Das Wasserstoffzeitalter – Teil 1

Wir neigen ja dazu die Geschichte in Perioden einzuteilen, wie Renaissance, Mittelalter und Antike. Die Archäologen haben nach dem vorherrschenden Material bei Funden die Steinzeit (2,6 Millionen Jahre bis etwa 2.200 v. Chr. ), Bronzezeit (bis 800 v. Chr. Und Eisenzeit (ab 800 v. Chr. eingeteilt). Das ist nicht unumstritten, Beispielsweise wird die Verwendung von Kupfer als Material (ab 3.300 v. chr.) nicht als eigenes Zeitalter anerkannt.

Aber dehnt man das weiter aus und beschränkt es nicht nur auf Materialien für Werkzeuge, so würde ich als nächstes die Kohlezeit eingruppieren. Mit Kohle konnte man Dampfmaschinen betrieben, damit begann die industrielle Revolution. Es folgt je nach Gusto die Erdöl- oder Kunststoffzeit. Erdöl ist der Rohstoff, der auch mehr Mobilität (Auto, Flugzeug) möglich machte, der aber vor allem die Ausgangsbasis der Petrolchemie ist. Kunststoffe gibt es überall im Alltag, ohne Petrolchemie gäbe es aber auch die meisten Medikamente nicht. Mit dem Siliziumzeitalter begann das Informationszeitalter, in dem wir noch sind.

Ich denke in einigen Jahrzehnten wird man das nun kommende Zeitalter wohl das Wasserstoffzeitalter nennen. Wasserstoff hat das Potenzial die fossilen Energieträger abzulösen, aber auch der Rohstoff für Produkte zu werden. Nur mit Wasserstoff werden wir vollständig unabhängig von fossilen Energien.

Das Grundproblem der regenerativen Energien ist ja ihre zeitliche Variabilität. Von Fachleuten wird das Worst-Case Szenario gerne als „Dunkelflaute“ bezeichnet. Strom, das wichtigste was wir regenerativ erzeugen können, beziehen wir hierzulande eben aus Windkraft und Photovoltaik. Ich bin der Meinung das in einem europäischen Stromverbund kurzzeitige Schwankungen sich reduzieren lassen und eine Dunkelflaute mit einem Totalausfall der Stromversorgung vermeiden kann. Irgendwo ist immer Sonne und immer Wind. Nicht zuletzt haben die skandinavischen Länder gigantische Kapazitäten an Pumpspeicherkraftwerken in denen man so Strom „speichern“ kann. Aber es wird immer eine langfristige Lücke geben und die entsteht durch die Jahreszeiten. Politisch gewollt ist ja, das wir überall aus den fossilen Energien aussteigen. Beim Strom ist das zu 50 Prozent geschafft, aber nur für den heutigen Bedarf. Bezogen auf den Primärenergieverbrauch, also den „Brennwert“ oder die erzeugte Energie aller Formen waren es 2021 nach Bundesumweltamt 1949 von 12.413 PetaJoule, also nicht mal ein Sechstel. Dabei werden wir viel mehr Strom brauchen. Wer eine Elektroauto hat, der weiß, das braucht einiges an Strom. Bei 10.000 km pro Jahr mindestens 2.000 kWh, so viel wie ein Zweipersonenhaushalt ohne Auto. Wir müssen dann auch mit Strom heizen, wir müssen in vielen Bereichen fossile Energien durch regenerative Energieformen ersetzen und da hat der Strom eben das größte Ausbaupotenzial.

