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Energie der Zukunft – Zukunft der Energien: Visionär

Raketenantriebe oder Schweißgeräte zeigen, wie gut Wasserstoff Energie frei setzen kann. Die Erzeugung und Speicherung dieses Energieträgers ist aber eine große technische Herausforderung.
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Wasserstoff ist ein begehrter Brennstoff. Er eignet sich nicht nur für geplante Kernfusionsreaktoren, sondern schon heute als Kraftstoff für Space-Shuttles, zum Schmelzen von Metallen, um sie anschließend innig miteinander zu verbinden, sowie als Treibstoff für Automobile und zur stationären Strom- und Wärmeversorgung. Im Gegensatz zur Fusion liefert dabei nicht das physikalische Verschmelzen von Atomkernen die Energie, sondern ein simpler chemischer Prozess: das Verbrennen dieses leichtesten aller Gase mit Sauerstoff.

Beim Umgang mit dem Proton, das einsam von einem Elektron umkreist wird, ist stets Vorsicht angebracht: Ähnlich wie Benzindämpfe ist Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff hochexplosiv. Nicht umsonst wird das Gemisch Knallgas genannt. An entsprechende Versuche aus der Schulzeit können sich wohl viele erinnern.

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Wasserstoff-Fahrzeuge vor dem Brandenburger Tor | Die Brennstoffzellen-Fahrzeuge, die mit reinem Wasserstoff fahren sollen sind nicht mehr das Problem. Doch benötigt man sehr viel Energie, um den Treibstoff zu gewinnen. Eine Ökobilanz rechnet sich da in der Regel nicht.
Während Otto- oder Dieselmotoren die Kraft, die in den heutigen kohlenwasserstoffhaltigen Treibstoffen steckt, in geregelten Bahnen lenken, sind es beim Wasserstoff Brennstoffzellen unterschiedlicher Bauart. Die bekanntesten sind die PEM-Brennstoffzelle. Sie verdanken ihren Namen einer Protonen-Austausch-Membran (Proton-Exchange-Membrane), die oft aus einem Polymer besteht. Diese liefert bei Temperaturen von 70 bis 120 Grad Celsius Leistungen bis 500 000 Watt. Rund 200-mal stärker ist die Solid-Oxide-Fuel-Cell (SOFC) mit einer Oxidkeramik als Leiter für die Wasserstoffionen. Sie befinden sich aber noch im Entwicklungsstadium und benötigen darüber hinaus eine Arbeitstemperatur von 800 bis 1000 Grad Celsius, was ihren Einsatz in erschwert.

Brennstoffzellen emittieren ausschließlich heißen Dampf

Trotz der hohen technologisch noch zu meisternden Hürden, liegt der Vorteil der Wasserstoff-Technologie auf der Hand: Bei der Verbrennung des Gases entsteht Wasser. Aus den Auspuffen von Autos, Bussen, Flugzeugen oder Schiffen, die mit Brennstoffzellen fliegen, fahren oder schwimmen, sollte also keine Schadstoffe mehr kommen. Smog in den Städten könnte so der Vergangenheit angehören.

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Wasserstoff-Tankstelle | Tanken ist einfach. Doch kommen noch über 90 Prozent des Wasserstoffs für die Fahrzeuge aus fossilen Quellen – zumeist aus Erdgas.
Doch hat die Technik einen Pferdefuß. Obwohl Wasserstoff im Universum das häufigste chemische Element ist – über 90 Prozent aller Atome in unserem Sonnensystem bestehen daraus – ist es in ungebundener Form auf der Erde rar. Und selbst gebunden besteht die Erde – bezogen auf das Gesamtgewicht – nur zu weniger als zwei Zehntel Prozent aus diesem Stoff. Meist ist er als Wasser in den Meeren gebunden oder klebt – in der Erdkruste und der Biomasse versteckt – an Kohlenstoffketten. Daher suchen Heerscharen von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten nach Möglichkeiten, Wasserstoff effizient in ausreichender Menge zu erzeugen.

Bislang gehen die weltweit jährlich über 500 Milliarden Kubikmeter hergestellten Wasserstoffs in die Industrie. Dort setzt man ihn beispielsweise als Reduktionsmittel ein, um Erzen Sauerstoff zu entziehen, oder um über das Haber-Bosch-Verfahren Düngemittel herzustellen. Als Treibstoff eingesetzt, würde der Bedarf rasch um ein Vielfaches steigen.

Am ehesten käme Wasser als Quelle für diesen Energieträger in Frage. Durch Elektrolyse – der elektrochemischen Spaltung von Wasser – lässt sich dieser Energieträger durch einen verhältnismäßig einfachen Prozess gewinnen: Zwei Elektroden ins Wasser gehalten, Strom aufdrehen, und schon sprudelt auf der einen Seite das begehrte Gas und auf der anderen Seite reiner Sauerstoff.

Das klingt verlockend. Doch nirgendwo wird deutlicher als hier, dass es sich bei Wasserstoff nicht um eine "Energiequelle" handelt – die es im physikalischen Sinne streng genommen auch gar nicht geben kann – sondern ausschließlich um einen Energieträger. Techniker und Ingenieure müssen viel Energie aufbringen, um diesen zu erhalten.

