Mit Wasserstoff die Energiewende retten?

Wasserstoff spielt in Industrie und Chemie seit Jahrzehnten eine wichtige Rolle. Inzwischen ist er aber auch dafür ausersehen, die „Energiewende“ zu retten. Ohne Wasserstoff werde die Klimaneutralität nicht gelingen. Wasserstoff sei ohnehin die Energie der Zukunft.*) Kann er die „Energiewende“ wirklich retten? Und wenn er es kann, muss es auch wirtschaftlich sein, nicht für Lobbyisten und Glücksritter, sondern für die deutsche Volkswirtschaft als Ganzes.

Der Hintergrund

Mit der Energiewende will Deutschland vorgeblich das „Klima schützen“ helfen, genauer: das Klima vor einer Erwärmung schützen: Die Erwärmung sei eine Folge der CO2-Emissionen beim Verbrennen fossiler Energieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas). Dieses anthropogene CO2 sei zu verhindern, Deutschland müsse „klimaneutral“ werden. Erreicht werden soll das mit der Nutzung von Energie aus Wind, Sonnenschein, Pflanzenvergärung und Wasser (physikalisch falsch „erneuerbare“ Energien genannt). Diese Energie wird in Strom umgewandelt in Windflügel-Kraftwerken, Fotovoltaik-Modulen, Vergärungsgas-Anlagen und Wasserkraftwerken. Weil Wind, Sonnenlicht und Pflanzenvergärung zum Stromerzeugen unwirtschaftlich sind, wird dieser Alternativ-Strom per Gesetz stark subventioniert, um die wirtschaftlich günstigere, herkömmliche Stromerzeugung zu verdrängen.

Da vom Wetter abhängig, liefern Wind und Sonne aber keinen verlässlichen Strom, sondern nur Zufallsstrom. Starke Schwankungen in der Stromversorgung sind die Folge. Strom entsprechend dem Bedarf können nur die herkömmlichen Kraftwerke liefern, auch die mit Kernkraft betriebenen, sie sind grundlastfähig. Mit ihren schweren rotierenden Massen in den Generatoren sind nur sie in der Lage, die erforderliche Netzfrequenz von 50 Hz stabil zu halten und so einen flächendeckenden totalen Stromausfall zu verhindern, mit Wind und Sonne geht das nicht. Doch diese bewährten Stromerzeuger wollen die „Grünen“ in allen Altparteien, die Energiewender, verschwinden lassen, auch die Kernkraftwerke, obwohl sie kein CO2 abgeben. Zufallsstrom von Wind und Sonne soll also etwas ersetzen, was er nicht ersetzen kann, was sich bewährt hat. Und er muss hoch subventioniert werden, weil seine Produktion nach wie vor unwirtschaftlich ist. Soweit der Hintergrund für das neue Vorhaben.

Mit Wasserstoff als Treibstoff die Energiewende retten?

Den Wasserstoff nun haben sich die Energiewender als weitere interventionistische Maßnahme ausgeguckt. Wenn Wind und Sonnenschein zuviel Strom liefern, soll mit ihm molekularer Wasserstoff erzeugt werden. Dieser Wasserstoff ließe sich speichern und zur Stromerzeugung dann einsetzen, wenn Wind und Sonnenschein für den Strombedarf nicht reichen. Dieser „grüne” Wasserstoff soll auch Züge, Autos und Flugzeuge antreiben sowie Wohnungen warmhalten. Wasserstoff als Retter der Energiewende? Er soll es richten, kann er das? Die folgenden Erläuterungen stützen sich zu einem guten Teil auf eine Ausarbeitung von Prof. Dr. Ing. Hans-Günter Appel für den Verein Stromverbraucherschutz NAEB e.V.

Zwar je Kilogramm mehrfach energiereicher als Benzin und Diesel …

Wasserstoff ist ein farbloses Gas. Er wird bei minus 253 Grad Celsius flüssig und bei minus 259 Grad Celsius fest. Er ist das leichteste Element mit dem kleinsten Atomdurchmesser und dem höchsten Energieinhalt je Gewichtseinheit. Er liefert 33.3 Kilowattstunden je Kilogramm (kWh/kg). Das ist 2,6-fache von einem kg Benzin und das 2,8-fache von einem kg Diesel.

aber als Gas mit einem mehrfach größeren Volumen als Benzin und flüssig doppelt so viel

Doch Wasserstoff hat ein großes Volumen. Selbst im flüssigen Zustand ist das Volumen von Wasserstoff für den gleichen Energieinhalt verglichen mit Benzin 3,9 mal so groß, verglichen mit Diesel 4,1 mal so groß. Doch ist der flüssige Zustand wegen seiner extrem tiefen Temperatur von minus 259 Grad Celsius für den täglichen Gebrauch nicht geeignet. Stattdessen verkleinert man das Volumen, das geschieht durch hohen Druck. Aber selbst bei 700 bar ist das Gasvolumen noch rund 10-mal so groß wie das von Benzin und Diesel. Bei 700 bar braucht man Hochdrucktanks. Ein solcher Tank mit einem Fassungsvermögen von 125 Litern hat ein Gewicht von 125 kg, fasst beim Druck von 700 bar nur 5 kg Wasserstoff und damit die Energiemenge von nur 13 Litern Benzin.

