Wasserstoff: Von Bumm zu Boom

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Das Gewitter startet auf Knopfdruck. Etwa eine Minute dauert es, bis bläuliche Plasmablitze aus einer blassbraunen Brühe eine klare Flüssigkeit gemacht haben. "Wasser", sagt Jens Hanke, Geschäftsführer des Berliner Start-ups Graforce. "Das könnte man jetzt ­sogar trinken."

Die Probe stammte aus einem Klärwerk. Der Reinigungseffekt ist für Hanke aber nur Nebensache: "Spannender ist, dass bei unserer sogenannten Plasmalyse Wasserstoff erzeugt wird – mit zwei Drittel weniger Energie als bei der herkömmlichen Wasser-Elektro­lyse." Das Geheimnis dahinter: Der Strom spaltet kein H2O, sondern die im Schmutzwasser enthaltenen Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen wie Ammonium (NH4+). "Die sind leichter zu knacken", erklärt Hanke.

Hankes Plasmalyse könnte zu einem wichtigen Baustein einer grünen Wasserstoffwirtschaft werden. Die soll nämlich nach den Plänen der Bundesregierung neben erneuerbarem Strom zur zweiten Säule der Energiewende werden, als Scharnier zwischen Strom-, Wärme- und Verkehrssektor, indem sie Wind- und Sonnenenergie zwischenspeichert.

Hohe Ziele mit Wasserstoff

"Wir wollen bei Wasserstofftechnologien die Nummer eins in der Welt werden", verkündete Wirtschaftsminister Peter Altmaier (CDU) kürzlich bei der Bekanntgabe der ­"Reallabore der Energiewende". Die 20 Gewinner-Konsortien sollen zukunftsfähige Wasserstofftechnologien unter realen Bedingungen im industriellen Maßstab erproben. Bis 2022 stellt der Bund dafür jährlich bis zu 100 Millionen Euro bereit.

"Es sieht tatsächlich so aus, als stünde Wasserstoff vor dem Durchbruch", sagt Detlef Stolten, Leiter des Instituts für elek­trochemische Verfahrenstechnik am Forschungszentrum Jülich. Er wählt bewusst den Konjunktiv, denn so weit war die Technologie gefühlt schon unzählige Male. Bereits 1994 zeigte Daimler mit seinem Forschungsfahrzeug NECAR die Machbarkeit von Brennstoffzellenantrieben. Doch seither lief die ­Geschichte wellenförmig immer nach dem gleichen Schema ab: Stets ­sollte die Technik in einigen Jahren serienreif sein, dann würde der Durchbruch kommen. Bis heute kam er aber nie.

Dafür trat die Batterie auf den Plan. Vielen Experten schien sie der Sargnagel für die komplizierte Wasserstofftechnologie zu sein: einfacher, günstiger und vor allem effizienter. Stolten gibt zu: "Wenn man bei einen Brennstoffzellenauto, das auf dem Prüfstand einen Testzyklus abfährt, die gesamte Kette von der Wasserstofferzeugung bis zur Wandlung in elektrische Energie betrachtet, kommt man auf einen Wirkungsgrad von 38 Prozent." Batterien kämen bei schneller Ladung auf 68 Prozent, bei schonenderer auf noch mehr. "Deshalb fahren kleine und leichte Fahrzeuge auch in Zukunft immer besser mit ­Akkus."

Damit ist die Debatte um Wasserstoff allerdings noch nicht beendet. Denn: "Je größer und schwerer die Fahrzeuge, je länger die Strecken und je höher die gewünschte Geschwindigkeit, desto mehr spricht für die Brennstoffzelle", argumentiert Stolten. Insbesondere bei schweren Trucks, da stimmen Stolten die meisten Experten zu, werden die Akkus auch in Zukunft so groß und schwer sein, dass zu wenig Platz für Nutzlast bleibt.

