HYDROGEIT - Der Wasserstoff-Guide

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Energieversorgung
Betrachtet man den geschichtlichen Verlauf, wird deutlich, dass an der Wasserstofftechnik schon seit über 200 Jahren geforscht wird. Die Entdeckung der Brennstoffzelle ist mittlerweile 150 Jahre her. Die Frage ist, ob diese Technik geeignet ist, heutige Probleme zu lösen und damit eine aussichtsreiche Alternative für die Zukunft bieten kann.
Die Entwicklung der Energieversorgung in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten zeigt, dass die Energiegewinnung aus Erdöl, Erdgas oder anderen endlichen Primärenergieträgern erst eine relativ kurze Zeitspanne einnimmt. Das Ende dieser Zeitspanne ist bereits diverse Male vorhergesagt worden. Es werden jedoch immer wieder neue Quellen entdeckt, bis auch diese letztendlich einmal ausgeschöpft sein werden. Die Rohölpreise werden bei einer weiteren Reduzierung der Reserven steigen, ebenso die Kraftstoffpreise, und Autofahren könnte zu einem teuren Hobby werden.
Dann muss bereits eine Alternative vorliegen. Es wird nicht reichen, sich erst bei einer Rohölverknappung Gedanken über einen adäquaten Ersatz zu machen. Dann wird es zu spät sein. Schon jetzt muss geforscht und getestet werden, was ökologisch und ökonomisch die beste Alternative ist.
 

Energieverbrauch
Die entscheidende Frage in der weiteren Entwicklung wird sein, wie die Menschheit in späteren Jahren und Jahrzehnten ihren Energiebedarf decken kann. 1993 lag der weltweite Verbrauch bei 11 Mrd. t Steinkohleeinheiten (SKE) an Primärenergie. Davon wurden bis zu 90% von den fossilen Energieträgern Öl, Kohle, Gas gedeckt.
 

Dieser Energiebedarf unterscheidet sich von Land zu Land. Momentan sieht es noch so aus, dass es einen enormen Unterschied zwischen den Industrieländern und sogenannten Entwicklungsländern gibt.

Abb. 1
Quelle: Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Verkehr und Technologie, 1993

Die westliche Welt verbraucht mehr als die Hälfte der weltweiten Energievorkommen, dabei stellt sie lediglich ein Siebtel der Weltbevölkerung. Mit der voranschreitenden Industrialisierung der dritten Welt wird deren Energiebedarf drastisch steigen, so dass insgesamt eine weitere Zunahme der Verbrauchszahlen zu erwarten ist.
Der Energiebedarf selbst unterscheidet sich ebenfalls je nach Lage und Industrialisierungsgrad. Allgemein gilt, dass es folgende energieverbrauchende Sektoren gibt, die 1993 den in Prozenten angegebenen Anteil am Endenergieverbrauch hatten:

Industrie: 24,9%
Haushalt: 30,5%
Verkehr: 27,0%
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen: 17,3%
militärische Dienststellen: 0,3%

Wählt man den für den Normalbürger interessantesten Bereich heraus, die privaten Haushalte, zeigt sich dort folgende Aufteilung (s. Abb. 2):

Abb. 2
Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen (1993)

Rund ein Drittel der Endenergie in Deutschland wird in den privaten Haushalten verbraucht. Wiederum ein Drittel davon wird im Schnitt für die individuelle Fortbewegung eingesetzt in Form von Benzin oder Diesel für Autos. Bezieht man den Transport per Lastwagen, Eisenbahn, Flugzeug und Schiff noch mit ein, wird deutlich, dass der Sektor Transport und Verkehr ein zentraler Aspekt ist in Hinsicht des Energieverbrauchs. Greenpeace nennt Zahlen, denen zufolge der Verkehr mittlerweile für 60% des Endverbrauchs an Ölprodukten verantwortlich ist, Tendenz steigend. [Worm, 1995]

Dazu gilt, es eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen, wie z.B.:
- den Anstieg der Bevölkerungszahlen,
- die weltweite Zunahme der Fahrzeugzahlen,
- die steigende Umweltbelastung durch den Verkehr,
- die zunehmenden Entfernungen im Transportwesen,
- usw.
 

