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Wasserstoff als Übertragungsmedium

Ist Wasserstoff Teil der Lösung der Energiewende und was sind die Erfolgsparameter? Wasserstoff ist erst einmal ein Energieträger, ein Stoff also, der geeignet ist, Energie zu transportieren oder zu speichern. Wasserstoff kommt in der Natur gebunden mit Sauerstoff in Form von Wasser vor. Durch Energieaufwand, durch die Elektrolyse, kann Wasser in seine Bestandteile gespalten werden und Wasserstoff nutzbar gemacht werden. Es braucht also Elektrizität dazu. Der Prozess ist physikalisch nicht reversibel, es wird daher durch den Elektrolyseur auch Entropie, also Wärme erzeugt. Kann die Wärme nicht für andere Zwecke genutzt werden, ist sie verloren und geht als Verlust in die Energiebilanz ein.

Text und Bilder: Markus Gehrig


In Medias Res

Metapher: Man kann Wasser mit Energie beladen und es wird daraus Wasserstoff, der transportiert werden kann. Am Nutzungsort wird die Energie wieder entladen, und als Elektrizität abgeführt und es entsteht dabei wieder Wasser. So gesehen ist der Energieträger ein Transportmittel für Energie.

Wasserstoff als Energieträger1

Wasserstoff ist im Periodensystem der Elemente in der ersten Gruppe und hat die Ordnungszahl 1. Diese Zahl, auch Kernladungszahl genannt beschreibt die Anzahl Protonen im Atomkern und ordnet somit die Elemente nach ihren Massen. Wasserstoff ist also das leichteste Element das es gibt. Er ist unter Normalbedingungen flüchtig und nimmt sehr viel Volumen ein. Um Wasserstoff transportieren und lagern zu können muss er sehr stark komprimiert werden. Je nach Anwendung ist eine 350-fache bis 1000-fache Verdichtung erforderlich. Auch dieser Prozess ist nicht umkehrbar. Es entsteht abermals Entropie, also Wärme, die ungenutzt als Verlust hingenommen werden muss. Ausserdem ist die Dichte von Wasserstoff bei doppeltem Druck nicht gleich doppelt so hoch. Ein Beispiel: Wird Wasserstoff von 350 auf 700 bar erhöht, hat man im selben Tank nicht doppelt so viel Wasserstoff, sondern nur etwa 67 % mehr (siehe Abb. 1)

Jetzt hat der Wasserstoff also nicht nur chemisch gespeicherte Energie, sondern eben auch kinetische Energie durch die Druckbeladung. Diese kinetische Energie wird nur für die Lagerung und den Transport benötigt, damit der Energieträger etwas handlicher wird. Für die Funktion als Energieträger hat sie keine Bedeutung.

Abbildung 1: Druck-Dichte-Diagramm des realen Gases Wasserstoff

Je nach Anwendung wird der Wasserstoff nun mit Fahrzeugen an den Nutzungsort, zum Beispiel Tankstellen geführt. Diese Transportenergie ist auch graue Energie. Alternativ kann der Wasserstoff über ein Leitungsnetz transportiert werden. Dabei entsteht an den Abnahmestellen ein Druckverlust.

Wird der Wasserstoff an den Tankstellen auf einen Tank im Fahrzeug umgeladen, entsteht ebenfalls ein Druckverlust. bis hin zur eigentlichen Energienutzung ist der gesamte am Anfang durch Kompression erzeugte Druck wieder neutralisiert. Die gesamte Kompressionsenergie ist also Grauenergie, die nicht weiter genutzt werden kann.

O2 Tankstelle für LKW

Wo der Strom dazu erzeugt wird

Da der Strom, sobald er in ein Netz eingespeist wird, auch einen Netzkostenbeitrag enthält, ist er teurer, wenn er an einer Tankstelle verbraucht wird. Es ist günstiger den Elektrolyseur bei einem Kraftwerk zu installieren, um den Netzkostenbeitrag zu sparen und dafür mit dem Lastwagen den Wasserstoff zu transportieren. In der Tat sind die Wasserstoffproduktionsanlagen der Firma greenH2 AG2 im Kraftwerk Birsfelden und eine gemeinsame Produktionsanlage mit der Eniwa AG und der greenH2 im WKW Aarau und jene von Hydrospider3 im WKW Niedergösgen. Über die Kosten des Strassentransports gegenüber den Netzkosten will sich Hydrospider AG nicht äussern. Die Wärme wird nicht genutzt.

