenden Angeboten umgehen. Diese Variante ist allerdings abhängig von den Edelmetallen Iridium und Platin. Viele Forschergruppen arbeiten an einer Alternative, aber im Moment gibt es keine.

Das klingt nach einem sehr engen Flaschenhals, den wir überwinden müssen.

Das stimmt, das kann problematisch werden. Im Moment wissen wir nicht, was passieren wird, wenn wir diese Elektrolysekapazitäten aufbauen. Das kann niemand vorhersagen. Einen großen Platinbedarf gab es aber auch bei Katalysatoren für Autos. Dieses Problem hat man damals durch Recycling gelöst. Das wird auch bei der Elektrolyse notwendig sein. Aber es gibt Berechnungen, die zeigen, dass wir genug haben sollten, auch wenn es knapp wird.

Was schätzen Sie denn, wann wir Wasserstoff großflächig einsetzen werden? Wir brauchen mehr Solarstrom, mehr Windenergie und sehr viel mehr Elektrolyseure. Wann können wir den Treibstoff der Zukunft nutzen?

Das kann ich leider nicht beantworten. Aber ich bin schon beeindruckt von der Masse an Fürsprechern. Es sind nicht nur ein oder zwei Personen oder Firmen, die sich mit Wasserstoff beschäftigen. Das wird wirklich von allen unterstützt. In den Niederlanden will zum Beispiel Tata Steel ab 2030 Wasserstoff statt fossiler Brennstoffe einsetzen. Thyssenkrupp hat ähnliche Pläne und viele andere Firmen auch.

Mit Roel van de Krol sprachen Clara Pfeffer und Christian Herrmann. Das Gespräch ist zur besseren Verständlichkeit gekürzt und geglättet worden.

Klima-Labor von ntv

Was hilft gegen den Klimawandel? "Klima-Labor "ist der ntv Podcast, in dem Clara Pfeffer und Christian Herrmann Ideen und Behauptungen prüfen, die toll klingen, es aber selten sind. Klimaneutrale Unternehmen? Gelogen. Klimakiller Kuh? Irreführend. Kunstfleisch? Das Grauen 4.0. Aufforsten im Süden? Verschärft Probleme. CO2-Preise für Verbraucher? Unausweichlich. LNG? Teuer.

Das Klima-Labor - jeden Donnerstag eine halbe Stunde, die informiert und aufräumt. Bei ntv und überall, wo es Podcasts gibt: RTL+ Musik, Apple Podcasts, Amazon Music, Google Podcasts, Spotify, RSS-Feed

Quelle: ntv.de

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