Verbrauch:
Es stellt sich die Frage, wie diese Energie zur Zeit erzeugt wird bzw. in Zukunft erzeugt werden soll. In der Vergangenheit zeigte sich folgendes Bild:

Abb. 3
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiepolitik, Bonn, März 1992

Im Vergleich zeigt Abbildung 4 die Zahlen von 1997.

Abb. 4
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6

Es gab eine Steigerung in der Kernenergie um 3% und beim Mineralöl sowie beim Naturgas um 5%. Abgenommen hat der Kohleanteil am Primärenergieverbrauch: bei Steinkohle um 2% und bei Braunkohle um 10%. Die Zahlen bei Wasser- und Windkraft sowie bei "sonstigem" sind relativ unpräzise. Es lässt sich jedoch sagen, dass die regenerativen Energien von 1990 bis 1997 von 1,4% auf 2,0% zugenommen haben.

Der Mineralölabsatz in Deutschland verzeichnet insgesamt einen Anstieg (s. Tab. 1). Der Primärenergieverbrauch lag bei knapp 500 Mio. t SKE, was 39,5% Anteil am Gesamtverbrauch entspricht. Die absoluten Zahlen sind demnach in den letzten Jahren (seit 1994) gestiegen, wenn auch der prozentuale Anteil von Mineralöl leicht abgenommen hat. Dies geht jedoch hauptsächlich auf den witterungsbedingten Heizölanstieg zurück. In Zukunft (bis zum Jahr 2020) steht in Deutschland im Kraftstoffsektor ein Rückgang des Mineralölanteils bevor. Der Pkw-Bestand steigt zwar weiter, aber die gesamte Fahrleistung ist rückläufig. Ausschlaggebend für die Abnahme ist der geringere Verbrauch der sparsameren Neufahrzeuge. [Deutsche Shell AG, 1996]
 

Tab. 1
  1994 1995 1996
Mio. t Ottokraftstoff 29,8 30,1 30,0
Mio. t Dieselkraftstoff 25,5 26,2 26,0
Mio. t Heizöl 43,5 42,5 45,4
Mio. t Ges. Inlandsabsatz 126,1 126,2 128,4
Mio. t SKE Primärenergieverbrauch 479,0 485,6 499,6
% Mineralölanteil 41,0 40,0 39,5
Quelle: Fakten und Argumente, Deutsche Shell AG, Hamburg, Nov. 1997
 

über die Jahre gesehen, hat sich der Ölverbrauch seit 1960 in den USA verdoppelt und in Europa vervierfacht und im pazifischen Raum versechsfacht. Nach heutigen Berechnungen reichen das Erdöl und das Erdgas noch für 100 Jahre. Selbst wenn noch weitere neue Ölquellen gefunden werden sollten, stellt sich die Frage, ob es zu verantworten ist, diesen Rohstoff bei einem relativ geringen Wirkungsgrad in Verbrennungskraftmaschinen zu verbrauchen.
 

Das Forschungszentrum Jülich hat eine Abschätzung vorgelegt, die den Nutzungsgrad von Primärenergie darstellt (s. Tab. 2). Es wird deutlich, wo überall Verluste auftreten und wie hoch ungefähr der Anteil an Primärenergie ist, der bis zum Verbraucher gelangt. Diese Kette liesse sich noch weiterführen, da selbst die Endenergie nicht zu 100% genutzt werden kann, da kein Gerät oder Aggregat einen Wirkungsgrad von 100% aufweisen. [FZJ, 1998]
 

Tab. 2: Energieverluste 1997
Primärenergieeinsatz in Form von Kohle, Erdöl, Erdgas, Sonne, Wind und Uran 14.795 PJ = 505 Mio. t SKE
100%
Umwandlungsverluste im Energiesektor - 25,6%
Nichtenergetischer Verbrauch - 7%
Eigenverbrauch im Energiesektor - 4,4%
Endenergie in Form von Koks, Strom, Heizöl, Benzin, Diesel, Fernwärme = 63%
Umwandlungsverluste - 33%
Nutzenergie in Form von Prozeß- u. Raumwärme, Antriebskraft, Licht, Warmwasser, Information = 4438 PJ = 151 Mio. t SKE
= 30%
Quelle: Forschungszentrum Jülich, Forschen, Nr. 1/98, April 1998
 