Um den Wasserstoff wieder in Strom umzuwandeln wird eine Brennstoffzelle benötigt. Auch bei dieser Umwandlung entsteht Entropie, also Wärme in der Grössenordnung von etwa 40%. Wird diese Wärme nicht gebraucht, geht auch diese Energie verloren. Technische Prozesse wie auch alle diese Umwandlungsprozesse entlang der Wasserstoffnutzung sind nicht reversible und erzeugen daher viel Wärmeverluste.

Nun spielt das ja keine Rolle, wenn die gesamte Energie im Überschuss durch die Sonne oder Wind erzeugt wird. Die Wasserkraft müssen wir in dieser Betrachtung ausschliessen, da diese Energieform einerseits auch einer Speicherfunktion nachkommen soll und zudem beziehungsweise gerade deshalb in Zukunft zu einer knappen Ressource wird. Denn der Klimawandel führt unweigerlich zum Verlust sämtlicher Gletscher und Firne. Das ist auch einer der Gründe, warum die Kapazität von Stauseen erhöht wird, bzw. in Zukunft noch erhöht werden müssen.

Tankstelle für LKW

Der Haken

Überschuss wird in einem effizienten Wirtschaftssystem durch den Markt vermieden, da sonst Opportunitätskosten entstehen würden. Daher wird der Markt ohne Regulation keinen wesentlichen Überschuss an erneuerbaren Energien erzeugen.

Verhindern nun gerade jene Kreise, die Wasserstoff pushen wollen, den massiven Ausbau von PV aktiv und passiv weiter, sieht es nicht gut aus H2 als Energieträger. Im Vergleich kann Strom mit sehr viel weniger Verlust transportiert werden. Hier fallen europaweit gerade einmal 6% an. Beim Transport durch Gasleitungen fällt ein noch geringerer Verlust von etwa 1 %4 an.

Wasserstoff kann aber auch durch eine weitere Umwandlung in dem CO2 zugegeben wird zu Methan verarbeitet werden. Methan ist ähnlich wie Erdgas und kann dieses Gas in der Industrie ersetzen, da dort oft hohe Prozesstemperaturen benötigt werden, die mit Wärmepumpen nicht wirtschaftlich erreicht werden. Das ist vernünftig, vorausgesetzt genügend Strom aus Photovoltaik und Windkraft erzeugt wird. Wenn das nicht der Fall ist, wird einfach weiterhin klimaschädliches Erdgas eingeschleust und das ganze für grün statt braun verkauft. Aus Erdgas kann auch Wasserstoff hergestellt werden.

Photovoltaik ist also die notwendige Voraussetzung für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. Oder anders gesagt: Ohne massiven Zubau von Photovoltaik sind die Investitionen in Wasserstoff akut gefährdet, vollständig abzustürzen. Das wissen die #Investoren, was auch gleich den Grund liefert, weshalb nichts läuft bei Wasserstoff. Die Technologie ist bereit, aber der Markt ist verhindert, weil viel zu wenig PV gebaut wird.

Potenziale

Da viel Wärme in all den Prozessschritten entstehen, sollten die Produktionsanlagen (Elektrolyseure) eben nicht bei den Wasserkraftwerken, sondern dort stehen, wo die Wärme gebraucht wird und zudem auch die Lastwagen betankt werden können. Wieder einmal zeigt sich, dass der Strassentransport viel zu billig ist. Zwar deckt der Schwerverkehr die direkten Kosten (ohne externen Kosten) zu 90%, wie der Branchenverband ASTAG rechnet, dennoch ist die Energie zu billig, damit sich die Energieeffizienz durchsetzt. Der Markt und seine unsichtbare Hand, wie sie gerne immer wieder gebetsmühlenartig, zitiert wird, regelt das leider nur unzureichend. Letztlich ist auch der fast schon religiöse Glauben an die Selbstregulierung und Eigenverantwortung der Wirtschaft, der Hauptgrund, dass jeglichen Bemühungen seit mehr als 30 Jahren scheitern.

