Wasserstoff

Wasserstoff ist der am einfachsten aus erneuerbarem Strom gewinnbare Energieträger. Er wird durch Elektrolsyse gewonnen. Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei über 70 %.

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Der entscheidende Vorteil von Wasserstoff als Energieträger ist, daß er in Brennstoffzellen ebenfalls mit Wirkungsgraden über 60% wieder in Strom gewandelt werden kann, weshalb er sich hervorragend für den Verkehrssektor (Brennstoffzellenantriebe) eignet. Ein Energiesystem, welches Wasserstoff als Energieträger nutzt, kann 80% Gesamtwirkungsgrad von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zum Endkunden erreichen.

Erfreulich ist auch die hohe Energiedichte von Wasserstoff, welche pro Masse dreimal höher ist als die von Benzin. Wasserstofffahrzeuge können entsprechend leicht gebaut werden, viel leichter als reine Elektrofahrzeuge. Bei entsprechender Verdichtung erreicht Wasserstoff auch pro Volumen sehr gute Werte, nämlich das 7-fache gegenüber Akkumulatoren.

Wasserstoff ist als Energieträger vergleichsweise ungefährlich und extrem umweltfreundlich. Entweichender Wasserstoff steigt binnen Sekundenbruchteilen in die Höhe und verflüchtigt sich. In der Erdatmosphäre verwandelt er sich schnell in Wasser. Methan, welches sich nur schwer verflüchtigt, dagegen gefährlicher. Am gefährlichsten ist das Entweichern flüssiger Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel, welche am Unfallort verbleiben und ein erhebliches Explosionsrisiko und Umweltschadensrisiko bilden.

Wo sollten Wasserstofferzeugungsanlagen im erneuerbaren Energiesystem integriert werden?

Der Teil der erneuerbaren Stromerzeugung, welcher am häufigsten auftritt (Grundband), sollte offensichtlich direkt als Strom genutzt werden. Es handelt sich dabei insbesondere um Windenergie bei geringen bis mittleren Windstärken, welche 4000 bis 8000 Std. im Jahr verfügbar ist und grob die Hälfte der Windenergiemenge ausmacht. Eine Speicherung dieser Strommengen wäre sinnlos.

Die andere Hälfte der erzeugten Wind- und Solarenergie steht nur 400 bis 4000 Std. im Jahr mit sehr hoher Leistung zur Verfügung. Würde man diese Energiemengen über das öffentliche Netz leiten, um daraus H2 zu erzeugen, wäre dies mit einer Vervielfachung des Netzausbaus verbunden, was viel zu teuer wäre.

Weil der heute erneuerbar erzeugte Strom in keinem Fall ein 50-Hz-Wechselstrom, sondern überwiegend Gleichstrom und der Rest ein Wechselstrom veränderlicher Frequenz ist, kommt noch folgender wesentlicher Effekt dazu: Die stromerzeugernahe H2-Erzeugung spart pro MW installierter Leistung etwa folgende Kosten:

– 0,04 … 0,1 Mio. Euro für Wechselrichter in den Erzeugungsanlagen

– 0,05 … 0,1 Mio. Euro für die Netzanbindung der Erzeugung an das öffentliche Netz (Transformatoren, Kabel und Schaltanlagen)

– 0,03 … 0,1 Mio. Euro für Gleichrichter

Insgesamt 0,12 … 0,3 Mio. Euro pro Megawatt fallen nicht an, wenn der Wasserstoff erzeugungsnah gewonnen wird. Dies ist ein erheblicher Kostenvorteil gegenüber erzeugungsferner Elektrolyse.

Es ist wirtschaftlich sinnvoll, H2 direkt in unmittelbarer Nähe der Stromerzeuger zu gewinnen und den Leitungsneubau damit gering und die Auslastung hoch zu halten.

Wieviel Wasser braucht die Wasserstoffwirtschaft?

Diese Frage ist leicht zu beantworten. Ein Kilogramm Wasserstoff speichert 33,33 kWh Energie. Es sind 9 kg Wasser für die Gewinnung von 1 kg H2 erforderlich, wie sich aus den molekularen Massen von H (2) und O (16) ergibt: (2 + 16) / 2 = 9. Damit braucht man 9 kg Wasser, um 33,33 kWh in Wasserstoff zu speichern.

Den Anteil an der auf Deutschland fallenden Regenmenge, welcher erforderlich wäre, um die Hälfte des benötigten erneuerbaren Stromes einzuspeichern, berechnet sich dann wie folgt:

\dfrac {\dfrac {9kg}{33kWh}\times \dfrac {1200\times 10^{9}kWh}{2}}{500\dfrac {kg}{m^{2}}\times 300000\times 10^{6}m^{2}}=0,1\%

 

Darin sind 1.200 Mrd. kWh die erforderliche Stromerzeugung, 500 kg die auf einen Quadratmeter entfallende Regenmenge (tatsächlich ist es etwas mehr) und 300.000 Quadratkilometer die Landesfläche.

Der ermittelte Verbauch von 0,1% der Regenmenge für H2-Gewinnung wird den Wasserhaushalt mit Sicherheit in keiner Weise beeinträchtigen.