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2.10 Förderung

Einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Entwicklung im Energiesektor haben die politischen Rahmenbedingungen, die von Seiten der Regierung vorgegeben werden. Ein wichtiges Instrument zur Unterstützung alternativer Energietechniken ist dabei die Förderpolitik. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG, Einführung 1. April 2000) beispielsweise hat erheblich zum Aufschwung der regenerativen Energien beigetragen.

Im Erneuerbare-Energien-Gesetz wird geregelt, dass Stromerzeuger das Recht erhalten, Strom aus erneuerbaren Energien in das Netz einzuspeisen. Die Netzbetreiber sind dabei verpflichtet, eine festgelegte Mindestvergütung an den Erzeuger zu zahlen. Die Kosten dafür werden auf alle Stromkunden verteilt. Es handelt sich daher also um keine staatliche Beihilfe, keine Subvention. Bei einem jährlichen Stromverbrauch von 3.000 Kilowattstunden sind im Jahr 2003 in einem Durchschnittshaushalt Mehrkosten infolge des EEG in Höhe von 13 Euro angefallen.

Anlässlich der Novellierung des EEG entwickelte sich zum Ende des Jahres 2003 eine lebhafte Diskussion zwischen Politik und Energiewirtschaft über die Weiterführung dieses politischen Instruments. Anfang November kam es schließlich zu einer Einigung zwischen Umwelt- und Wirtschaftsministerium, dass das EEG als Instrument im Kern erhalten bleiben soll. Ziel des neuen Gesetzes ist es nun, den Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromversorgung bis 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis 2020 auf mindestens 20 Prozent zu erhöhen. Die Details standen allerdings im Mai 2004 noch nicht fest, da im Bundesrat der Vermittlungsausschuss zur Klärung strittiger Punkte angerufen wurde.

Im Bereich der Solarenergie war es bereits zuvor zu einer Sonderregelung gekommen. Damit der befürchtete Fadenriss in der Photovoltaik-Branche nach Auslaufen des 100.000-Dächer-Solarstromprogramms Mitte 2003 verhindert wurde, beschloss Ende November der Bundestag mit den Stimmen der Union das „Solarstrom-Vorschaltgesetz“. Das Gesetz konnte somit zum 1. Januar 2004 in Kraft treten. Diese Extralösung für diesen Energiesektor war notwendig geworden, weil Verzögerungen bei der Einigung auf die EEG-Novelle ansonsten zu einer Förderlücke mit argen Problemen im PV-Bereich geführt hätten.

Eine weitere staatliche Maßnahme zur Unterstützung der erneuerbaren Energien ist die Biomasse-Verordnung (BiomasseV), die am 28. Juni 2001 im Rahmen des EEG in Kraft getreten ist. Sie regelt, welche Stoffe als Biomasse anerkannt werden, welche technischen Verfahren zur Anwendung kommen und welche Umweltanforderungen bei der Stromerzeugung aus Biomasse einzuhalten sind.

Bereits im September 1999 war das Marktanreizprogramm zur Nutzung erneuerbarer Energien (MAP) aufgelegt worden und unterstützt seitdem die breite Markteinführung vor allem im Wärmemarkt. Das Programm fördert den stärkeren Einsatz von

• Solarkollektoranlagen,

• Photovoltaikanlagen für Schulen,

• Anlagen zur Verbrennung fester Biomasse,

• Anlagen zur Nutzung der oberflächenfernen Geothermie,

• Biogasanlagen und

• Kleinen Wasserkraftanlagen.

Im KfW-CO₂-Gebäudesanierungsprogramm werden vorwiegend Maßnahmen zur Wärmedämmung und zur Modernisierung von Heizungsanlagen in Wohngebäuden des Altbaubestandes gefördert, die zur Energieeinsparung beitragen.

Weitere staatliche Maßnahmen zur Förderung erneuerbarer Energien sind:

• die ökologische Steuerreform (ÖSR),

• die Energieeinsparverordnung (EnEV),

• das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWK-Gesetz) und

• das Zukunftsinvestitionsprogramm (ZIP).