So gesehen sind wirksame, schlanke und unbürokratische Regulationen keineswegs wirtschaftsfeindlich, sondern im Gegenteil sie bieten neue Chancen, wenn rechtzeitig alte überholte Dogmen abgeworfen werden. Denn Power2Gas hat durchaus einen wichtigen Stellenwert in der zukünftigen Energieversorgung, aber dazu muss das Greenwashing noch verschwinden.

Also schauen wir achtsam, damit Wasserstoff ein Teil der Lösung und nicht ein Teil des Problems wird …

Rechenvergleich

Im folgenden Teil ist ein Rechenvergleich über Wirkungsgrade dargestellt. (siehe auch Tabellen 1 und 2)
Bei der Wirkungsgradkette wird die Primärenergiebereitstellung nicht beachtet, da diese zu viele Varianten enthält und für den Vergleich der Anwendungen keine Bedeutung hat. Die Primärenergie Bereitstellung kann für Strom aus Photovoltaik, Wind, Erdwärme, fossilen oder kerntechnischen Kraftwerken erfolgen. Bei Kraftstoffen ist es die Förderung von Erdöl ab der Quelle.

Die Sekundärenergie ist die Bereitstellung der elektrischen Energie ab Kraftwerk und bei den Kraftstoffen die Raffinerie.

Die Endenergie ist nun die Energie am Ort der Nutzung. Damit aus Sekundärenergie Endenergie wird, ist der Transportaufwand notwendig, der ebenfalls Energie braucht.

In der Tabelle 1 sind verschiedene beteiligte Prozessschritte und ihre typischen Wirkungsgrade dargestellt. In der Tabelle 2 ist der Vergleich von verschiedenen Antriebskonzepten für Fahrzeuge dargestellt. Die Spalte Benzin beinhaltet auch Diesel als Kraftstoff.

UmwandlungηBemerkung zu den Angaben
H2 aus Elektrolyse0.80Je nach Grösse zwischen 0.7 bis 0.9
H2 Verdichtung0.88auf 700 bar (12 % Verlust
Transport über Gasnetz0.99Sehr geringe Verluste 1 %
Transport über Stromnetz0.94Durchschnitt Europa 6 %
Brennstoffzelle0.60PEM-FC Swisshydrogen
Lithium-Akku0.94Abhängig vom Lade-/Entladestrom
E-Antrieb0.93Motor inkl. Umrichter
Verbrennung0.35Motor inkl. Umrichter
Antriebstrang Elektro0.98Motor inkl. Umrichter
Antriebstrang Verbrenner0.85Motor inkl. Umrichter
Tabelle 1: Wirkungsgrade der beteiligten Prozesse

Die Prozesskette für Batterie-Elektroauto: ab Sekundärenergie:
Stromnetz-Akku-Antrieb

Prozesskette für Brennstoffzellen-Elektroauto ab Sekundärenergie:
Stromnetz-Elektrolyse-Verdichtung-Gasnetz (oder LKW-Transport)-Elektroantrieb

WirkungsgradvergleichBEVBZ-AutoGasBenzin
Elektrizitätsnetz0.940.940.94
H2 aus Elektrolyse0.800.80
H2 Verdichtung0.880.88
H2 über Gasnetz transportiert0.990.99
Brennstoffzelle0.60
Lithium-Akku0.94
E-Antrieb inkl. Umrichter0.910.91
Benzin/Dieselherstellung0.85
Methanisierung0.85
Verbrennungswirkungsgrad0.350.35
Antriebsstrang, Automatikgetriebe0.980.980.850.85
Total Wirkungsgrad0.790.350.170.25
Tabelle2: Wirkungsgrad von verschiedenen Antrieben (Elektro und Verbrennungsmotoren)

Quellen

Industrielle Betriebe Basel
Eniwa
Hydrospider
STR-Online (Astag)

Begriffe

Wasserstoffautos sind Elektroautos. Es gibt batterieelektrische und wasserstoffelektrische Autos. Der Unterschied ist nur die Art der Speicherung. Falls es doch andere Fälle geben sollte, solche die den Wasserstoff in einem Verbrennungsmotor verbrennen, dann ist der Wirkungsgrad noch viel schlechter.
https://de.wikipedia.org/wiki/Wasserstoffspeicherung

Klarstellung

Nachtrag 27.04.2020: Offenbar werden die Begriffe Energieträger und Energiequelle miteinander vermischt, synonym verwendet oder verwechselt. Das ist falsch. Kühn wird auf Marketing-Seiten behauptet Wasserstoff als Energieträger sei nahezu unbegrenzt verfügbar, weil er aus Wasser spaltbar ist. Das ist nicht einmal als didaktische Reduktion für Kleinkinder im Vorschulalter korrekt. Auch eine kollektive Wissensabstinenz einer Branche rechtfertigt eine solche Argumentation nicht. Denn die Energie kommt nicht aus dem Wasser sondern aus der Elektrizität und die ist keineswegs unbegrenzt verfügbar. Wasserstoff ist lediglich das Übertragungsmedium.

