Wasserstoff als Energieträger

Dieses Buch ist ein Energiebuch. Es behandelt den Energieträger Wasserstoff. Es ist kein Buch der Wasserstoff-Chemie. Die chemisch-physikalischen Spezifikationen und Eigenschaften des Wasserstoffs sind Grundlage, sie werden vorausgesetzt und sind nicht eigentlich Gegenstand dieser Ausführungen.

Energie wird als Wärme für industrielle Prozesse, Heizzwecke, Kochen und Warmwasserbereitung im Bereich von unter 100 bis etwa 1500°C, als Kraft für stationäre und mobile Antriebe sowie für Beleuchtung und Kommunikation benötigt. Der weitaus größte Anteil (70 bis 80%) entfällt auf die Wärmebereitstellung (Abb.1.1 und 1.2). Dafür werden vor allem die kommerziellen fossilen Brennstoffe, also Kohlen. Öle und Gase eingesetzt. In den Industrieländern ist auch der Einsatz von Elektrizität für diesen Zweck weit verbreitet. Beispielsweise wird die Hälfte der deutschen Stromerzeugung zur Wärmebereitstellung benutzt. In den Entwicklungsländern ist oft — teilweise sogar ausschließlich — die nichtkommerzielle Biomasse (Brennholz, pflanzliche Abfälle, Dung) die wichtigste Quelle für Niedertemperaturwärme. Stationäre Antriebe, Beleuchtung und Kommunikation sind die Domäne der Elektrizität. Ebenfalls nahezu ausschließlich werden im Transportsektor, außer für elektrische Bahnen, flüssige Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Ein relativ geringer Teil der fossilen Energierohstoffe wird zur Herstellung von Chemieprodukten benötigt.

Die folgenden Beispiele zur technischen Verwendung von Wasserstoff als Sekundär-energieträger sollen vor allem der Illustration von Anwendungen dienen. Es ist nicht beabsichtigt, hier einen geschlossenen Überblick über das gesamte sich noch in Entwicklung befindliche Gebiet zu vermitteln. Der interessierte Leser sei auf die umfangreiche Literatur verwiesen. Eine Auswahl charakteristischer Anwendungen erfolgte nach Gesichtspunkten, in denen Wasserstoff besondere Vorteile gegenüber derzeit im Einsatz befindlicher Verfahren der Energietechnik bietet. Hierzu zählen Speicherbarkeit, Kompatibilität und eine Vielfalt von Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Energietragern sowie geringe, unter Umständen verschwindende Schadstoffemissionen, die, unter langfristigen Aspekten gesehen, ein Hauptargument für zukünftige energietechnische Anwendungen darstellt [2.1].

Wasserstoff ist ein wichtiger Grundstoff für die Synthese von chemischen Verbindungen und bei Reduktionsreaktionen in der Metallurgie. Darüber hinaus wird Wasserstoff bei der Verarbeitung von Mineralöl zu Kraftstoffen und hochwertigen Chemie-produkten eingesetzt. Diese „nichtenergetische“ und „indirekt energetische“ Verwendung von Wasserstoff hat die Entwicklung der Wasserstofftechnik entscheidend bestimmt. Die dabei gewonnenen Erfahrungen bei der Herstellung und sicheren Handhabung großer Wasserstoffmengen sind auch für eine zukünftige Nutzung von Wasserstoff als Energieträger von Bedeutung.

Wasserstoff ist Grundstoff der Chemietechnik und wird in der chemischen Industrie seit Jahrzehnten großtechnisch sicher beherrscht. Herstellung, Speicherung, Transport und Nutzung von Wasserstoff sind dort im wesentlichen Routine.

Die photovoltaische Energiewandlung beruht auf zwei physikalischen Mechanismen, die bei der Wechselwirkung von Strahlung im optischen Bereich mit halbleitenden Festkürpern auftreten:

Für technische Anwendungen werden halbleitende Materialien verwendet, deren Bandabstände im sichtbaren Bereich des Spektrums oder in seiner Nähe liegen (1 bis 2. eV), so daß ein merklicher Anteil aus der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung im Inneren des Halbleiters absorbiert wird (innerer Photoeffekt) und in potentielle Energie von Elektron-Loch-Paaren überführt werden kann.

Die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme ist gegenwärtig die bekannteste und am weitesten entwickelte Technik der Solarenergienutzung. Temperaturniveau und Anteil der nutzbaren Energie sind die Schlüsselparameter bei der Auslegung von Solaranlagen, bestimmt werden diese beiden Größen in entscheidendem Maße von den Eigenschaften der Absorberfläche und dem Konzentrationsgrad der Strahlung.

