Die Mär vom Grünen Wasserstoff

In einer Ära, in der ideologisch getarnte Ampel-Politiker und Märchenerzähler in Deutschland Hochkonjunktur haben, sind Logik, Verstand, Einsicht und Fachkenntnisse rar. Insbesondere die chronischen Fehlentscheidungen in der Energiepolitik stellen eine Bedrohung für uns alle dar. Daher ist es umso wichtiger, dass Diskussionen über den sogenannten grünen Wasserstoff mit echter fachlicher Kompetenz geführt werden.

von Hans-Jörg Müllenmeister

Wasserstoff hat als Gas an sich keine Farbe. Die Farben, die mit Wasserstoff in Verbindung gebracht werden, beziehen sich auf die Herstellungsarten und das Maß an Klimaneutralität des so erzeugten Wasserstoffs. Quasi “reinrassiger” Wasserstoff, chemisches Symbol “H” – was ist das? Mit 75 Prozent der Masse unseres Universums ist Wasserstoff der galaktische Hansdampf in allen Gassen, besser gesagt: in allen Galaxien. Allein unsere Sonne besteht aus rund 1,46 mal 10 hoch 27 Tonnen Wasserstoff und in ihrem Kern werden pro Sekunde über eine Milliarde Tonnen Wasserstoff bei der Kernfusion in Helium umgewandelt.

Elementares Leichtgewicht

Als elementares, absolutes Leichtgewicht steht H (für Hydrogenium) an erster Stelle im Periodensystem der Elemente, ist bei Raumtemperatur gasförmig und farblos und verbindet sich mit anderen Elementen zu Molekülen, zum Beispiel mit Sauerstoff zu Wasser, H2O. Erst bei minus 253 Grad Celsius wird es flüssig, und bei minus 259 Grad dann sogar fest.

Vorweg gefragt: Warum ist gerade Wasserstoff so wichtig bei der Energiewende? Wasserstoff ist ein Energieträger, somit keine Energiequelle. Er kann entweder aus fossilen Energiequellen oder aus Strom hergestellt werden, verbrennt sauber, ist gut zu speichern und zu transportieren. Der Haken dabei sind die Kosten. Wasserstoff hat einen erstaunlich hohen Heizwert. Das ist die maximal nutzbare thermische Energie, die bei der Verbrennung frei wird. Übrigens kann Wasserstoff als kleinstes Atom selbst durch Stahlbehälter diffundieren (Wasserstoff-Versprödung) und die mechanischen Eigenschaften verschlechtern.

Grundsätzliches zur Energiediskussion

Alles, was mit Energie zu tun hat, unterliegt dem Energie-Erhaltungssatz, dem Ersten Hauptsatz der Thermodynamik: Energie kann weder erschaffen noch vernichtet werden; sie lässt sich nur in verschiedene Formen umwandeln oder übertragen. In einem geschlossenen System ist die Energie deshalb immer konstant. Der Betrag der Nutzenergie kann nie größer sein als der Betrag der zugeführten Energie. In der Praxis treten bei jedem realen Energiewandler Verluste auf, etwa durch Reibung. Die „wiedergewonnene“ Energie ist also stets kleiner als Eins, somit ist der Wirkungsgrad kleiner als 100 Prozent. Daher ist auch ein perpetuum mobile praktisch unmöglich. Bei der Energiebilanzrechnung gibt es kein Herumfuhrwerken, kein Herumdeuteln, kein Schönmalen durch Weglassen unbequemer Fakten.

Wie man eine positive Energiebilanz vorgaukeln kann, zeigt mein auf einschlägigen Fachseiten veröffentlichter Beitrag „Utopie oder Garant globaler Energie-Versorgung?“ an einem Beispiel. Die aufgeplusterte PR-Abteilung des US-Energieministeriums verkündete: „Die Kernfusionsforschung hat in den USA einen neuen Höhepunkt erreicht.“ Weiterhin erklärte sie, dass bei der Fusion von Atomkernen mehr Energie freigesetzt als verbraucht wurde. Das klingt nach einem Durchbruch; aber eben da verbirgt sich ein Schummel-Haken: Die zitierte Bilanz gilt nur für den Brennstoff im Reaktor. Bezieht man aber die ganze Anlage (Gesamtwirkungsgrad, nges) mit ein, dann gewann man in der Tat nur ein mageres Prozent aus der investierten Laser-Energie.