Nun gibt es natürlich noch enorme Sparpotenziale. Die einzige sinnvolle Alternative zum Heizen mit Gas und Öl auf Raumtemperaturen und für Warmwasser ist die Wärmepumpe. Auf Wärmeerzeugung als Block entfällt mehr als die Hälfte des Primärenergieverbrauchs. Nun haben Wärmepumpen zwar einen enormen Spareffekt, benötigen nur ein Drittel bis Viertel der Heizenergie als Strom, aber alleine dadurch steigt der Strombedarf stark an. Zudem sind Wärmepumpen in vielen alten Häusern nicht einsetzbar, weil sie Niedrigenergiesysteme sind. Ich überlege ja, ob ich meine Heizung durch eine Wärmepumpe ersetzen solle. Es gibt da einige Kennzahlen. Man sollte nicht mehr als 100 kWh/m² Wohnfläche verbrauchen, da liege ich knapp drunter und sie liefern nur geringe Vorlauftemperaturen. Als Test kann man nach den Medien die Vorlauftemperatur auf 55 Grad herunterregeln und sehen ob es noch warm wird, wenn es draußen kalt ist. Bei meiner alten Heizung kann ich leider die Temperatur nicht direkt einstellen, nur die Steilheit der Kurve, aber auch so stellte ich fest als es vor einigen Wochen mal ausnahmsweise einige Grad unter Null hatte das die Heizung bis auf 70 Grad Vorlauftemperatur hoch ging. Dämmen um den Wärmebedarf zu reduzieren ist auch nicht immer möglich oder auch nur bezahlbar und Dämmung hebt auch nicht jedes Haus automatisch auf ein Niveau bei dem die Wärmepumpe sinnvoll ist. Selbst wenn das so klappt, so haben wir im Winter wegen der vielen Wärmeüunpen einen enormen Energiebedarf – wer bei einer Heizung 1000 l Heizöl pro Jahr verbaucht hat dem liefere sie 10.000 kWh Wärmeenergie. Selbst bei einem Gewinnfaktor von 3 sind das noch 3333 kWh elektrische Energie die man vornehmlich in den Monaten Oktober bis März braucht. Es wird also eine Winterspitze geben. Man braucht also einen Energiespeicher der Strom langfristig speichern kann.

Aber fossile Energieträger werden noch woanders genötigt, um Prozesswärme zu generieren. Hohe Temperaturen benötigt die chemische Industrie, weil höhere Temperaturen Gleichgewichte verschieben und Reaktionen schneller ablaufen. Bestimmte Industrien kommen ohne sehr hohe Temperaturen gar nicht aus so die Glasherstellung, Stahlverarbeitung und Zementherstellung. Prozesswärme erzeugt man nicht mit Wärmepumpen, sondern direkte Aufheizung mit Strom, da fällt dann der Gewinnfaktor 3 bis 4 weg oder man benötigt tatsächlich eine stoffliche Substanz – Glas wird unter Flammen geschmolzen und die werden noch mit Erdgas betrieben, Eisengewinnung benötigt ein Reduktionsmittel, das ist jetzt Kohle.

Und da ist noch der Verkehr, auf den ein Viertel des Primärenergieverbrauchs entfallen. Da die meiste Energie von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen benötigt wird gibt es auf dem Papier enorme Einsparpotenziale. Otto- und Dieselmotoren haben einen maximalen Wirkungsgrad von 35 bis 40 Prozent, doch im realen Verkehr liegt der weit darunter. Ich habe das mal für den Golf 7 TDI mit 1,6 l Motor berechnet. Rechnet man den real angegeben Verbrauch von 5,6 l Diesel/100 km in Energie um so kommt man beim Brennwert von 37,4 MJ/l auf 209,44 MJ, das sind 58,2 kWh. Der E-Golf liegt bei 15,8 kwh/100 km, also weniger als einem Drittel.

Für längere Strecken wie im Transportwesen üblich, sowie bei Flugzeugen wird es mit Batterien aber nicht gehen und auch hier braucht man eine Alternative zu fossilen Kraftstoffen.

Wasserstoff als Speichermedium

Durch Elektrolyse kann man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Wasser gibt es überall. Den Sauerstoff entlässt man in die Atmosphäre, sofern er nicht technisch benötigen wird, den erzeugten Wasserstoff kann man als Gas speichern wie Erdgas. Der Nachteil beim Speichern ist, dass die Masse eines Gases wie Wasserstoff bei gegebenem Druck und Volumen von der Molmasse des Gases abhängt. Wasserstoff hat zwar einen Brennwert von 141,8 MJ wenn er mit Sauerstoff verbannt wird, das ist mehr als das Doppelte des Brennwerts von Methan (55,65 MJ/kg), aber die Molekülmasse beträgt nur ein Achtel, sodass man das 3,1-fache Speichervolumen von Erdgas benötigt. Aber mit neuen Speichern und vielleicht auch einem gesunkenen Erdgasverbrauch durch den teilweisen Ersatz von Erdgas bei der Heizung könnte es klappen.