Wegen der Diffusion der Wasserstoff-Atome durch alle Metalle werden Spezialtanks nötig

Die kleinen Wasserstoffmoleküle diffundieren durch alle Metalle. Diffusion ist ein Platzwechsel von Atomen oder Molekülen durch Wärmeschwingung. Die kleinen Moleküle diffundieren in den Zwischenräumen der viel größeren Metallatome vom hohen Innendruck nach außen. Normale Metalltanks können so innerhalb von einigen Wochen mehr als die Hälfte des Wasserstoffs verlieren. Deshalb wurden aufwändige Tanks aus Werkstoffen entwickelt, die die Diffusion weitgehend verhindern.

Verwendet bisher nur für chemische Prozesse

An Wasserstoff jährlich erzeugt werden weltweit rund 30 Millionen Tonnen. Mit dieser Menge könnte man gerade 1 Prozent des Weltstrombedarfs decken. Doch ist Wasserstoff für die Stromversorgung offensichtlich unwirtschaftlich, sonst würde er längst dafür eingesetzt worden sein. Verwendet wird er aber für viele chemische Prozesse, darunter zur Herstellung von Dünger und zum Härten von Fetten für Margarine. Notwendig ist er zur Kohlehydrierung, mit der flüssige Treibstoffe gewonnen werden. Dieser Prozess ist jedoch gegenüber Treibstoffen aus Erdöl unwirtschaftlich.

Das bisher wirtschaftlichste Verfahren, Wasserstoff zu gewinnen

Das Umkehrverfahren, Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen und Wasser zu gewinnen, ist das heute wirtschaftlichste Verfahren. Bei hohen Temperaturen verbindet sich der Sauerstoff des Wassers mit dem Kohlenstoff und setzt dabei Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid frei. Eine andere Möglichkeit ist, Wasser auf Temperaturen von weit über 1000 Grad Celsius zu erhitzen. Bei diesen hohen Temperaturen dissoziiert das Wasser, das heißt, es zerfällt in Wasserstoff und Sauerstoff. Ein schwedisches Unternehmen hat ein Verfahren entwickelt, bei Temperaturen von 1600 Grad Celsius Wasserstoff aus dem Gasgemisch abzutrennen.

Bekannt seit hundert Jahren: die Wasserelektrolyse, aber die ist zu teuer

Seit mehr als hundert Jahren bekannt ist die Wasserelektrolyse. Leitet man Gleichstrom durch Wasser, dann entwickelt sich an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Doch dieses einfache Verfahren wird fast nur im Labor angewendet, weil es zu teuer ist. Zwar gibt es noch weitere Möglichkeiten, Wasserstoff zu erzeugen, doch haben sie nur geringe Bedeutung.

Wie Wasserstoff die Vollversorgung mit Wind- und Solarstrom sichern soll

Um die Kohle- und Gaskraftwerke durch Windstromanlagen zu ersetzen, müssten mindestens 100.000 neue große Windgeneratoren der Drei-Megawatt-Klasse zu den derzeit rund 30.000 bestehenden Anlagen hinzukommen, um wenigstens rechnerisch den deutschen Jahresbedarf zu decken. Ein stabiles Netz kann man damit aber nicht aufbauen, dazu braucht man für mindestens 40 Prozent der Leistung frequenzstabile, grundlastfähige Stromgeneratoren. Mit 130.000 Windstromanlagen käme es, wenn der Wind stark weht, zu erheblichen Leistungsüberschüssen. In diesem Fall also soll der überflüssige Windstrom elektrolytisch Wasserstoff erzeugen. In Flautezeiten würden ihn Gaskraftwerke dann wieder umwandeln in Strom, der ausgleichen soll, was die Windstromanlagen im Augenblick nicht liefern können. Die beiden Prozesse, Elektrolyse und Wiederverstromung, sind mit dem Verlust von zwei Dritteln der Ursprungsenergie verbunden. Auch müsste man neue für Wasserstoff geeignete Kraftwerke für diesen Ausgleichsstrom bauen. Insgesamt also ein extrem teures Vorhaben.

