Neun Milliarden Euro will die Bundesregierung in das Thema Wasserstoff stecken. Mit der Nationalen Wasserstoffstrategie wird es damit also endlich konkret und ernst. Der Bund will den umweltfreundlichen Energieträger zu einer der tragenden Säulen der Energiewende machen. Industrie und Verkehr sollen mit Wasserstoff-Technik auf CO2-neutrale Energieversorgung umgestellt werden. Von Autos sprach Wirtschaftsminister Altmaier bei der Vorstellung des Programms der Bundesregierung allerdings mit keinem Wort. Und das mit gutem Grund: Jede andere Nutzung von grünem Strom ist besser für das Klima.

Unzählige Kommentare im Netz und in Tageszeitungen nehmen die Nachricht von der Wasserstoff-Förderung so auf, dass damit endlich eine praxistaugliche Alternative zu batterie-elektrischen Autos zur Verfügung stehe. Gleichzeitig beklagen die Kommentatoren, dass die deutschen Autohersteller hoffnungslos zurücklägen, was den aktuellen Entwicklungsstand bei Brennstoffzellen-Autos anbelangt. All diesen Kommentatoren sei an’s Herz gelegt, sowohl Altmaiers Ankündigung als auch die ausführlichen Texte der beteiligten Ministerien genau zu lesen: Um den PKW geht es bei der Nationalen Wasserstoffstrategie nämlich nur am Rand. Trotzdem hat sie das Potenzial dazu, die Elektromobilität auch im privaten Bereich voranzubringen. Wir erklären, warum.

Reiner Wasserstoff ist sehr reaktiv und kommt in der Natur deshalb praktisch nicht vor, dafür aber in Verbindungen, zum Beispiel in unzähligen organischen Verbindungen (etwa in Erdgas), vor allem aber in Wasser. Es gibt verschiedene Techniken, um Wasserstoff zu erzeugen. Extrem CO2-intensive (zum Beispiel per Dampfreformation mit Kohle als Energie-Quelle), solche, bei denen genausoviel CO2 emittiert wird wie bei konventionellen Energieträgern und die CO2-freie Elektrolyse mit elektrischem Strom.

Es ist also kein Wunder, dass die Elektrolyse die deutlich favorisierte Technik zur Wasserstoff-Erzeugung ist. Strom aus erneuerbaren Energiequellen (also Sonnen- und Windstrom), der nicht direkt verwendet werden kann, soll dazu eingesetzt werden, Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Der Sauerstoff kann entweder für Industrie-Anwendungen verwendet werden – oder er wird direkt in die Atmosphäre abgegeben. Der Wasserstoff wird in Tanks oder Pipelines geleitet und steht als Treibstoff zur Verfügung. Die Elektrolyse ist ein gut beherrschter Prozess, der mit einem Wirkungsgrad von 60 bis 80 Prozent erfolgt, das heißt 20 bis 40 Prozent des erzeugten Stroms gehen dabei verloren. Industrielle Anlagen kommen heute auf ca. 70 Prozent Wirkungsgrad.

Der Wasserstoff kann auf verschiedene Arten verwertet werden: Die einfachste Methode ist das Verfeuern. Wasserstoff verbrennt mit dem Luftsauerstoff zu reinem Wasser, der Energiegehalt wird dabei als Hitze frei. Im Prinzip ist das Verbrennen an allen Stellen möglich, an denen bisher fossile Energieträger genutzt werden, also in Gasturbinen, in Heizungen, in Heizkraftwerken etc.

Technisch sehr viel anspruchsvoller ist die Brennstoffzelle. In ihr verbindet sich der Wasserstoff ebenfalls mit Luft-Sauerstoff, dabei wird die Energie aber nicht einfach als Hitze sondern zum überwiegenden Teil als elektrische Spannung frei. Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen, die unterschiedliche Wirkungsgrade aufweisen. Die für Autoantriebe geeigneten so genannten kalten Brennstoffzellen sind sehr teuer, weil sie auf erhebliche Mengen seltener Edelmetalle setzen. Der Wirkungsgrad einer solchen Brennstoffzelle liegt etwas über 50 Prozent, in der praktischen Anwendung kommen ca. 40 Prozent der Energie aus dem Wasserstoff als Antriebsleistung an. In Industrieanlagen werden auch so genannte heiße Brennstoffzellen eingesetzt, die Wirkungsgrade deutlich über 60 Prozent erreichen können. Oft kann in Industrieanlagen zusätzlich die Abwärme der Zellen genutzt werden, was den Gesamtwirkungsgrad weiter erhöht.