Durch die ökologische Steuerreform werden die grundsätzlichen wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für Energieeffizienzsteigerung verbessert. Die Energieeinsparverordnung fördert speziell bei Gebäuden den Einsatz erneuerbarer Energien zur Wärmeerzeugung und Warmwasserbereitung, während das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz insbesondere die gleichzeitige Nutzung von elektrischer und thermischer Energie unterstützt.

Die zunehmende Bedeutung des Bereiches Erneuerbare Energien lässt sich in Deutschland unter anderem auch anhand der Entwicklung der bereitgestellten Finanzmittel in den letzten Jahren ablesen. Bundesumweltminister Jürgen Trittin hatte ursprünglich im Februar 2002 erklärt, er wolle einen neuen Forschungsschwerpunkt zur weiteren Entwicklung der erneuerbaren Energien vorstellen, für den zunächst nur 30 Mio. Euro bereitstünden, die aus dem Zukunftsinvestitionsprogramm der Bundesregierung stammten. Im November 2002 wurde dann verlautbart, dass im Jahr 2003 zusätzlich 12,65 Mio. Euro von der Bundesregierung für Forschung und Markteinführung nachwachsender Rohstoffe ausgegeben würden. Damit erhöhten sich die Haushaltsmittel allein im Forschungsbereich von 26 auf 32 Mio. Euro und für die Markteinführung von 10 auf 16,65 Mio. Euro.

Im Laufe des Jahres 2003 wurde weiterhin deutlich, dass für das 100.000-Dächer-Programm deutlich mehr Mittel als ursprünglich eingeplant notwendig würden. Aus den zuvor vorgesehenen 17,6 Mio. Euro allein für Solarstrom wurden schließlich 27 Mio. Euro.

Rückwirkend betrachtet sind letztlich für Forschung und Entwicklung von erneuerbaren Energien im Jahr 2003 etwa 59 Mio. Euro von staatlicher Seite investiert worden.

Für die weitere Entwicklung ist der Gesamtetat nochmals um über 10 Prozent auf 66 Mio. Euro angehoben worden, allerdings nicht für die Solarenergie. Die PV-Branche muss im Jahr 2004 mit rund 25 Mio. Euro auskommen, die Solarthermie-Branche mit 8 Mio. Euro. Das ergibt einen Rückgang bei der Solarwärme um 20 Prozent nach 10,4 Mio. Euro im Jahr 2003.

Während es vor zwei bis drei Jahren noch so aussah, als wenn Europa eine Führungsrolle in diesem Bereich übernehmen könnte, sind mittlerweile die USA und Japan bei der Brennstoffzellen-Forschung weltweit führend. Dies liegt im Falle der USA hauptsächlich an den ersten Anwendungen im Verteidigungssektor sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Die amerikanischen Programme Freedom Car und die Allianz für Keramik-Brennstoffzellen erhielten zum Beispiel 150 Mio. Euro beziehungsweise 30 Mio. Euro an Fördergeldern. Für das Projekt Freedom Car soll insgesamt 1,7 Mrd. Euro bereitgestellt werden.

Auf besondere Aufmerksamkeit stoßen auch die Aktivitäten des ehemaligen Schauspielers und derzeitigen Gouverneurs von Kalifornien, Arnold Schwarzenegger. Er hatte im Wahlkampf von so genannten H₂-Korridoren gesprochen und scheint diese auch tatsächlich realisieren zu wollen. An jeder kalifornischen Autobahn soll im Abstand von höchstens 20 Meilen eine Wasserstoff-Tankstelle entstehen. Bei einem Netz von insgesamt 200 Tankstellen, die jeweils 300.000 bis 500.000 $-US kosten, entstünden dadurch Gesamtkosten in Höhe von 100 Mio. $-US, die Schwarzenegger unter anderem mit Hilfe von Wirtschaftsunternehmen aufbringen will.