Und genau das ist der Haken an der Sache. Bei der Produktion der notwendigen Ströme und Spannungen entstehen zwangsläufig Schadstoffe, die die Umwelt belasten. Stammt der Strom beispielsweise aus Kohlekraftwerken, pusten diese Stickoxide, Schwefel sowie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid in die Luft. Ähnlich sieht es bei der Erzeugung von Wasserstoff aus anderen Quellen aus. Wasserstoff wird heute noch zu über 90 Prozent durch das chemische Aufspalten des fossilen Energieträgers Erdgas produziert, wobei große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxid entstehen.

Dreh- und Angelpunkt ist die Energiebilanz

Als Alternative käme eventuell die Gewinnung von Wasserstoff aus regenerativen Quellen in Betracht – aus nachwachsender Biomasse beispielsweise oder mit Hilfe von Sonnenenergie. In jüngster Zeit wird die Wasserstofftechnologie von einigen Interessengruppen zudem gern in einem Atemzug mit der Kernenergie oder der Kernfusion genannt. Diese Prozesse liefern nach Ansicht der Befürworter genügend Strom für eine großtechnische Umwandlung von Wasser in Wasserstoff. Die zentrale Frage lautet dabei: Wie sieht jeweils die Gesamtstoff- und Energiebilanz aus?

Verschärfend kommt hinzu, dass der für eine Elektrolyse benötigte Strom oftmals nicht dort erzeugt wird, wo der Prozess der Wasserstoffgewinnung stattfindet. Daher muss das Primärkraftwerk auch die Verluste ausgleichen, die der Transport über Stromleitungen verursacht.

Das ist jedoch allemal günstiger als zu versuchen, Wasserstoff in Pipelines zu den Verbrauchern zu bringen. Schließlich gilt dieses chemische Element, das ganz am Anfang der Periodensystems steht, unter Technikern als garstig: Wasserstoff besitzt bei Raumtemperatur unter allen chemischen Elementen das höchste Diffusionsvermögen. Es kriecht durch kleinste Ritzen, verpufft in der Atmosphäre und geht für nachfolgende Prozesse verloren.

Es ist daher nach Meinung vieler Experten oft effizienter, die Energie, die man gewinnt, direkt zu nutzen. Der Umweg über Wasserstoff verschlechtert einem in der Regel die Bilanz. Ulf Bossel vom Europäischen Brennstoffzellen Forum spricht in einer Technologiefolgen-Abschätzung für das Forschungszentrum Karlsruhe daher sogar von einer Energievernichtungskaskade. An deren Ende kommt nur noch ein Viertel bis ein Fünftel der ursprünglichen Energie an. Ähnlich sieht es Eicke Weber, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. Er traut der Wasserstofftechnologie ausschließlich zu, Nischen im Energiemix der Zukunft zu übernehmen. Zumal Strom, der aus einer Brennstoffzelle kommt, bislang rund viermal so teuer ist wie der, der heute aus der viel besagten Steckdose kommt.

Speicher gesucht

Es gibt aber noch ein weiteres Problem, das die Nutzung von Wasserstoff als Treibstoff für Fahrzeuge bislang behindert: Dieser Stoff lässt sich nur mit großem Aufwand in ausreichender Menge lagern. Meist geschieht dies heute in Tanks, die unter hohem Druck stehen, oder mit hohem technischen Aufwand als extrem tief gekühlte Flüssigkeit bei Temperaturen von weniger als minus 250º Celsius. Die dazu benötigten Behälter sind meist sehr schwer und können nur eine begrenzte Menge an Gas respektive Flüssigkeit aufnehmen: Ein 200 Kilogramm schwerer Tank bietet nur etwa zwei Kilogramm Wasserstoff Platz. Energetisch entspricht das rund acht Litern Benzin.

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Fuel-Cell-Fahrzeug | Wann die kleinen, mit Wasserstoff betriebenen Flitzer den Verbrauchermarkt erreichen, steht in den Sternen. Der Sprit muss teuer erkauft werden. Und die gesamte bisherige Infrastruktur müsste einer neuen, angepassten weichen.
Darüber hinaus gibt es Bedenken im Hinblick auf die Sicherheit. Bei einem Unfall könnten die Druckbehälter Leck schlagen und möglicherweise explodieren. Die Tanks müssen also gesichert werden, was zusätzlichen Materialaufwand und höheres Gewicht bedeuten.

Einen Durchbruch zu kompakten Speichern sollen Metallhydride sowie Komposite aus Nanoröhren bringen, an denen weltweit geforscht wird. Beide Materialien enthalten unzählige, Nanometer große Poren, in denen der begehrte Stoff wie in klitzekleinen Käfigen gefangen gehalten werden kann. Bislang ist es aber noch recht kompliziert, den Wasserstoff wieder aus diesen Materialien heraus zu bekommen, um ihn anschließend in Brennstoffzellen verarbeiten zu können. Die dazu verwendeten Techniken erfordern überdies ein hohes technisches und physikalisches Verständnis sowie hochwertige, teure Bauteile, was die Speicher entsprechend teuer macht.

Sollte es den Entwicklern dereinst gelingen, umweltfreundlich und effizient Wasserstoff herzustellen und zu speichern, könnte diese Technologie einen Weg in eine saubere Zukunft weisen. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg. Zumal es wohl mindestens eine Generation dauern wird, um die gesamte auf Diesel und Benzin basierende Infrastruktur auf einen neuen Kraftstoff umzurüsten. Wir dürfen gespannt sein, was den Wissenschaftlern und Ingenieuren da noch alles einfällt.
28.04.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 28.04.2007

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