Ein weiteres Einsatz-Gebiet für Wasserstoff liegt in Industrie-Prozessen, bei denen fossile Energieträger eingesetzt werden, um Stoffe chemisch zu reduzieren. Das prominenteste Beispiel ist die Stahl-Produktion. In den Hochofen wird dazu bisher Kohlestaub und Luft in das erhitzte Erz eingeblasen. Die Kohle verbindet sich mit dem Sauerstoff aus dem Eisenerz zu CO2, reines Eisen bleibt zurück. Statt des Kohlestaubs kann in den Hochöfen ohne große Umrüstungen Wasserstoff eingeblasen werden. Statt Kohlenstoff übernimmt dieser dann die Reduktions-Funktion, statt CO2 wird H2O frei, also Wasser.

Ähnlich könnte Wasserstoff auch in der Zement-Produktion eingesetzt werden – dafür wären allerdings ganz neue Produktionsanlagen notwendig.

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Während Hersteller wie Hyundai oder Toyota Wasserstoff-Brennstoff betriebene Elektroautos seit einigen Jahren in Serie produzieren, bleibt es bei den Großen der Autobranche (noch) ruhig. Dass man sich aber mit dem Thema befasst, zeigen...

Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, Wasserstoff zu Methan oder sogar zu synthetischem Diesel oder Benzin weiterzuverarbeiten. Damit kann man fast alle Anwendungen von fossilen Brennstoffen auf CO2-neutrale Versorgung umstellen. Allerdings ist für alle solchen Prozesse CO2 als Grundstoff nötig – das CO2, das in die Produktion des Treibstoffs gesteckt wird, wird bei dessen Verwendung wieder frei. CO2 aus der Atmosphäre abzuscheiden ist aber aufwendig und energieintensiv, der Gesamtwirkungsgrad ist vor allem dann schlecht, wenn der so erzeugte Treibstoff in einem Verbrennungsmotor verwertet wird. Für bestimmte Bereiche im Verkehr, insbesondere für Flugzeuge, ist die Betankung mit Wasserstoff so schlecht realisierbar wie ein Antrieb mit Akkus. Für Langstreckenflüge sind synthetische Treibstoffe damit die einzige CO2-neutrale Antriebsform.

Wasserstoff als chemisches Element steht auf der Erde praktisch unbegrenzt zur Verfügung (Meerwasser muss für die Elektrolyse allerdings erst entsalzt werden). Die Elektrolyse ist ein gut beherrschbarer Prozess, der aus Sonnen- und Wind-Strom ohne Umwege einen gut speicherbaren Energieträger macht. Wasserstoff ist damit praktisch konkurrenzlos, wenn es darum geht, die stark schwankende Produktion von CO2-freiem Strom in nationalem oder gar globalem Maßstab speicher- und nutzbar zu machen. Ganz unproblematisch ist die Verwertung des Wasserstoffs allerdings nicht: Der Transport von Wasserstoff ist wegen seiner extrem geringen Dichte sehr aufwendig. Insbesondere der mobile Einsatz, also zum Beispiel im Brennstoffzellen-Auto ist eine große technische Herausforderung.

Das Speichern von Energie im ganz großen Maßstab ist die Antwort auf eine der drängendsten Fragen zur Energiewende: Wie kann man sonnen-, wetter- und jahreszeitabhängige Energie-Quellen für eine verlässliche Grundversorgung rund um die Uhr nutzen? Mit Akkus kann man vergleichsweise einfach tagsüber den Strom aus Photovoltaik speichern, den ein Haushalt Abends und Nachts verbraucht. Wenn wochenlang weder die Sonne scheint noch der Wind bläst, spricht man allerdings von der so genannten Dunkelflaute. Nach heutigem Stand der Technik ist die nur mit Wasserstoff als Speicher zu überbrücken.

Der Wasserstoff, der in Deutschland benötigt wird, um Kraftwerke zu betreiben und Industrie und Haushalte zu versorgen, kann zu einem großen Teil im Land produziert werden, der Rest könnte aus Flächenländern mit großem Energie-Überschuss importiert werden – zum Beispiel aus Spanien und Nordafrika, sobald vor Ort entsprechende Solar- und Wind-Kraftwerke entstanden sind.