In Japan sieht es so aus, dass für ein 28-Jahre-Programm (1993 bis 2020) insgesamt 2,4 Mrd. Euro aufgewendet werden.

Die Anstrengungen der Europäischen Union (EU) waren lange Zeit wenig strukturiert und galten eher als unterfinanziert und zersplittert. Im Bereich der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik liegen die staatlichen Investitionen der EU derzeit bei etwa 50 bis 60 Mio. Euro jährlich. Dies ist im Vergleich zu den USA (340 Mio. jährlich) und zu Japan (300 Mio. jährlich) nicht annähernd gleich viel.

Es gibt jedoch Hinweise, dass sich dies ändern könnte. Im 6. EU-Rahmenprogramm sollen die Mittel für Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Forschung im Rahmen der Förderung von Forschung, Entwicklung und Innovation erheblich aufgestockt werden.

Im November 2003 stellte die Europäische Kommission dazu einen umfassenden Aktionsplan vor, in dem es darum geht, mit welchen Mitteln Investitionen in Netze und Wissen in der gesamten Europäischen Union angekurbelt werden müssen. Beabsichtigt ist, die EU bei Innovationen und technologischen Fortschritten an die Spitze zu bringen, und zwar dadurch, dass in den Jahren 2005 bis 2015 gezielt pan-europäische Projekte in diesen Bereichen eingeleitet werden.

Dazu zählt das Projekt Hypogen, das die Errichtung einer großen Testanlage zur Produktion von Wasserstoff und Strom beinhaltet (Budget 1,3 Mrd. Euro), während das Projekt Hycom die Einrichtung einer begrenzten Zahl von „hydrogen communities“ in der EU zum Ziel hat (Budget 1,5 Mrd. Euro). Wasserstoff soll als Quelle für die Strom- und Wärmeproduktion sowie als Fahrzeugkraftstoff dienen. [Altmann, 2003]

Ein weiterer Schritt ist die Gründung einer Wasserstoff-Forschungsplatt-form der Europäischen Kommission, die im Januar 2004 in Brüssel vorgenommen wurde. Kommissionspräsident Romano Prodi nannte das Ereignis einen Meilenstein für alle in Europa, die an Wasserstoff und Brennstoffzellen interessiert seien. Als Triebfeder nannte er sowohl das Problem der steigenden Energienachfrage sowie die Klimaschutzproblematik. In Anbetracht der heutigen Ölimportquote von 50 Prozent (im Jahr 2025 voraussichtlich 70 %), im Verkehrssektor sogar von 90 Prozent, sei sofortiges Handeln angebracht.

Darüber hinaus könnte eine internationale Partnerschaft zahlreicher in diesem Bereich tätiger Nationen für noch etwas mehr Belebung sorgen. Auf Anregung der USA haben sich im November 2003 die Vertreter von insgesamt 15 Staaten (Australien, Brasilien, China, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Indien, Island, Italien, Japan, Kanada, Norwegen, Russland, Südkorea, USA) und der EU-Kommission in Washington zusammengefunden, um eine Vereinbarung über die zukünftige Kooperation zu unterschreiben (International Partnership for the Hydrogen Economy, IPHE).

Dieser Zusammenschluss soll gemeinsame Forschungsvorhaben unterstützen und Aktivitäten fördern, die zum Fortschritt der Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technik beitragen. Außerdem sollen durch eine Bündelung verstreuter Ressourcen die Effektivität erhöht und international gültige Normen erarbeitet werden, alles in Zusammenarbeit mit der International Energy Agency (IEA).

3 WASSERSTOFF ALS ENERGIETRÄGER

Die Bezeichnung „Wasserstoff“ existiert bereits seit dem Jahr 1787. In diesem Jahr „taufte“ der Franzose Lavoisier den Wasserstoff als „hydrogène“ (hydor = Wasser, griechisch; genes = erzeugend). Das Wort bedeutet demnach „Wasser-Bildner“.