Die Begriffe Energieträger und Energiequelle werden im Marketing seidenweich miteinander vermischt und grüngewaschen. Darum hat das an sich farblose Gas nun Farben erhalten:

  • Grün bedeutet, der Wasserstoff ist aus erneuerbarem Strom erzeugt.
  • Türkis bedeutet, der Wasserstoff ist aus Erdgas über die Methanpyrolyse erzeugt
  • Grau bedeutet, der Wasserstoff wird aus Erdgas, Kohle oder Öl über die Dampfreformierung erzeugt.
  • Blau bedeutet der Wasserstoff wird gleich wie Türkis oder Grauer hergestellt wird, aber das CO2 wird in dem Boden dauerhaft eingelagert (CCS-Technik, Carbon Capture and Storage)
  • Pink oder Gelb bedeutet, dass der Wasserstoff wie bei Grüner aus der Elektrolyse entsteht, jedoch dazu Strom aus AKW stammt. Dabei entsteht weniger CO2 als bei Grau und Grün, aber dafür radioaktiver Abfall, deren Endlager nicht gelöst ist.

Aus diesem Grund habe ich den Titel des Beitrages geändert.

4 Gedanken zu „Wasserstoff als Übertragungsmedium“

  1. grüezi Herr Gehrig
    spannender Artikel, den ich via LinkedIn gefunden habe (Kontaktanfrage ist unterwegs). Auch die anderen Themen wie Bidirektionales Laden habe ich mit Interesse gelesen. Die Homepage power-affairs.ch ist nun unter meinen Favoriten gespeichert.
    Für mich als Mobility-eXpert bei AMAG (Flughafen Zürich, The Circle) ist das gesamte Ökosystem rund um die E-Mobilität von grösster Relevanz und deshalb Teil der regelmässigen Fachlektüre.
    Beste Grüsse vom Flughafen Zürich, Thomas Keller

    1. Guten Tag Herr Keller
      Vielen Dank für Ihr Interesse an meiner Arbeit. Dann bleiben wir in Kontakt. ich bin sehr gespannt wie es in diesen Gebieten weiter geht.
      Beste Grüsse
      Markus Gehrig

  2. Hoi Markus
    Sehr interessanter Artikel mit vielen wichtigen Keyfacts.
    Das Thema Entropieverlust bei Wasserstofferzeugung und -Umwandlung ist der grosse Knackpunkt, wenn Wasserstoff effizient als Energieträger genutzt werden soll
    Wir von der Hälg Group haben uns der Sache angenommen und bieten in Zusammenarbeit mit H2Energy und AVIA Osterwalder, integrale Gebäudetechnikanlagen mit dem Modulbaustein stationäre Brennstoffzelle inkl. Wasserstofflieferung an. Mit unserem System wird die Entropie, die durch den Brennstoffzelleprozess freigesetzt wird, maximal genutzt. So hat unser System einen sagenhaften energetischen (thermisch/elektrisch) Wirkungsgrad.

    Zur Info. Ich halte am Gebäudetechnik Kongress 2022 im Trafo in Baden einen Pitch zu stationärer Brennstoffzelle.

    Beste Grüsse
    Kevin Wister

    1. Guten Tag Kevin
      Vielen Dank für Dein Interesse. Deine Tätigkeit auf diesem Gebiet tönt auch sehr interessant. Leider kann ich am Gebäudetechnikkongress dieses Jahr nicht teilnehmen. Deine Tätigkeit auf diesem Gebiet tönt auch interessant. Ich bin derzeit an der Evaluation einer Notstromversorgung mit BZ. In welchem Leistungsbereich arbeitet ihr und habt ihr auch einen inselfähige Wechselrichter für Off-Gridanwendung?

      Beste Grüsse
      Markus

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