Zudem trüben der hohe Rohstoffbedarf und die zur Produktion benötigte Energie die Ökobilanz von Batterien. Ab welcher Schwelle dieser "Rucksack" so groß wird, dass Brennstoffzellen trotz ihrer schlechteren Effizienz unter dem Strich umweltfreundlicher sind, hängt unter anderem von der Herkunft des Stroms ab und den Produktionsbedingungen der Batterie. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat in einer aktuellen Studie verschiedene Varianten durchgerechnet und kam zum Ergebnis: Ab etwa 250 bis 350 Kilometern ­Reichweite beziehungsweise einer Batterie von mehr als 50 Kilowattstunden liegen Wasserstoff-Pkw vorn – im Grunde also bei allen künftigen E-Autos.

Kosten für Brennstoffzellen-Autos

Zwar meldet die Akkutechnik stetige Verbesserungen, doch auch die Wasserstoff-Community hat in der Zwischenzeit Fortschritte erzielt. Das betrifft vor allem die Kosten. Derzeit sind für die wenigen verfügbaren Brennstoffzellen-Pkw noch 70.000 bis 80.000 Euro fällig, vor allem wegen der teuren Rohstoffe und niedrigen Stückzahlen. Beides ändert sich aber gerade. "Seit 2005 ist der Platinanteil von Brennstoffzellen auf ein Zehntel gesunken", sagt Philipp Walter, ­Senior Vice President beim Edelmetallkonzern Heraeus. Auf 100 Kilo­watt Leistung seien aktuell rund 30 Gramm Platin verbaut. Beim derzeitigen Preis entspreche das rund 750 Euro. "Damit haben Platin-Katalysatoren zwar immer noch einen signifikanten ­Anteil an den Kosten der Brennstoffzelle, sie sind aber kein Hemmnis mehr für einen Markteintritt", sagt Walter. Erfolgversprechend sei aus seiner Sicht zudem, reines Platin durch langlebige bimetallische Platinlegierungen zu ersetzen. "So wird der Bedarf noch einmal halbiert."

Für noch entscheidender hält Sae Hoon Kim, Chef der Brennstoffzellenentwicklung bei Hyundai, den Markthochlauf: "Sobald wir weltweit ein sechsstelliges Produktionsvolumen ­erreicht haben, wird der Preis für Brennstoffzellenautos auf den von Dieselfahrzeugen fallen." Damit dürfte demnach irgendwann Mitte der 2020er-Jahre zu rechnen sein. Bis 2022 soll die Jahresproduktion bei Hyundai von aktuell 3.000 auf 40.000 Brennstoffzellensysteme steigen, bis 2030 dann auf 700.000. Das Investment dafür beträgt 6,3 Milliarden Euro.

Auch Toyota baut die Produktion seines Brennstoffzellen­autos Mirai mit einem neuen Werk aus und will damit ab 2020 die Stückzahl von 3.600 auf 30.000 steigern. "Die Preise werden deutlich sinken, in welchen Maße, steht aber noch nicht fest", sagt Toyota-Sprecher Andreas Lübeck.

Schon heute seien Wasserstoffautos laut Hyundai-Mann Kim preislich auf Augenhöhe mit der batterieelektrischen Konkurrenz, wenn man eine vergleichbare Reichweite zugrunde legt. "Wenn batterieelektrische Autos – wie Wasserstoffautos heute – 700 Kilometer weit kommen sollen, kosten sie wegen der ­hohen Batteriepreise gleich viel."

Nicht jeder teilt allerdings die Ansicht, dass die Reichweite von Verbrennern überhaupt der richtige Maßstab für E-Autos ist – ob mit Akku oder Brennstoffzelle. Schließlich reichen im Alltag meist 100 bis 150 Kilometer aus. Und wenn E-Autos herkömmliche Vehikel eins zu eins ersetzen, würde dies nichts an Staus, Unfällen und Flächenverbrauch ändern. Die Befürworter der Wasserstoff-Pkws strapazieren also das verkehrspolitisch zweifelhafte Versprechen, dass sich für ihre Kunden möglichst wenig ändern wird.