Dann würde in Deutschland auf jedem zweiten Quadratkilometer eine Windflügelanlage stehen

Angenommen, ein solcher Ausgleichsstrom hätte 20 Prozent des Jahresstrombedarfs zu decken, so müssten weitere 40.000 Windstromanlagen errichtet werden, um die Energieverluste bei der Elektrolyse und der Wiederverstromung auszugleichen. Auf jedem zweiten Quadratkilometer in Deutschland stünde dann ein großer Windgenerator. Das dürfte politisch nicht durchzusetzen sein. Die überaus vielen Opfer dieser Bauten und die über eintausend Bürgerinitiativen, die sich im Dachverband Vernunftkraft e.V. zusammengeschlossen haben, würden eine solche Zerstörung der Umwelt wohl zu verhindern wissen.

Staatliche Intervention bei bedarfslosem Zufallsstrom

Bereits jetzt fallen also bei Starkwind und viel Sonnenschein Überschüsse von Wind- und Solarstrom an. Dieser bedarfslose Zufallsstrom muss nach dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) zunächst teuer mit rund 8 Cent/Kilowattstunde (Ct/kWh) vergütet werden, während Braunkohlestrom für 3 Ct/kWh erzeugt wird. Das ist der eine interventionistische Eingriff. Mit diesem überteuerten und (weil ohne Bedarf) an sich wertlosen Überschuss-Strom soll nun mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugt werden, um ihn dann, wenn es bei Flaute und Dunkelheit an Wind- und Solarstrom mangelt, wieder in Strom umzuwandeln. Das ist der weitere staatliche Eingriff in den Markt.

Was die Stromerzeugung mit Wasserstoff kostet: für den Verbraucher je kWh über 100 Cent

Aber das Verfahren ist unwirtschaftlich und treibt den Strompreis in unbezahlbare Höhen. Allein die Stromverluste bei den Energieumwandlungen verdreifachen die gezahlte Vergütung. Hinzukommen die Kosten für die Elektrolyse, die großen Gasspeicher und die Gaskraftwerke, die viel Energie in kurzer Zeit umsetzen müssen, denn die Starkwindzeiten bringen viel Energie in wenigen Stunden des Jahres. Es sind große und damit teure Anlagen, die aber die meiste Zeit, etwas 80 % wie bei jedem Windkraftwerk, stillstehen. Die reinen Kosten dürften für den wieder eingespeisten Strom deutlich über 50 Ct/kWh liegen. Hinzu kommen dann noch die Kosten für die Verteilung, die Netzgebühren, die staatlichen Abgaben und auf dies alles die Mehrwertsteuer. Damit liegt der Endpreis wohl deutlich über 100 Cent/kWh, heute sind es etwa 32 Cent/kWh.

Unwirtschaftlich ist die angestrebte Verwendung von Wasserstoff aus überschüssiger Wind- und Sonnenenergie zur Stromversorgung daher für sämtliche vorgesehenen Bereiche, also auch für PKW, LKW, Bahnen, Raumheizung und sogar für die Stahlproduktion. Hinzu kommt ein einfacher technischer Grund. Die Elektrolyse ist für einen Start-Stopp-Betrieb nicht geeignet, sie ist ein kontinuierliches Verfahren, das Unterbrechungen nicht toleriert. Der intermittierende Flatterstrom erzwingt jedoch ein häufiges Anfahren und Abschalten. Dadurch entstehen Verunreinigungen durch das Gas in der Elektrolyt-Lösung, der Wirkungsgrad sinkt. Zum Wiederanlauf kann ein aufwändiges Spülen der Anlage erforderlich sein. Ein Wiederanlauf ist zudem erst ratsam, wenn die Prozesstemperatur wieder erreicht ist (zu finden in Anlage 9).

Dass man für die Elektrolyse auch noch sauberes Wasser benötigt, sollte nicht vergessen werden, nur für den eigentlichen Prozess sind es 9 kg Wasser als Ausgangmaterial pro 1 kg gewonnener Wasserstoff. Etwas griffiger: Für die Versorgung der 50 Jumbos eines Tages am Flughafen Frankfurt mit Wasserstoff müsste man 22.500 m3 sauberes Wasser und die Energie von acht Kraftwerken von je 1 GW einsetzen (Anlage 10).

Wie soll Wasserstoff bei der Stahlproduktion funktionieren?

Die Reduktion von Eisenerz zu Eisen mit Wasserstoff ist möglich, aber nur im festen Zustand bei etwa 900 Grad Celsius. Unter höheren Temperaturen kann Wasserstoff keinen Sauerstoff mehr binden, weil Wasser dann dissoziiert, also in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Will man mit Wasserstoff Stahl herstellen, müssen Behälter mit Erzkügelchen gefüllt und auf 900 Grad Celsius erhitzt werden. Durch den Behälter wird dann Wasserstoff geleitet. Es entsteht Wasserdampf, der entweicht. Zurück bleibt ein Eisenschwamm, der aus dem Reaktionsbehälter ausgestoßen und anschließend aufgeschmolzen wird. Für die geforderte Stahlqualität muss die Schmelze aufgekohlt, und es müssen weitere Legierungselemente zugesetzt werden. Dieser diskontinuierliche Prozess ist um ein Vielfaches aufwendiger und energieintensiver als die Eisengewinnung mit Koks in Hochöfen.