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Ohne Speicherung ist der Ausbau der Erneuerbaren nur bis zu einem gewissen Grad sinnvoll, weil sonst zuviel Kapazität entsteht, die gar nicht genutzt werden kann. Tatsächlich gab es in den vergangenen Jahren immer wieder Phasen, in denen der in Deutschland erzeugte Öko-Strom nicht ins Netz eingespeist werden konnte, die Anlagen wurden heruntergeregelt.

Das wirkte sich auf den weiteren Ausbau aus. Die Energiewende ist ins Stocken geraten. Mit dem Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur, also von Elektrolyse-Anlagen, großen Speichern und von Industrieanlagen, die den Wasserstoff verwerten können, fällt diese Beschränkung weg: Wenn Wind- und Sonnenstrom im Überfluss verfügbar sind, springen die Elektrolyse-Anlagen an und verwandeln den Überschuss in Wasserstoff.

Für die oben genannten Kommentatoren ist damit alles klar: Wenn Wasserstoff gefördert und deshalb produziert wird, wenn es Tankstellen dafür gibt, dann ist der Weg für das Wasserstoffauto geebnet, und man kann aufhören, E-Autos mit Akku zu bauen.

Abgesehen davon, dass in jedem Brennstoffzellen-Auto die komplette Technik eines E-Autos steckt – inklusive eines kleinen Akkus – muss man sich im Sinn der Energiewende und der geplanten Dekarbonisierung fragen, wie der Wasserstoff richtig einzusetzen ist, und im nächsten Schritt auch, wie der primär erzeugte Strom optimal verwertet wird. So lange der primäre Strom nicht praktisch kostenfrei zur Verfügung steht, braucht es hier eine klare Priorisierung nach dem Nutzen, den der erzeugte Strom stiften kann. Ein einfaches Kriterium dafür ist: Wieviel CO2 kann man mit einer Kilowattstunde Strom einsparen? Und da gibt es gewaltige Unterschiede zwischen den Einsatz-Szenarien.

Optimal: Stromnutzung ohne den Umweg über Wasserstoff.

Kann der Strom direkt aus der Leitung für den Betrieb einer Anlage genutzt werden oder fließt er direkt in einen Auto-Akku, dann ist die CO2-Ersparnis am größten. Im aktuellen deutschen Strommix bedeutet eine Kilowattstunden Strom rund 500 Gramm an CO2-Emissionen, Kohlekraftwerke liegen bei bis zu 1.000 Gramm CO2. Das ist also die Menge, die eingespart werden kann, wenn eine Kilowattstunde Sonnen- oder Windstrom direkt in einen elektrischen Verbraucher fließt.

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Ein Elektroauto mit Akku fährt mit einer Kilowattstunde Strom typischerweise fünf Kilometer weit. Wenn ein vergleichbares Auto einen Verbrauch von sechs Litern Diesel auf 100 Kilometer hat, dann stößt es auf fünf Kilometern Fahrstrecke 800 Gramm CO2 aus.

Im Gegensatz zur Industrie-Anlage sorgt das Elektroauto mit Akku selbst für die Pufferung von Zeiten ohne Sonne und Wind – zumindest einige Tage lang. Aber natürlich gibt es Zeiten zu denen das nicht möglich ist.

Mit einer Kilowattstunde Strom kann man knapp 20 Gramm Wasserstoff erzeugen. Steckt man diesen Wasserstoff in einen chemischen Reduktions-Prozess, so wie oben für die Stahlproduktion beschrieben, dann ersetzt er dort 160 Gramm Kohle und vermeidet damit 440 Gramm CO2. Der Einsatz von Wasserstoff ist hier ohne große Änderungen an den Hochöfen möglich, mit neu gestalteten Hochöfen könnte sogar komplett auf Kohle verzichtet werden. Bei der Zementproduktion gibt es ähnliche Prozesse.

Wenn es in Verbrennungs-Prozessen ausschließlich um thermische Energie geht, dann ist die Wirkung kleiner. 20 Gramm Wasserstoff haben einen Brennwert von 0,66 Kilowattstunden. Ersetzt man damit Erdgas, dann werden 150 Gramm CO2 eingespart. Wird das Verbrennen von Heizöl substituiert, werden 195 Gramm CO2 vermieden, bei Steinkohle 225 Gramm, bei Braunkohle sind es bis zu 300 Gramm.