 

Schadstoffe
Der gesamte Verkehrsbereich benötigt nach unterschiedlichen Angaben 50-60% der Welt-Erdölproduktion. Verkehrsexperten schätzen, dass die Gesamtzahl aller Kraftfahrzeuge von 800 Mio. (1997) auf rund 1,6 Mrd. im Jahr 2030 [Daimler Benz, 1996] bzw. auf 2,0 Mrd. [Greenpeace, 1996] angewachsen sein wird. Die globale Autoflotte wächst derzeit prozentual doppelt so schnell wie die Weltbevölkerung. Das bedeutet z.B. für Bangkok, dass dort der Autofahrer inzwischen durchschnittlich 44 Tage pro Jahr im Stau verbringt.

Die Debatte über den Kraftstoffverbrauch beinhaltet auch die Diskussion über die Schadstoffe, speziell aus dem Verkehrsbereich. In dem Masse, wie der Verbrauch zunimmt, steigt verständlicherweise der Schadstoffausstoss. Zentraler Punkt ist die Reduzierung des CO2-Anteils, da hier eine enge Verbindung mit dem Treibhauseffekt vorliegt.
 

Der Verkehr gibt über 60% aller auftretenden NOx-Emissionen, über 55% aller CO-Emissionen und etwa 20% aller CO2-Emissionen ab. Der überragende Anteil wird im Strassenverkehr - insbesondere von Pkw - freigesetzt. [Höhlein, 1995]
 

Betrachtet man den Ausstoss von Schadstoffen, unterteilt in die Bereiche, in denen sie erzeugt werden, wird die Bedeutung des Verkehrssektors deutlich (Abb. 5).
 

Abb. 5
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6
*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Militär-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr
 

Im Zuge der Diskussion über den Treibhauseffekt gibt es eine Aufteilung verschiedener Gase, inwieweit sie hierfür als relevant bezeichnet werden können. Kohlendioxid ist mit 50% hauptverantwortlich (s. Abb. 6). [BMW, 1993]
 

Abb. 6
Quelle: BMW, Aktuelles Lexikon: Treibhauseffekt, 1993
 

Wenn die durch den Treibhauseffekt hervorgerufenen Ozon-Spitzenwerte merklich gesenkt werden sollen, müssten bei steigendem Kraftfahrzeugbestand und zunehmendem Individualverkehr deutliche Senkungen der Emissionen um mehr als 50% erfolgen. Tests in den USA haben gezeigt, dass die Vorläufersubstanzen um ca. 50% gesenkt werden müssen, wenn eine Verringerung der Ozon-Spitzenwerte um etwa 20-30% erzielt werden soll.
 

Für die Pkw-Fahrzeugtechnik bedeutet das:
· kurz- und mittelfristig die Einführung neuer Energieträger wie Erdgas, Methanol und Wasserstoff für Verbrennungsmotoren,
· mittel- bis langfristig (5 bis 10 Jahre) die Entwicklung von Antrieben mit Brennstoffzellen als Energiewandler auf der Basis von aus Erdgas hergestelltem Methanol oder auf der Basis von Wasserstoff.
 
 

Die Entwicklung
Bei der Analyse der Verbrauchs- und Schadstoffdaten kommt man nicht umhin zu fragen, wie die weitere Entwicklung aussehen wird. Dazu hier ein kurzer Ausblick:
Der weltweite Energiebedarf wird weiter steigen. Wissenschaftler erwarten, dass er von 1995 bis 2015 um über 50% zunehmen wird.
Der Verbrauch von Primärenergieträger lag vor fünf Jahren noch bei insgesamt 11 Mrd. t SKE weltweit. Der Anteil regenerativer Energieträger nahm damals wie heute nur einen kleinen Teil ein. Wenn keine radikale Trendwende eintritt, wird der Anteil auch im Jahr 2010 nur unwesentlich angestiegen sein (s. Abb. 7).
 

