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 l�sen und damit eine aussichtsreiche Alternative füt die Zukunft bieten kann.
Die Entwicklung der Energieversorgung in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten zeigt, dass die Energiegewinnung aus Erd�l, Erdgas oder anderen endlichen Prim�renergietr�gern 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 ausgesch�pft sein werden. Die Roh�lpreise werden bei einer weiteren Reduzierung der Reserven steigen, ebenso die Kraftstoffpreise, und Autofahren k�nnte zu einem teuren Hobby werden.
Dann muss bereits eine Alternative vorliegen. Es wird nicht reichen, sich erst bei einer Roh�lverknappung Gedanken über einen ad�quaten Ersatz zu machen. Dann wird es zu sp�t sein. Schon jetzt muss geforscht und getestet werden, was �kologisch und �konomisch die beste Alternative ist.
 

Energieverbrauch
Die entscheidende Frage in der weiteren Entwicklung wird sein, wie die Menschheit in sp�teren Jahren und Jahrzehnten ihren Energiebedarf decken kann. 1993 lag der weltweite Verbrauch bei 11 Mrd. t Steinkohleeinheiten (SKE) an Prim�renergie. Davon wurden bis zu 90% von den fossilen Energietr�gern �l, Kohle, Gas gedeckt.
 

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

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

Die westliche Welt verbraucht mehr als die H�lfte der weltweiten Energievorkommen, dabei stellt sie lediglich ein Siebtel der Weltbev�lkerung. 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%
milit�rische Dienststellen: 0,3%

W�hlt man den füt den Normalb�rger 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 füt die individuelle Fortbewegung eingesetzt in Form von Benzin oder Diesel füt 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 füt 60% des Endverbrauchs an �lprodukten verantwortlich ist, Tendenz steigend. [Worm, 1995]

Dazu gilt, es eine Vielzahl von Randbedingungen zu ber�cksichtigen, wie z.B.:
- den Anstieg der Bev�lkerungszahlen,
- 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 füt Wirtschaft, Energiepolitik, Bonn, März 1992

Im Vergleich zeigt Abbildung 4 die Zahlen von 1997.

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

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

Der Mineral�labsatz in Deutschland verzeichnet insgesamt einen Anstieg (s. Tab. 1). Der Prim�renergieverbrauch 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 Mineral�l leicht abgenommen hat. Dies geht jedoch haupts�chlich auf den witterungsbedingten Heiz�lanstieg zur�ck. In Zukunft (bis zum Jahr 2020) steht in Deutschland im Kraftstoffsektor ein R�ckgang des Mineral�lanteils bevor. Der Pkw-Bestand steigt zwar weiter, aber die gesamte Fahrleistung ist r�ckl�ufig. Ausschlaggebend füt 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 Heiz�l 43,5 42,5 45,4
Mio. t Ges. Inlandsabsatz 126,1 126,2 128,4
Mio. t SKE Prim�renergieverbrauch 479,0 485,6 499,6
% Mineral�lanteil 41,0 40,0 39,5
Quelle: Fakten und Argumente, Deutsche Shell AG, Hamburg, Nov. 1997
 

über die Jahre gesehen, hat sich der �lverbrauch seit 1960 in den USA verdoppelt und in Europa vervierfacht und im pazifischen Raum versechsfacht. Nach heutigen Berechnungen reichen das Erd�l und das Erdgas noch füt 100 Jahre. Selbst wenn noch weitere neue �lquellen 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 J�lich hat eine Absch�tzung vorgelegt, die den Nutzungsgrad von Prim�renergie darstellt (s. Tab. 2). Es wird deutlich, wo überall Verluste auftreten und wie hoch ungef�hr der Anteil an Prim�renergie ist, der bis zum Verbraucher gelangt. Diese Kette liesse sich noch weiterf�hren, da selbst die Endenergie nicht zu 100% genutzt werden kann, da kein Ger�t oder Aggregat einen Wirkungsgrad von 100% aufweisen. [FZJ, 1998]
 

Tab. 2: Energieverluste 1997
Prim�renergieeinsatz in Form von Kohle, Erd�l, 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, Heiz�l, Benzin, Diesel, Fernw�rme = 63%
Umwandlungsverluste - 33%
Nutzenergie in Form von Proze�- u. Raumw�rme, Antriebskraft, Licht, Warmwasser, Information = 4438 PJ = 151 Mio. t SKE
= 30%
Quelle: Forschungszentrum J�lich, Forschen, Nr. 1/98, April 1998
 
 

Schadstoffe
Der gesamte Verkehrsbereich ben�tigt nach unterschiedlichen Angaben 50-60% der Welt-Erd�lproduktion. Verkehrsexperten sch�tzen, 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 w�chst derzeit prozentual doppelt so schnell wie die Weltbev�lkerung. Das bedeutet z.B. füt 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 verst�ndlicherweise 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. [H�hlein, 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 füt Wirtschaft, Energiedaten 97/98, S.6
*: Land-, Forst und Bauwirtschaft, Milit�r-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr
 

Im Zuge der Diskussion über den Treibhauseffekt gibt es eine Aufteilung verschiedener Gase, inwieweit sie hierfüt 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, m�ssten bei steigendem Kraftfahrzeugbestand und zunehmendem Individualverkehr deutliche Senkungen der Emissionen um mehr als 50% erfolgen. Tests in den USA haben gezeigt, dass die Vorl�ufersubstanzen um ca. 50% gesenkt werden m�ssen, wenn eine Verringerung der Ozon-Spitzenwerte um etwa 20-30% erzielt werden soll.
 

füt die Pkw-Fahrzeugtechnik bedeutet das:
· kurz- und mittelfristig die Einf�hrung neuer Energieträger wie Erdgas, Methanol und Wasserstoff füt 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 Prim�renergietr�ger lag vor f�nf 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 füt Systemtechnik u. Innovationsforschung
 

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

Nach einem VDI-Bericht besteht zumindest füt Deutschland die Aussicht auf eine andere Entwicklung. Demnach k�nnten 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 Elektrizit�tsbedarfs über Wasserkraft gedeckt werden.
 