Wasserstoff zur Verstromung: Besonders wichtig ist die Rück-Verstromung des Wasserstoffs. Diese kann entweder über Brennstoffzellen oder über moderne Gas-und-Dampf-Generatoren erfolgen. Beide Techniken erreichen als stationäre Anlagen elektrische Wirkungsgrade zwischen 60 und 70 Prozent, das heißt, aus 20 Gramm Wasserstoff werden wenigstens 0,4 kWh Strom erzeugt. Ersetzt dieser saubere Strom Kohlestrom, dann werden damit bis zu 400 Gramm CO2 eingespart.

Strom aus Wasserstoff im E-Auto:

Wird ein E-Auto mit solchem Strom geladen, dann führt der Einsatz der ursprünglichen Kilowattstunde Strom zu einer CO2-Einsparung von 320 Gramm.

Ein Hyundai Nexo verbraucht ca. 1,2 kg Wasserstoff auf 100 Kilometer, ein vergleichbares Diesel-Auto könnte diese Strecke mit 6 Litern bewältigen. Die Hochdruck-Tanksysteme für solche Autos und der Transport zu den Tankstellen verschlingen ca. 25 Prozent des Energiegehalts, aus der ursprünglichen Kilowattstunde Strom bleiben damit 15 Gramm Wasserstoff übrig. Im Vergleich zum Diesel-Antrieb werden damit gerade mal 200 Gramm CO2 eingespart.

E-Fuels aus grünem Wasserstoff:

Bei der Produktion von Benzin- bzw. Diesel-äquivalenten Treibstoffen aus grünem Wasserstoff wird es nochmals ineffizienter: Für die Herstellung muss unter großem Energieaufwand CO2 aus der Luft gewonnen werden, die Weiterverarbeitung zu langkettigen Kohlenwasserstoffen verschlingt weitere Energie. Am schwersten wiegt jedoch der schwache Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren von 25 bis 35 Prozent. Am Ende bedeutet das: Eine Kilowattstunde grüner Strom führt mit E-Fuels zu einer CO2-Reduktion von ca. 90 Gramm. Jede andere der aufgezählten Anwendungen des grünen Stroms schlägt dieses Szenario um Längen.

Der dramatische Unterschied im Wirkungsgrad, den wir auch hier ausführlich beschrieben haben, führt dazu, dass das Wasserstoff-Auto trotz der sehr komplizierten und teuren Technik kaum mehr CO2 einspart als das einfache Verbrennen des Gases. Wird die Wasserstoff-Technik optimal eingesetzt, dann ist es sogar sinnvoll, mit der Rückverstromung Akku-Autos zu laden. Erst recht gilt das, wenn die Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung arbeiten und ihre Wärme-Verluste als Heizwärme an Privatwohnungen abgeben können. Die typischen Einsatz-Zeiten für die Rückverstromung in der Dunkelflaute ohne Sonnen- und Windstrom im Herbst und Winter sind schließlich gleichzeitig die Phasen des größten privaten Heiz-Bedarfs.

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Die Umweltbilanz von Elektroautos wird in den Medien oft kritisch beachtet. Einen großen Anteil an diesem Bild hat dabei der Akku eines E-Autos. Genau gesagt die Rohstoffe, die für dessen Produktion benötigt werden. Sie haben den...

Mit den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist Wasserstoff eine der Stützen der künftigen Energiewirtschaft. Er lässt sich beim stationären Einsatz relativ leicht speichern, die Tanks dafür sind gleichwohl riesig. Für die Wasserstoff-Wirtschaft ist ein schneller Ausbau der Erneuerbaren Energiequellen notwendig, und auch das Stromnetz muss weiter ausgebaut werden, weil sich der Strom viel effizienter transportieren lässt, als das leichte Gas.

Von allen Elementen in der Wasserstoff-Kette können die Elektroautos profitieren: Es gibt mehr CO2-neutralen Strom zum direkten Laden, und mit Wasserstoff-Technik sind auch Ladestationen möglich. Der Vorteil bei der Effizienz führt nebenbei auch zu einem langfristigen Kostenvorteil für die Akku-Autos. Nur für Verkehrsmittel, bei denen kein Akkubetrieb möglich ist, also für Fern-LKWs, für Schiffe und Flugzeuge, sind Wasserstoff und daraus erzeugte synthetische Treibstoffe der richtige Sprit.

Natürlich testet EFAHRER.com auch Wasserstoff-Autos – zum Beispiel den Toyota Mirai im Testvideo.

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