Wasserstoff (H) tritt hauptsächlich als Molekül auf, da sich meist zwei Wasserstoff-Atome zusammentun zu H₂. In der Natur kommt auch das H₂- Molekül nur selten allein vor, weil es sich meist sehr schnell ein Sauerstoff-atom (O) sucht und zu Wasser (H₂O) reagiert. In wässrigen Lösungen bilden sich H₃O^+- Ionen.

Die Reaktion

verläuft bei einer Entzündung als Kettenreaktion ab

3.1 Chemische & physikalische Eigenschaften

Unter Umgebungsbedingungen ist Wasserstoff gasförmig (GH₂: engl. Gaseous Hydrogen). Die maximale Temperatur von flüssigem Wasserstoff (LH₂: engl. Liquid Hydrogen) beträgt bei Umgebungsdruck lediglich -253 °C. Die einzige Substanz, die einen noch tieferen Siedepunkt aufweisen kann, ist Helium (-270 °C).

Wasserstoff ist:

• ungiftig und nicht reizend

• umweltneutral, nicht wassergefährdend

• geruchlos

• geschmacksneutral

• unsichtbar

• leicht flüchtig

• im Freien nicht explosiv

• nicht radioaktiv

• nicht krebserzeugend

Die wichtigsten Kenngrößen:

Einige Merkmale:

• Häufigstes Element im Weltall mit etwa 55% Gewichtsanteil.

• Dritthäufigstes Atom in der Erdkruste, Massenanteil: 0,15 Prozent.

• 1/6000 der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Schwerer Wasserstoff“ = Deuterium = D mit 1 Neutron im Atomkern.

• 1/Billiarden der Wasserstoff-Atome der Erde sind „Überschwerer Wasserstoff“ = Tritium = T mit 2 Neutronen im Kern; Tritium zerfällt nach 12 Jahren in das Helium-Isotop ( He).

• Kann auch mit anderen Oxidanten als Sauerstoff reagieren, z. B. mit Chlor oder Lachgas.

• Brennt im ultravioletten Bereich (310 ηm). Kann Sonnenbrand verursachen.

• 10mal geringere Wärmeabstrahlung bei der Verbrennung im Vergleich zu anderen Brenngasen, wegen des Mangels an Kohlenstoff.

• Molekül-Aufspaltung: H₂ 2H (ΔH = 437,6 kJ/mol)

• Verbrennung: H₂ + ½ O₂ H₂O (+ 289,5 kJ/mol = 0,08 kWh/mol = 40,2 kWh/kg_H2)

• Wasser enthält 11,2 Gew.-% Wasserstoff.

• Die Entspannung von Wasserstoff bei Normaltemperatur führt zu einer geringfügigen Erwärmung („negativer Joule-Thompson-Effekt“), weil der Umkehrpunkt von Wasserstoff (T_U = -73 °C) im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.

• Wasserstoff kann durchaus sicher gehandhabt werden, solange seine speziellen Eigenschaften – manchmal besser, manchmal schlechter und manchmal nur anders im Vergleich zu anderen Kraftstoffen – berücksichtigt werden.

Weitere Informationen über das Verhalten von Wasserstoff, die Entzündungswahrscheinlichkeit usw. im Kapitel 17.6 H₂-Sicherheitsmaßnahmen.

3.1.1 Knallgas-Probe

Wasserstoff (H₂) ist von sich aus bestrebt, zusammen mit Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) zu reagieren. Dazu bedarf es keiner externen Energiezufuhr, statt dessen wird sogar Energie abgegeben (exotherme Reaktion).