Verminderter Gesamtwirkungsgrad

Jeder Energieumwandlungsschritt in einem Prozess vermindert den Gesamtwirkungsgrad (nges = n1 mal n2 mal… nx, also errechnet sich der Gesamtwirkungsgrad durch Multiplikation der einzelnen Wirkungsgrade). Man würde sich in die eigene Tasche lügen, wenn man nicht alle Energiestufen im Gesamtprozess berücksichtigt. Sie sehen: Die Multiplikation von mehreren Wirkungsfaktoren unter Eins ergeben zusammen stets einen noch kleineren Wert als den der Einzelfaktoren. Beispiel: 0,7 x 0,5 = 0,35, oder, in Prozenten ausgedrückt, eine magere Ausbeute von 35% der investierten Energie, gleich welcher Art.

“Grüner, klimaneutraler Wasserstoff” entsteht durch Elektrolyse in einem Elektrolyseur, der Wassermoleküle (H₂O) durch Strom in Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂ aufspaltet. Dazu gab es in der Schule im Chemieunterricht stets ein faszinierendes Elektrolyse-Experiment mit Wasser: Es entstand ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff im Stoffmengen-Verhältnis 2:1, das bereits in geringen Mengen explosiv wird – das sogenannte Knallgas. Dieses macht seinem Namen aber erst alle Ehre, wenn anschließend Aktivierungsenergie (durch Kerzenflamme) ohrenbetäubend ins Spiel kam.

Praxisfakten zum Elektrolyse-Verfahren

Übrigens gewinnt man den sogenannten “grauen Wasserstoff” aus fossilen Brennstoffen. Das verursacht CO₂-Emissionen. Der”grüne Wasserstoff” ist dagegen klimaneutral, da er keine Treibhausgase freisetzt. So weit, so gut; doch betrachten wir nun die Energieprobleme in der Praxis etwas genauer. Das verwendete Wasser sollte rein sein, da sonst die Elektrolyse-Zellen verkrusten. Inzwischen ist es einem Forscherteam sogar gelungen, aus salzigem, unbehandeltem Meerwasser Wasserstoff zu gewinnen, ohne dass sich Chloridionen an den Elektroden ablagern. Die Lösung dafür ist eine spezielle Elektroden-Beschichtung aus Chromoxid. Wie hoch die „ehrliche“ Effizienz einer solchen Anlage ist, konnte ich bislang nicht in Erfahrung bringen; aber die Technik wäre etwa für sonnigen Regionen geeignet, die zudem nur knappe Süßwasser-Ressourcen hergeben.

Reiner Wasserstoff hat eine dreifach höhere Energiedichte als Benzin. Sein Heizwert beträgt 33,3 Kilowattstunden (kWh) pro Kilogramm. Theoretisch benötigt man mindestens die gleiche Energiemenge, um Wasserstoff aus Wasser herzustellen. Fatalerweise ist aber der Wirkungsgrad der bisher verfügbaren Elektrolyse-Zellen eher mickerig. Man kann mit einem realistischen Wirkungsgrad von 65 Prozent rechnen. Es sind also 51,2 kWh aufzuwenden, um daraus 33,3 kWh pro Kilogramm nutzbare Energie in Form von einem Kilogramm Wasserstoff zu gewinnen. Die zugeführte Energie gewinnt man aus Wind- oder Wasserkraft oder aus Sonneneinstrahlung; erst ab dann kann man lax von “grünem, CO₂-freien Wasserstoff” sprechen.