Brennstoffzellen für Busse und Schwerlaster

Weitgehend unstrittig hingegen ist: Für Busse oder Schwerlaster ist die Brennstoffzelle geradezu prädestiniert. In China arbeiten bereits mehrere Firmen an Wasserstoff-Lkws, und auch Hyundai setzt verstärkt auf entsprechende Nutzfahrzeuge. Mit dem Schweizer Unternehmen H2 Energy gründeten die Südkoreaner Mitte 2018 das Joint Venture Hyundai Hydrogen Mobility. Es will bis 2025 rund 1.600 Trucks mit Brennstoffzelle ausliefern. Nach Frankreich sollen im gleichen Zeitraum weitere 5.000 der 34-Tonner mit 350-Kilowatt-Aggregat geliefert werden. Acht in die Struktur integrierte Drucktanks speichern bei 350 Bar knapp 33 Kilogramm Wasserstoff. Laut Hyundai reicht das für 400 Kilometer. Verbindliche Lieferverträge sind allerdings noch nicht abgeschlossen.

Bereits unterwegs sind seit Herbst vergangenen Jahres zwei Wasserstoffzüge des Typs Coradia iLint. Sie verkehren täglich zwischen Cuxhaven und Buxtehude. Laut Hersteller Alstom haben sie mehr als 100.000 Kilometer ohne technische Probleme hinter sich. Der Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) hat im Frühjahr 27 weitere Züge für eine halbe Milliarde Euro bestellt. Sie sollen ab Ende 2022 die weltgrößte Wasserstoffzugflotte bilden. Zu den Vorteilen gegenüber Dieselzügen zählt RMV-Geschäftsführer Knut Ringat nicht nur geringere Emissionen, sondern auch weniger Lärm und mehr Platz.

Ohne ein ausreichend dichtes Tankstellennetz nutzen aber all die Fahrzeuge wenig. Jahrelang dümpelte die Zahl der öffent­lich zugänglichen Wasserstofftanken hierzulande bei rund 20 herum, aktuell sind es etwa 70. Doch ist der weitere Ausbau überhaupt finanzierbar? Auch das hat Stolten untersucht: Zusammen mit seinem Kollegen Martin Robinius fand er 2018 in einer vielzitierten Studie heraus, dass eine Wasserstoffinfrastruktur sogar günstiger zu haben sei als Lade­punkte für Elektroautos. Das überraschende ­Ergebnis erklären die Forscher damit, dass für eine Vollversorgung mit Wasserstoff im Jahr 2050 rund 10.000 Tankstellen ausreichen, wäh­rend man für Elektroautos Millionen von Ladepunkten brauche.

Die Kosten für eine basale Wasserstoffinfrastruktur dürften wahrscheinlich noch niedriger liegen. Die 2019 gegründete ­Initiative Get H2 hat ein Wasserstoffnetz skizziert, das die wesentlichen Ballungszentren der Industrie und 90 Prozent der Bevölkerung erreicht. "Die veranschlagten 3.200 Kilometer Pipe­line liegen größtenteils schon im Boden. Welche Teile davon für reinen Wasserstoff geeignet und verfügbar sind, muss geprüft werden", sagt Frank Heunemann, Geschäftsführer des an Get H2 beteiligten Fernleitungsnetzbetreibers Nowega. Dazu komme, dass ein Teil der deutschen Erdgaskunden aktuell noch sogenanntes L-Gas bezieht, das einen niedrigeren Brennwert als H-Gas hat und daher in einem eigenen Netz transportiert wird. "Bis 2030 soll der Großteil des L-Gas-Marktes auf H-Gas umgestellt sein. Damit ergibt sich die Chance, konkrete Leitungen für Wasserstoff zu nutzen", sagt Heunemann. Das könnte die Kosten erheblich senken.