Abb. 7
Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung
 

Abb. 8
Quelle: PROGNOS AG und Fraunhofer-Institut für Systemtechnik u. Innovationsforschung
 

Nach einem VDI-Bericht besteht zumindest für Deutschland die Aussicht auf eine andere Entwicklung. Demnach könnten durch eine zielstrebige Energiepolitik im Jahr 2030 etwa 20-25% des deutschen Energieverbrauchs durch erneuerbare Energiequellen gedeckt werden. [Nitsch, Dienhart, 1997]
Dass dies generell machbar ist, zeigt die Schweiz, in der bereits 40% des Elektrizitätsbedarfs über Wasserkraft gedeckt werden.
 

Alternative - fossile Energien
In Abbildung 8 ist zu sehen, dass in der Prognose für das Jahr 2010 bei der Aufteilung des regenerativen Energieanteils die Sonne als Energielieferant aufgeführt ist. Zwar nicht mit besonders hohem Prozentsatz, aber sie wird eingeplant. Tatsächlich ist die Sonne die grösste und ergiebigste Energiequelle, die es gibt. Selbst in der Entfernung, in der die Erde um die Sonne kreist, liefert sie enorme Energiemengen.

Als Beispiel:
· Die Sonne strahlt in rund einer halben Stunde die Energiemenge zur Erde, die weltweit jährlich an Primärenergie verbraucht wird.

Oder anders formuliert:
· Die Sonne spendet unserem Globus Tag für Tag die zehntausendfache Menge des Energiebedarfs der gesamten Erdbevölkerung.

So liesse sich z.B. mit Solarkraftwerken auf einer Fläche von 3% der Sahara der Energiebedarf Europas und Afrikas decken.
 

"Solare Wasserstoffwirtschaft"
Die ersten Konzepte von einer "solaren Wasserstoffwirtschaft" wurden bereits in den fünfziger Jahren entwickelt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich die Idee, dass die Sonnenenergie nicht genutzt wird, um über Photovoltaik Strom oder um in Wärmetauschern warmes Wasser zu erzeugen. Die Idee ist vielmehr, die Sonnenenergie zur Wasserstoffspaltung zu gebrauchen.
Da Wasserstoff als Element separat nicht in der Natur vorkommt, sondern nur durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, stellt sich die Frage, wie dies bewerkstelligt werden kann.
Gelänge es, Sonnenenergie zu konzentrieren, damit eine genügend grosse Energiemenge zusammenkommt, die notwendig ist, um Wasser zu spalten, wäre dies ein durchweg ökologisches Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Der Wasserstoff könnte transportiert werden und an anderer Stelle unter Energiefreisetzung wieder verbrannt werden. Bei der Oxidation entstünde (fast) nur Wasser, so dass keine Umweltprobleme aufträten.
Das Interessante an dieser Idee ist, dass die Sonne unbegrenzt vorhanden ist und Wasser lediglich verwendet, aber nicht verbraucht wird. Damals war dies eine revolutionäre Idee, mittlerweile erscheint dies durchaus umsetzbar.
In diesem Sinne ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern ein Energieträger, der unter Verwendung von Energie erst erzeugt werden muss.

Die Vorteile von Wasserstoff als Energieträger sind im groben folgende:

Wasserstoff ist:
· speicherbar (auch grosstechnisch),
· transportierbar,
· umweltneutral,
· vielseitig anwendbar,
· theoretisch unbegrenzt verfügbar.
 

Zur Herstellung von Wasserstoff ist relativ viel Energie notwendig, da dieses Element eine hohe Bindungsenergie besitzt, der Sauerstoff also nur sehr schwer abtrennbar ist. Würde man dafür Energie heranziehen, die aus Primärenergieträgern erzeugt worden wäre, hätte dieses Konzept keinerlei ökologischen Anspruch. Es wäre ökologisch betrachtet unsinnig, Kohle zur Energiegewinnung unter Schadstoffausstoss zu verbrennen, um mit der daraus gewonnenen Energie Wasser aufspalten zu können, damit dann Wasserstoff als "schadstofffreier Energieträger" genutzt werden kann. Vielmehr müsste bereits bei der Erzeugung von Wasserstoff ein alternatives Konzept verfolgt werden. Eine Möglichkeit wäre die solare Wasserstoffwirtschaft.