Das Pferd von hinten aufzäumen

Will man nach dem Transport des Wasserstoffs zum Verbraucher die chemische Energie des Wasserstoffs wieder in Strom verwandeln, bedarf es einer Brennstoffzelle, die in umgekehrter Weise wie ein Elektrolyseur funktioniert: In beiden Fällen sind die grundlegenden chemischen Reaktionen die gleichen, sie laufen aber in entgegengesetzte Richtungen ab. Wie stellt sich nun die Energieausbeute in unserem Beispiel dar? 51,2 kWh x 0,65 x 0,65 = 21,6 kWh. Das entspricht einer mageren Ausbeute von 42 Prozent. Mit anderen Worten: Nur 42 Prozent der Elektrizität, die man anfangs bereitstellte, kommt effektiv ins Leitungsnetz zum Verbraucher zurück; insgesamt haben sich 58 Prozent der Energie im Gesamtprozess ungenutzt verabschiedet. Nein, die sind nicht einfach verloren…. aber sie haben sich an anderer Stelle, nämlich letztlich in Wärmeenergie, ungenutzt aus dem Prozess davongestohlen.

Es wäre zu kurz gedacht, wenn man dabei die naturgegebene Wind- und Sonnenenergie als kostenlose Gabe ansieht, nach dem banalen Motto “die Sonne keine Rechnung“. Der Pferdefuß dabei nämlich: Alle technischen Systeme, die sich natürliche Energien nutzbar machen, verbrauchen Rohstoffe und benötigen selbst zur Herstellung enorme Energie. All das muss man in der Energiebilanz berücksichtigen. Um überhaupt den Wasserstoff für Deutschland attraktiv zu machen, bedarf es im großen Umfang einer ungeheuren Zahl von erneuerbaren Energieträgern. Also sind sind unsere Politnarren derzeit wie besessen damit befasst, die natürlichen Freiflächen mit Windrad-Monstern und Sonarpanels “aufzufrischen” und die Landschaft zu “schmücken”. Deren späterer Abbau wird unbezahlbar und das Recycling wohl kaum möglich sein. Welch eine Bürde, welche Altlasten warten da unsere Nachkommen!

Politik im Wasserstoff-Rausch

“Grüner Wasserstoff” ist zwar ein vielversprechender Energieträger, indes aber teuer erkauft! Man könnte ihn durchaus effizient und nachhaltig nutzen – doch dazu müsste man die erneuerbaren Energien extrem ausbauen. Das ist aber weniger ein quantitatives als ein qualitatives Problem. Vor allem heißt es nämlich, die Technologien wesentlich zu verbessern. Oberste Priorität hätten da kluge politische Entscheidungen. Es gälte, alles abzuwägen und bis zum Ende denken. Dies jedoch ist geistige Mangelware im Quasseltempel von Berlin.

Während bisher zentrale Großkraftwerke unsere benötigte Energie kontinuierlich erzeugten und im Land verteilten, entstanden seit der Energiewende viele dezentrale Einspeiseinseln mit Ökostrom. Das schafft neue Probleme in der Steuerung. Die Einspeisepunkte müssen gut miteinander vernetzt sein, denn Schwankungen der Netzfrequenz lassen sich nur über miteinander vernetzte Stromspeicher kurzfristig ausgleichen. Das funktioniert aber nur dann, wenn es genügend dieser Speichermöglichkeiten gibt und wenn die Infrastruktur volldigitalisiert ist. Anderenfalls kommt es bei massiven Abweichungen in der Netzfrequenz zu einem Dominoeffekt im Europäischen Verbundnetz – und letztlich zu einem Blackout.

Vom Ammoniak zum pseudo-grünen Wasserstoff

Es gibt verschiedene Transportmöglichkeiten, je nach Verwendungszweck und Entfernungen; Der Transport über spezielle Pipelines ist eine effiziente, aber teure Methode für den Transport großer Mengen über lange Strecken. Zudem lässt sich Wasserstoff bei sehr niedrigen Temperaturen – wie gesagt bei etwa minus 253 Grad – verflüssigen. Das so entstandene liquid hydrogenium (LH₂) wird in speziellen Isolierbehältern (sogenannten Dewar-Gefäßen) als effiziente Transportmethode für flüssigen Wasserstoffs über die Ozeane geschippert. Eine andere flexible Methode für den lokalen Transport zu Verbrauchern oder Tankstellen ist das Befördern in Druckgasflaschen oder Tankwagen.