Aus Windstrom mach grünen Wasserstoff

Beginnen will die Initiative mit einem ­regionalen Projekt in Lingen im Emsland. Beteiligt sind RWE, Siemens, Nowega, der Erneuerbaren-Projektierer Enertrag, die Stadtwerke Lingen, das Start-up Hydroge­nious Technologies sowie das FZ Jülich und das Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität. Kern ist eine Elektrolyse-Anlage, die mit einer Rekordleistung von 105 Megawatt Windstrom in grünen Wasserstoff umwandeln soll. "Wir haben die Leistung unserer Elek­trolyseure bisher alle vier bis fünf Jahre verzehnfacht", sagt Armin Schnettler, Leiter der Energieforschung bei Siemens. Die Anlage in Lingen soll rund zwei Tonnen Wasserstoff pro Stunde produzieren. Auch in Leuna bei Leipzig hat Siemens gerade mit dem Aufbau einer 100-Megawatt-Elektrolyse begonnen. Der Wirkungsgrad liegt jeweils bei 70 bis 80 Prozent.

Der Wasserstoff lässt sich speichern und bei Bedarf an Nutzer aus den Sektoren Energie, Industrie, Verkehr und Wärme leiten. Die Rückverstromung soll allerdings nicht über eine Brennstoffzelle laufen, sondern über eine 60-Megawatt-Gasturbine von ­Siemens, die auf die Verbrennung reinen Wasserstoffs optimiert ist. Der Grund: Zur Stabilisierung des Stromnetzes sind Brennstoffzellen zu träge.

Detlef Stolten zufolge müsse Deutschland bis 2050 eine Elektrolyseleistung zwischen 20 und 50 Gigawatt aufbauen. "Der größte Teil davon wird zentral installiert – bei den Anlandepunkten der Offshore-Windparks." Von dort würden dann Tankstellen oder andere kleinere Verbraucher beliefert. Die Produktion vor Ort werde nur einen ­kleinen Part einnehmen. "Solche Elektroly­seure brauchen höhere Leistungsdichten als große, auf Dauerbetrieb geplante Anlagen", ergänzt Siemens-Forscher Schnettler. Denn wenn die Tankstellenspeicher leer seien, müssen sie sehr schnell wieder aufgefüllt ­werden. "Inwieweit sich so ein dezentraler Betrieb lohnt, muss noch erprobt werden." Bei großen Anlagen rechnet er damit, dass der Skalierungseffekt die Produktion pro Jahr zwischen drei und fünf Prozent günstiger mache.

Auch Daniel Teichmann, Geschäftsführer des Erlanger Start-ups Hydrogenious Technologies, geht davon aus, dass es günstiger ist, Tankstellen mit zentral produziertem Wasserstoff zu beliefern. Dafür hat das Unternehmen ein eigenes Verfahren namens "Liquid Organic Hydrogen Carrier" (LOHC) entwickelt. Dahinter verbirgt sich Dibenzyltoluol, ein Wasserstoff speicherndes Öl. "So lässt sich Wasserstoff extrem einfach und günstig mit bekannter Infrastruktur transportieren", sagt Teichmann – ohne Drucktanks oder eine Verflüssigung bei minus 253 Grad. Rund 57 Kilogramm Wasserstoff passen in 1.000 Liter Öl. "Die Speicherdichte ist sehr hoch, wir können mit einem Lkw mit dem Öl sechsmal mehr Wasserstoff transportieren als in einem üblichen 250-Bar-Drucktank." Für Tankstellen ohne Elektrolyseur und Anschluss ans Was­serstoffnetz sei die LOHC-Technologie daher ideal. Schon über relativ kurze Entfernungen ergäben sich Kostenvorteile von 20 bis 25 Prozent.

Der Markt findet Gefallen an der Hydrogenious-Technik. In Finnland und den USA stehen bereits erste stationäre An­lagen. Zudem arbeite man zusammen mit dem Helmholtz-­Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien daran, einen Zug mit LOHC fahren zu lassen. "Bei solchen mobilen Anwendungen, die auch für Schiffe und anderen Nutzfahrzeuge infrage kommen, würde der Wasserstoff dann an Bord freigesetzt und in einer Brennstoffzelle genutzt", so Teichmann. Das mit 30 Millionen Euro geförderte Projekt stehe aber noch am Anfang.