Eine Speicherung ist notwendig, weil Wasserstoff nicht immer an Ort und Stelle erzeugt werden kann, wo er gebraucht wird. Eine Möglichkeiten wäre z.B. ein mobiler Reformer zur Umwandlung von Methanol.
Eine Speicherung ist ausserdem notwendig, da in Mitteleuropa das Energieangebot der Sonne nur schlecht mit dem Energiebedarf übereinstimmt. Im Sommer, wenn weniger Energie benötigt wird, scheint die Sonne stark; im Winter, wenn deutlich mehr Energie verbraucht wird, scheint sie nur sehr begrenzt. Ausserdem gibt es starke tageszeitliche und wetterbedingte Schwankungen der Sonneneinstrahlung. ähnliches gilt für die Windenergie oder andere alternative Konzepte.
Es wird darauf hinauslaufen, dass der Wasserstoff dort erzeugt wird, wo unter guten ökologischen Bedingungen ausreichend Energie bereitgestellt werden kann. Von dort muss er (flüssig oder gasförmig) in die Regionen transportiert werden, wo er benötigt wird. Dann kann er mobil oder stationär genutzt werden, indem die Energie wieder freigesetzt wird, die in ihn hineingesteckt wurde. In diesem Sinne dient er lediglich als Speicher für diese chemisch gebundene Energie.
Diese Speicherung geschieht naturgemäss nicht in einem Verhältnis 1:1. Es treten wie bei jedem physikalischen oder chemischen Prozess auch in dieser Umwandlungskette Verluste auf. Ziel der Forschung und Entwicklung ist es nun, hier einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
 

Tab. 3: Übersicht über Effizienz- und Kostenverhältnisse zwischen solarem Strom (Erzeugung = 1,0) und solarem Wasserstoff für fortgeschrittene Technologien.
Wirkungsgrad
nur Produktion
Wirkungsgrad
einschl. Transport
Kosten
nur Produktion
Kosten
einschl. Transport
Strom 100 88 100 150
GH2 73 65 160 190
LH2 60 52 250 440
Quelle: Nitsch, J., Dienhart, H., u.a., VDI-Bericht (1997), 1321, "Fortschrittliche Energiewandlung und Anwendung", VDI-Verlag, Stuttgart, S. 767-782
 

Nach Tabelle 3 enthält gasförmiger Wasserstoff in Mitteleuropa noch 65% der Energie des solaren Stroms und kostet einschliesslich Transport nahezu das Doppelte des erzeugten Solarstroms. Bei flüssigem Wasserstoff stehen dem Nutzer noch etwa 50% der ursprünglichen Energie des Solarstroms zu über vierfachen Kosten zur Verfügung. [Nitsch, Dienhart, 1997]

Es bieten sich noch eine Unmenge weiterer Varianten an. In Frage käme u.a. die Nutzung von Windenergie. In Skandinavien und Nordamerika gibt es bereits riesige Windparks, wo viele Hunderte Windräder Energie erzeugen. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Projekte, dass Einfamilienhäuser mit einem Windrad sich selbst versorgen und von der Warmwasseraufbereitung bis hin zum Backofen alles mit Wasserstoff betrieben wird (s. Ausblick). Des weiteren gibt es bereits Projekte, die die Wasserkraft von riesigen Staudämmen nutzen. Auch die Verbrennung von Biogas oder Müll wären Möglichkeiten (s. Anhang: Biodiesel).

Selbstverständlich darf nicht verschwiegen werden, dass auch diese Varianten Spuren in der Natur hinterlassen. Es ist lediglich die Frage, wie signifikant diese Spuren bzw. deren Auswirkungen sind. Um darüber korrekte Abschätzung machen zu können, bedarf es einer ausgiebigen Recherche und Analyse aller dazugehörigen Faktoren, was sicherlich nicht einfach ist und niemals den Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann, da immer Vereinfachungen gemacht werden müssen.


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