Deutschlands Fläche ist für die Vollversorgung mit „grünem“ Strom bei weitem zu klein

Wie Überschlagsrechnungen zeigen, sind in Deutschland die Flächen zu klein, um jene Mengen an Zufallsstrom durch Wind und Sonnenschein zu gewinnen, die für die Stromversorgung gebraucht werden. Doch die Energiewende-Diktatoren sind wie verblendet und faktenresistent. Landräte und Bürgermeister folgen ihnen. Statt den Sinn zu hinterfragen, spekulieren sie auf Zuschüsse aus Landesmitteln oder Bundesmitteln. So werden Steuergelder vergeudet, die dringend woanders gebraucht werden: für wirkliche staatliche Aufgaben, darunter für Investitionen Straßen, Brücken, Schienenverkehr, sonstige Infrastruktur und deren Instandhaltung.

Die Antwort auf die Frage „Mit Wasserstoff die Energiewende retten?“ lautet: Finger weg davon. Es ist nicht möglich. Der Schaden der Energiewendepolitik darf nicht noch größer werden.

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*) 1. Die Wirtschaftsförderorganisationen der norddeutschen Bundesländer haben sich zur „grünen Wasserstoffinitiative HY-5“ zusammengeschlossen. Sie wollen damit den Norden zur stärksten Zukunftsregion für „grünen“ Wasserstoff machen. In: Elektronikpraxis vom 1. Dezember 2020 (hier).

2. Sauber hergestellter Wasserstoff steht am Anfang seiner Karriere. Für die Produktion stehen verschiedene Verfahren zur Auswahl. Welches wird das Rennen machen, und wer wird davon profitieren? Von Johannes Winterhagen. (FAZ vom 19. Januar 2021, Seite 29. Kein Link verfügbar).

3. Die Westenergie AG arbeitet am Netzumbau für grünen Wasserstoff und Strom. Vorstandschefin Reiche erwartet mehr „kritische Lagen“. Von Helmut Bünder. (FAZ vom 26. Januar 2021, Seite 19: „Pipelines für die Energiewende“. Kein Link verfügbar.

4. Mit dem Start des Windgas-Elektrolyseurs von Energie des Nordens am Standort Haurup macht der Ausbau der Wasserstoff-Produktion in Schleswig-Holstein weitere Fortschritte. Windstrom wird in Haurup jetzt in erneuerbaren Wasserstoff umgewandelt und kann in Form grüner Moleküle ins Gasnetz eingespeist werden. Windgas-Elektrolyseur im Regelbetrieb – Grüner Wasserstoff aus Windenergie. In: Elektronikpraxis vom 21. April 2021(hier).

5. Ohne Wasserstoff wird die Klimaneutralität nicht gelingen, sagt die Ökonomin Veronika Grimm, Mitglied im Sachverständigenrat zur Begutachtung der gesamtwirtschaftlichen Entwicklung (SVR der fünf „Wirtschaftsweisen“). Siehe FAZ vom 8. Mai 2021, Seite 20: „Deutsches, gefährliches Narrativ“. (hier).

6. Bund, Länder und Luftfahrt haben ein Konzept für Flugkraftstoff mit Wasserstoff vereinbart. Kritikern ist der Plan zu zaghaft. Von Timo Kotowski. FAZ vom 8. Mai 2021, Seite 27: Fahrplan zu „grünem“ Kerosin steht. (hier).

7. Wasserstoff soll Umwelt, Wirtschaft und arme Länder retten. Der nötige Ökostrom fehlt aber – erst recht nach den neuen Klimazielen. FAZ vom 15. Mai 2021, Seite 24: Tausendsassa mit Schwächen. Von Christian Geinitz (hier).

8. Künftig auf Wasserstoff als Flugzeugtreibstoff setzt der Flughafen Lübeck. Quelle: Lübecker Nachrichten vom 9. Mai 2021, Seite 13 mit der Schlagzeile „Flugverkehr der Zukunft: Fliegen mit Wasserstoff“). Das Blatt zitiert den Flughafen-Geschäftsführer Jürgen Friedel zu den Aussichten für die Folgen: „Fluggäste müssen bereit sein, höhere Preise zu akzeptieren, die Zeit des Billigfliegens ist vorbei.“ Kein Link verfügbar.

9. Stand und Entwicklungspotential der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativen Energien, Fraunhoferinstitut 2011, www.now-gmbh.de

10. Ulf Bossel: Wasserstoff löst keine Energieprobleme, www.leibniz-institut.de, 2010

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