Alternative - fossile Energien
In Abbildung 8 ist zu sehen, dass in der Prognose füt das Jahr 2010 bei der Aufteilung des regenerativen Energieanteils die Sonne als Energielieferant aufgef�hrt ist. Zwar nicht mit besonders hohem Prozentsatz, aber sie wird eingeplant. Tats�chlich ist die Sonne die gr�sste 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 j�hrlich an Prim�renergie verbraucht wird.

Oder anders formuliert:
· Die Sonne spendet unserem Globus Tag füt Tag die zehntausendfache Menge des Energiebedarfs der gesamten Erdbev�lkerung.

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

"Solare Wasserstoffwirtschaft"
Die ersten Konzepte von einer "solaren Wasserstoffwirtschaft" wurden bereits in den f�nfziger Jahren entwickelt. Hinter diesem Begriff verbirgt sich die Idee, dass die Sonnenenergie nicht genutzt wird, um über Photovoltaik Strom oder um in W�rmetauschern 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.
Gel�nge es, Sonnenenergie zu konzentrieren, damit eine gen�gend grosse Energiemenge zusammenkommt, die notwendig ist, um Wasser zu spalten, w�re dies ein durchweg �kologisches Verfahren zur Wasserstoffherstellung. Der Wasserstoff k�nnte transportiert werden und an anderer Stelle unter Energiefreisetzung wieder verbrannt werden. Bei der Oxidation entst�nde (fast) nur Wasser, so dass keine Umweltprobleme auftr�ten.
Das Interessante an dieser Idee ist, dass die Sonne unbegrenzt vorhanden ist und Wasser lediglich verwendet, aber nicht verbraucht wird. Damals war dies eine revolution�re Idee, mittlerweile erscheint dies durchaus umsetzbar.
In diesem Sinne ist Wasserstoff keine Energiequelle, sondern ein Energietr�ger, 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 verf�gbar.
 

Zur Herstellung von Wasserstoff ist relativ viel Energie notwendig, da dieses Element eine hohe Bindungsenergie besitzt, der Sauerstoff also nur sehr schwer abtrennbar ist. W�rde man dafüt Energie heranziehen, die aus Prim�renergietr�gern erzeugt worden w�re, h�tte dieses Konzept keinerlei �kologischen Anspruch. Es w�re �kologisch betrachtet unsinnig, Kohle zur Energiegewinnung unter Schadstoffausstoss zu verbrennen, um mit der daraus gewonnenen Energie Wasser aufspalten zu können, damit dann Wasserstoff als "schadstofffreier Energietr�ger" genutzt werden kann. Vielmehr m�sste bereits bei der Erzeugung von Wasserstoff ein alternatives Konzept verfolgt werden. Eine M�glichkeit w�re die solare Wasserstoffwirtschaft.

Eine Speicherung ist notwendig, weil Wasserstoff nicht immer an Ort und Stelle erzeugt werden kann, wo er gebraucht wird. Eine M�glichkeiten w�re 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 ben�tigt 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. �hnliches gilt füt die Windenergie oder andere alternative Konzepte.
Es wird darauf hinauslaufen, dass der Wasserstoff dort erzeugt wird, wo unter guten �kologischen Bedingungen ausreichend Energie bereitgestellt werden kann. Von dort muss er (fl�ssig oder gasfütmig) in die Regionen transportiert werden, wo er ben�tigt wird. Dann kann er mobil oder station�r genutzt werden, indem die Energie wieder freigesetzt wird, die in ihn hineingesteckt wurde. In diesem Sinne dient er lediglich als Speicher füt diese chemisch gebundene Energie.
Diese Speicherung geschieht naturgem�ss nicht in einem Verh�ltnis 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 m�glichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
 

Tab. 3: übersicht über Effizienz- und Kostenverh�ltnisse zwischen solarem Strom (Erzeugung = 1,0) und solarem Wasserstoff füt 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 enth�lt gasfütmiger Wasserstoff in Mitteleuropa noch 65% der Energie des solaren Stroms und kostet einschliesslich Transport nahezu das Doppelte des erzeugten Solarstroms. Bei fl�ssigem Wasserstoff stehen dem Nutzer noch etwa 50% der urspr�nglichen Energie des Solarstroms zu über vierfachen Kosten zur Verf�gung. [Nitsch, Dienhart, 1997]

Es bieten sich noch eine Unmenge weiterer Varianten an. In Frage k�me u.a. die Nutzung von Windenergie. In Skandinavien und Nordamerika gibt es bereits riesige Windparks, wo viele Hunderte Windr�der Energie erzeugen. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Projekte, dass Einfamilienh�user 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 Staud�mmen nutzen. Auch die Verbrennung von Biogas oder M�ll w�ren M�glichkeiten (s. Anhang: Biodiesel).

Selbstverst�ndlich 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 Absch�tzung machen zu können, bedarf es einer ausgiebigen Recherche und Analyse aller dazugeh�rigen Faktoren, was sicherlich nicht einfach ist und niemals den Anspruch auf Vollst�ndigkeit erheben kann, da immer Vereinfachungen gemacht werden m�ssen.


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