Der Nachteil in jedem Fall, ist das nicht 100 Prozent der elektrischen Energie in der chemischer Energie landen. Es gibt verschiedene Technologien für Elektrolysezellen. Die Angabe des Wirkungsgrades ist etwas diffizil, da nicht nur die Technologie wichtig ist, sondern auch ob man sich auf den Brenn- oder Heizwert von Wasserstoff bezieht. Der Heizwert ist bei Wasserstoff um 18 Prozent geringer als der Brennwert. Der Wikipediaartikel zur Wasserelektrolyse nennt Wirkungsgrade von 60 bis 85 Prozent je nach Technologie, was mir relativ hoch vorkommt, nennt unten aber auch einen Energieverbrauch von 4,3 bis 4,9 kWh für 1 Kubikmeter Wasserstoff unter Normaldruck, der hat aber bei der Verbrennung nur 3,33 kWh Energie, also beträgt der reale Wirkungsgrad in diesem Beispiel zwischen 68 und 77 Prozent.

Weitere Energie benötigt man um den Wasserstoff zu komprimieren, sowohl für das Einspeisen ins Leitungsnetz, wie auch das Speichern, dazu gehört auch das Speichern in Tanks für Fahrzeuge, da unter Normaldruck ein Kubikmeter Wasserstoff gerade mal 89 g wiegt.

Den Wasserstoff könnte man nun wie Methan oder Erdöl verbrennen. Selbst als Reduktionsmittel kann er fossile Energien ersetzen so, gibt es verfahren die Eisenerz mit Wasserstoff verhütten. Bei der Verbrennung wäre zwischen Brennwert und Heizwert zu unterscheiden. Der Heizwert ist die nutzbare Energie bei der Verbrennung, da sobald Wasserdampf auskondensiert Energie verloren geht. Ohne Kohlenstoffkomponente ist der Unterschied von Brenn- zu Heizwert beim Wasserstoff besonders groß. Hier ein kleiner Vergleich:

Substanz	Brennwert inMJ/kg	Heizwert in MJ/kg	Differenz
Wasserstoff	141,800	119,972	15,4 Prozent
Erdgas	36 – 50	32 – 45	10 – 11,1 Prozent
Methan	55,498	50,013	9,9 Prozent
Heizöl S	42,3	40	5,5 Prozent
Diesel, Heizöl EL	45,4	42,6	6,1 Prozent
Benzin	42,7 – 44,2	40,1 – 41,8	6,0 Prozent

So, nun will ich euch nicht mit zu langen Texten quälen. Den zweiten Teil gibt es morgen. Ich habe ChatGPT gebeten den Text zusammenzufassen und wie öfters hat es auf der halber Strecke die Lust verloren:

„Der Autor des Textes teilt die Geschichte in verschiedene Epochen auf, je nach dem vorherrschenden Material: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit, Kohlezeit, Erdöl- oder Kunststoffzeit und Siliziumzeitalter. Er prognostiziert, dass das kommende Zeitalter das Wasserstoffzeitalter sein wird, da Wasserstoff das Potenzial hat, fossile Energieträger abzulösen und auch der Rohstoff für Produkte werden kann. Das Problem der regenerativen Energien ist ihre zeitliche Variabilität, aber der Autor glaubt, dass diese kurzzeitigen Schwankungen durch den europäischen Stromverbund und Speicherkapazitäten in Pumpspeicherkraftwerken reduziert werden können. Um fossile Energien durch regenerative Energieformen zu ersetzen, hat der Strom das größte Ausbaupotenzial. Der Autor erörtert auch die Verwendung von Wärmepumpen als Alternative zum Heizen mit Gas und Öl. Er stellt jedoch fest, dass diese aufgrund der höheren Stromanforderungen nicht in allen alten Häusern eingesetzt werden können.“