Vielfach wird bei dieser Reaktion an die Knallgas-Reaktion gedacht, die eventuell im Chemie-Unterricht anhand eines lauten Knalles veranschaulicht wurde und dadurch besonders gut in Erinnerung geblieben ist. Bei einer derartigen Reaktion sind ebenfalls Wasserstoff und Sauerstoff oder Chlorgas als Ausgangsprodukte beteiligt. Derartige Gemische heißen auch Knallgas-Gemische. Die optimalen Mischungsverhältnisse kommen nach den Gasgesetzen von Gay-Lussac immer in ganzen Zahlen vor:

Wasserstoff : Sauerstoff = 2:1 und Wasserstoff : Chlor = 1:1.

Im Labor erfolgt der Nachweis von Wasserstoff mit der Knallgas-Probe. Diese Probe dient auch zur Überprüfung, ob in einem Gas ein Knallgas-Gemisch vorliegt. Ertönt bei der Entzündung ein lauter pfeifender Knall, handelt es sich um Knallgas, bei einem harmlosen, dumpfen Geräusch ist nur reiner Wasserstoff vorhanden.

3.1.2 Flüchtiger Wasserstoff

Wasserstoff ist sehr leicht flüchtig. Dies spiegelt sich im großen Diffusions-koeffizienten sowie dem großen Dichteunterschied zu Luft wieder. Gelangt gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung, durchmischt er sich sehr schnell mit Luft und unterschreitet dementsprechend rasch die untere Zündgrenze (4 Vol.-%). Der hohe Diffusionskoeffizient und die geringe Viskosität haben ihre Ursache in den sehr kleinen Molekülen. Dies bewirkt, dass er sich sehr rasch mit Luft vermischt und relativ leicht durch enge Spalten entweichen kann.

Wird flüssiger Wasserstoff freigesetzt, erwärmt sich dieser durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit und die große Temperaturdifferenz gegenüber Luft relativ schnell, so dass er verdampft. Die Gefahr einer großflächigen Lachenbildung wie bei Benzin entsteht somit nicht, und es breiten sich auch keine brennbaren Dämpfe am Boden aus. Falls jedoch ein großer Tankbehälter schlagartig seinen gesamten Inhalt freisetzt oder eine LH₂-Leitung für flüssigen Wasserstoff abreißt, so dass sich doch eine Lache bildet, verdampft diese sehr schnell (0,4 bis 0,8 mm/s) (s. auch Kap. 17.6).

3.2 Material-Wechselwirkungen

Neben einer guten Kenntnis über die Stoffeigenschaften von Wasserstoff ist es darüber hinaus hilfreich und aus Sicherheitsgründen notwendig, auch das Verhalten anderer Stoffe beim Kontakt mit diesem Medium zu kennen. Dies betrifft sowohl die für das Kraftstoffsystem verwendeten Materialien, als auch andere Substanzen, mit denen der Kraftstoff im Unglücksfall in Kontakt kommen könnte (z. B. Hydrauliköl, Schmieröl, Kühlflüssigkeit, Dichtungsgummis usw.).

Besonders bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Kraftstoff ist wegen der damit verbundenen niedrigen Temperatur auf besondere Sorgfalt bei der Materialwahl zu achten (Kalt-Versprödung). Wie diese Bezeichnung schon erahnen lässt, ist die Kalt-Versprödung begründet in den niedrigen Temperaturen, die viele Materialien spröde und hart macht. Je niedriger die Temperatur ist, desto empfindlicher werden die Substanzen gegen äußere Einflüsse wie Stoß oder Verformung. Die Werkstoff-Kunde hat in diesem Bereich jedoch bereits ausreichende Erkenntnisse über das Materialverhalten verschiedener Legierungen, so dass auch für den kryogenen Bereich geeignete Werkstoffe zur Verfügung stehen.