Ausbau der Erneuerbaren Energien erforderlich

Allerdings braucht es Energie, den Wasserstoff wieder aus dem Öl zu lösen. Den Verlust beziffert Stolten auf rund 30 Prozent – etwa genauso viel wie bei der herkömmlichen Verflüssigung des Gases. Bei Letzterem rechnet der Jülicher Experte ­Stolten allerdings mit Verbesserungen, die den Verlust auf 17 Prozent senken, sodass möglicherweise ein gewisser Effi­zienznachteil des LOHC-Verfahrens entsteht.

Und wo soll der ganze Strom für den sauberen Wasserstoff herkommen? Schließlich braucht seine Erzeugung schon ohne den Umweg über LOHC rund doppelt so viel Strom wie die Speicherung in einem Akku. "Wir müssen die Erneuerbaren ­sowieso stark ausbauen", erwidert Stolten. "Das bedeutet, dass der Stromüberschuss stark wächst." Im Herbst und Winter ­stünde schon heute oft weit mehr Windstrom zur Verfügung als benötigt. "Das Entscheidende am Wasserstoff ist, dass wir damit diese Überschüsse langfristig speichern können. Wir fallen zwar deutlich im Wirkungsgrad – aber wir nutzen Strom, den wir sonst gar nicht im Transportsektor einsetzen könnten", sagt Stolten. "Wasserstoff wird das Rückgrat der Energiever­sorgung und langfristig zur sekundären Energiequelle, so wie Elektrizität heute – und die Elektrizität selbst wird Öl und ­Kohle als primäre Energieträger ersetzen."

Auch darüber hinaus lässt sich Wasserstoff vielseitig einsetzen – etwa zur Herstellung von chemischen Rohstoffen oder synthetischem Sprit, der sich ohne große Umstellungen in herkömmlichen Motoren verbrennen lässt.

Mit entsprechenden Mengen könnten auch die Kosten sinken. Aktuell liegen sie für "grünen" Wasserstoff je nach Strompreis bei etwa neun Euro pro Kilogramm – genug für 100 Kilometer mit einem Brennstoffzellenauto. Zum Vergleich: Aus Erdgas produzierter Wasserstoff kostet nur knapp drei Euro. Dass grüner Wasserstoff so teuer ist, liegt einmal mehr am ­Henne-Ei-Problem: Einerseits sind die Elektrolyseure oft noch teure Einzelanfertigungen, andererseits gab es bisher auch ­wenig Bedarf für grünen Wasserstoff in großen Mengen. Also lohnte sich ein Ausbau der Anlagen, die den Wasserstoffpreis drücken würde, bisher einfach nicht.

Auch Graforce-Gründer Jens Hanke backt mit seiner Plasmalyse noch kleine Brötchen. Eine 50-Kilowatt-Solaranlage im Technologiepark Berlin-Adlershof erzeugt gerade 5 bis 25 Kilo­gramm Wasserstoff pro Tag.

Das könnte sich aber ziemlich schnell ändern, hofft er. Geeignete Rohstoffe seien schließlich reichlich vorhanden: Rückstände aus Klärwerken und Biogasanlagen, Gülle aus der Tierhaltung, fettiges Abwasser aus Pommesbuden und Chips­fabriken, zellulosehaltiges Restwasser aus dem Papierrecycling. "Weltweit fallen jährlich rund 1,5 Billionen Kubik­meter solcher Abwässer an", sagt Hanke. Mit der Plasmalyse könnten daraus theoretisch 724 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr hergestellt werden. Das wäre das Zwölffache der ­aktuellen Jahres­produktion von rund 60 Millionen Tonnen und ­genug für mehr als 70 Milliarden Kilometer. "Würde der Strom dafür aus erneuerbaren Quellen stammen, ließe sich der globale CO2-Ausstoß so um 20 Prozent senken", sagt Hanke. Ein unerreichbarer Traum? "Mal schauen", sagt Hanke. Er war gerade in China, die ersten Anlagen sollen im kommenden Jahr stehen.

(bsc)