Zur Herstellung von Wasserstoff aus natürlich vorkommenden wasserstoffhaltigen Verbindungen existiert eine Vielzahl von Verfahren. Entsprechend der Zielsetzung dieses Buches, Wege zur Energiebereitstellung ohne Einsatz an erschöpfbaren fossilen Ressourcen aufzuzeigen, werden in diesem Kapitel jedoch nur Systeme diskutiert, mit denen Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe regenerativer oder nuklearer Primärenergie gewonnen werden kann. Abbildung 8.1 zeigt die Möglichkeiten der nichtfossilen Herstellung in einer schematischen Übersicht.

Kohlelagerstätten, Mineralöl und Naturgasvorkommen oder Lager spaltbaren Materials sind Jahrmillionen alte Energiereservoire der Erde. Auch ihre Exploration, Ausbeutung und Aufbereitung ändern an ihrer verlustarmen Speicherungs- und Transportfähigkeit grundsätzlich nichts. Erst die Umwandlung der Primärenergie in die vorherrschenden Sekundärenergieformen Wärme und Strom läßt deutlich werden, daß die Natur für diese Sekundärenergieformen nur Speicher bietet, die — gemessen an volkswirtschaftlichen Dimensionen — mit äußerst geringen Speicherinhalten betrieben werden können: Die verlustarme Speicherbarkeit und die Transportfähigkeit nehmen mit der Entkopplung des Energieträgers von seinen ursprünglichen brenn-stofflichen Eigenschaften erheblich ab.

Abschätzungen über den künftigen Bedarf und das Potential von nichtfossil erzeugtem Wasserstoff orientieren sich an zwei Zielrichtungen, die teilweise miteinander konkurrieren; Dem direkten Einsatz als gasförmiger oder flüssiger Energieträger einerseits und seiner Verwendung bei der Herstellung synthetischen Erdgases und synthetischer flüssiger Energieträger aus Kohle, Teersänden und Ölschiefern andererseits. Die zweite Zielrichtung stößt gegenwärtig auf mehr Interesse, da sie als früher wirtschaftlich einsetzbar angesehen wird und nur Veränderungen auf der Umwandlungsseite, nicht jedoch auf der Nutzungsseite mit sich bringen würde [10.1 – 10.3]. Sie ist jedoch ahnlich umweltbelastend wie die bisherige fossile Energiewirtschaft [10.4, 10.9].

Um eine Vorstellung vom technischen Aufbau und den Kosten großer Wasserstoffanlagen zu gewinnen, werden vier Anlagen beschrieben, in denen Wasserstoff elektrolytisch mit Hilfe unbegrenzter Energiequellen produziert wird. Die Anlagen unterscheiden sich durch die Art der Elektrizitätserzeugung:

Bevor eine energetische Nutzung von nichtfossilem Wasserstoff überhaupt in Erwägung gezogen werden kann, muß er sich auf dem Rohstoffmarkt durchsetzen. Als Chemierohstoff ist Wasserstoff, gemessen am Energieinhalt, gegenwärtig doppelt so teuer wie die Ausgangsstoffe Erdgas und Schweröl. Dies ist Ausgangspunkt intensiver Überlegungen vor allem in Kanada [12.1 – 12.3], aber auch in Frankreich [12.4], zur frühen Einführung (vor 2000) von elektrolytischem Wasserstoff in den nichtenergetischen Markt. Unter kanadischen Randbedingungen werden hauptsächlich drei Quellen für preiswerte Elektrizität gesehen:

Ein nicht unbeträchtlicher Anteil der wirtschaftlichen Aktivitäten eines jeden Landes wird eingesetzt, um Energieversorgungssysteme zu errichten, aufrechtzuerhalten und zu erweitern. 1982 war in der Bundesrepublik Deutschland die Energiewirtschaft mit 5,6% am gesamten Produktionswert der Volkswirtschaft beteiligt [13.1]. 1970 waren es noch 4%, seit den hohen Energiepreissteigerungen der siebziger Jahre ist die Tendenz steigend. Auch die Investitionen der Energiewirtschaft im Inland steigen real. Im Zeitraum 1960 bis 1970 lagen sie bei 18 Mrd DM/a (in Preisen von 1984) [13.2], gegenwärtig haben sie etwa 25 Mrd DM/a und damit 7% der gesamten Investitionen erreicht [13.3]. Die Hälfte davon wird für den Ausbau der Elektrizitätsversorgung (einschließlich Kernenergie) benötigt. Für den Import von Erdöl und Erdgas wurden 1985 noch rund 80 Mrd DM/a ausgegeben — etwa 20% des für Importe insgesamt aufgewandten Kapitals — rund fünfmal mehr als zwölf Jahre zuvor (Abb. 13.1) Aufgrund des Energiepreisverfalls und des rückläufigen Dollarkurses sanken die Ausgaben 1986 deutlich und betrugen 1987 nur noch 33,5 Mrd DM/a. Die staatlichen Unterstützungen für die Energiewirtschaft (Subventionen, Forschungsmittel, Investitionszulagen u.ä.) betragen etwa 20 Mrd DM/a [13.4].