Wasserstoff kann chemisch an Ammoniak (NH₃) gebunden werden. Ammoniak ist ein stechend riechendes, farbloses und giftiges Gas, das leichter zu handhaben ist als Wasserstoff. Es lässt sich in bestehenden Infrastrukturen transportieren. Am Zielort wird das Transportvehikel Ammoniak zerlegt, um den Wasserstoff wieder freizusetzen. Das hört sich alles recht einfach an, doch die chemische “Verpackung“ des Wasserstoffs in Ammoniak zum besseren Transport ist mit einem ungeheuren Aufwand verbunden. Dabei gehen viel Energie und Kapital verloren. Jeder Umwandlungsschritt – etwa durch die notwendige teure Haber-Bosch-Anlage und spezielle Entlade-Kais in Übersee – bedeuten hohen Investitionsbedarf und großen Energieverbrauch.

Aus der der Sahara kam null nach Europa

Das in den Nullerjahren mit einem Kapital von 400 Milliarden Euro ehrgeizig geplante Wüsten-Projekt Desertec sollte Energie für 100 Terrawatt-Stunden pro Jahr in die EU liefern. Bei den Verantwortlichen kam es aber bald danach zum Streit, zur Kakophonie, und so ging alles letztlich lecker in die Hose. In aller Stille begrub man das Projekt „Strom aus der Wüste“. Der Traum zerplatzte, er wurde zur Geschichte.

In dem hier stark verkürzten Auszug des Beitrags „Wasserstoff aus der Wüste – Technisches Wissen anstelle von Wunderglauben“ macht Wilfried Schuler folgende Rechnung auf: Angenommen, es soll eine Million Tonnen Wasserstoff für Deutschland bereit gestellt werden. Hierfür müsste man aus solargetriebenen Produktionsanlage in einer Wüstenregion rund sieben Millionen Tonnen Ammoniak heranschippern. Am Entladeterminal in Hamburg wird dieser in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt. Nach Abzug weiterer unvermeidlich anfallender Produktionsverlusten bleibt davon eine Million Tonnen Wasserstoff übrig, mit einem Energieinhalt von 33,3 Terrawattstunden (tWh). Multipliziert man die Wirkungsgrade mit je 0,65 (Wasserelektrolyse, Rückverstromung), so ergibt sich eine Nettoausbeute von 42 Prozent. Von der ursprünglichen aus Solarzellen gewonnenen elektrischen „Wüsten-Energie“, beispielsweise 100 kWh, kommen also nur 42 kWh im deutschen Netz an. Bezieht man alle echten Ertragsminderungen konservativ ein, kommen sogar bestenfalls noch 25 Prozent im europäischen Netz an.

Wasserstoff als Energiespeicher

Quintessenz: Das Problem der absolut grünen und nachhaltigen Energie besteht darin, dass sie sich im Prozess „verfärbt“, wenn man alle nicht-grünen Energieeinträge miteinbezieht. Fazit: Anlagen in Übersee, die mit Sonnen- oder Windenergie „grünen Wasserstoff“ oder „grünes Ammoniak“ als Exportgut für Deutschland produzieren sollen, können nicht energieautark arbeiten. So gesehen ist auch der grüne Wasserstoff eine Chimäre – so wie heute noch die Kernfusion.

Ja, Wasserstoff könnte ein guter Lösungsansatz in einem Energiespeichersystem für erneuerbare Energien der Zukunft sein. Dazu bedarf es aber einer weiteren Forschung. Im Prinzip, theoretisch, ermöglicht “grüner Wasserstoff” eine zeitliche und örtliche Entkopplung zwischen Erzeugung und Verbrauch und kann als Speicher kann er Schwankungen des Ökostroms bei erneuerbaren Energiequellen ausgleichen. So gesehen, begleitet “grüner Wasserstoff” die EU-verordnete Energiewende maßgebend. Diese ist bisher aber nicht von Klugheit geleitet, sondern vielmehr von ideologisch-geprägten Volksvertretern, von Studienabrechern, für die selbst elementare Rechenaufgaben wie der Dreisatz ein Mysterium sind. Nein, unsere klimaneutralen Sesselpupser in Berlin sägen nicht den Ast ab, auf dem sie selbst überaus kommod sitzen… Sie fällen planlos robust den Lebensbaum, auf dem wir alle hocken! Energiewende: Ende Gelände!