Unabhängig von der Kalt-Versprödung gibt es noch ein ganz spezielles Material-Problem im Zusammenhang mit dem Medium Wasserstoff, die so genannte Wasserstoff-Versprödung, wobei es hierfür verschiedene Ursachen gibt. Einmal gibt es die H₂-Versprödung bei Umgebungstemperatur, wobei atomarer Wasserstoff in die Metallgitter eindringen kann. Neben der Aufspaltung des Wasserstoff-Moleküls entsteht atomarer Wasserstoff ebenfalls durch die Dissoziation von Gasen (z. B. H₂S, HCl, HCN). Die Versprödung tritt dann speziell an der Oberfläche bei plastischer Verformung infolge von äußeren Krafteinwirkungen auf, weil der Zusammenhalt des Metallgitters geschwächt ist. Die bei der Verformung in das Werkstück eingebrachte Energie wird als Dissoziationsenergie genutzt, so dass atomarer Wasserstoff in das Gefüge eindringt und dort die Bindungskräfte aufhebt.

Außerdem kann es bei Temperaturen oberhalb von 200 °C zu einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff oder anderen Legierungsbestandteilen von legiertem Stahl kommen. Dabei handelt es sich um eine irreversible Umstrukturierung des Metallgitters (Bildung von Blasen oder Rissen), die ebenfalls zu einer Versprödung führen kann.

Darüber hinaus können Dichtigkeitsprobleme auftreten. Wasserstoff-Moleküle sind sehr klein und können durch enge Ritzen und Spalten entweichen. Verbindungsstellen und Dichtungen, die eigentlich wasser- und luftdicht sind, können diese Moleküle passieren lassen.

Normalerweise werden in der Kryogen-Technik Metalle wie Kupfer, Aluminium und Titan nebst deren Legierungen sowie Eisen-Nickel-Legierungen und austenitische Chrom-Nickel-Stähle verwendet. Edelstahl ist im Allgemeinen auf Grund seiner Struktur gut geeignet für tiefkalte Armaturen, weil auch bei niedrigen Temperaturen noch eine hohe Festigkeit und eine ausreichende Zähigkeit vorliegen. Wird dieses Material jedoch in kaltem Zustand plastisch verformt, kann es zu einer Strukturveränderung kommen (austenitisch wechselt in martensitisch) mit veränderten Festigkeitseigenschaften. [Hübner, 2001], [Gradt, 2001]

Neben den Stoffeigenschaften der Materialien ist ebenso deren Handhabung von elementarer Bedeutung. Zur Fertigung von wasserstoffführenden Systemen sind Schweißverfahren notwendig, die qualitativ hochwertige Verbindungen erzeugen (hohe Bruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen). Am besten geeignet ist das Niederdruck-Elektronenstrahl-Verfahren (Reduced Pressure Electron Beam Welding RPEBW). Es erfüllt drei wichtige Anforderungen [Tanaka, Fujii, 2001]:

1. eine hohe Bruchfestigkeit

2. eine gute Gefügequalität bei kryogenen Temperaturen

3. eine hohe Leistungsfähigkeit

3.3 Wasserstoff-Konfiguration

Sicherheitstechnisch nicht so relevant, aber für das Themen-Verständnis hilfreich ist die Unterscheidung zwischen Ortho- und Para-Wasserstoff. Was verbirgt sich hinter diesen Bezeichnungen?

Wasserstoff-Moleküle treten generell in zwei verschiedenen chemischen Zuständen auf. Diese unterscheiden sich in der Orientierung ihres atomaren Spins (bezeichnet den Drehimpuls der Elementarteilchen). Ortho-Wasserstoff weist einen parallel Spin auf, während Para-Wasserstoff einen antiparallelen Spin hat. Ein Gemisch aus 25 Prozent Para- und 75 Prozent Ortho-Wasserstoff wird n-Wasserstoff genannt.

Bei Umgebungstemperatur kommt Ortho-Wasserstoff dreimal häufiger vor. Unterhalb von -200 °C kommt fast ausschließlich Para-Wasserstoff vor. Die Umwandlung vom einen zum anderen Zustand ist ein sehr langsamer Prozess und kann sich ohne die Anwesenheit von Katalysatoren über mehrere Tage hinstrecken.

3.4 Erfahrung mit Stadtgas

Wasserstoff kann durchaus auf eine langjährige Nutzungsgeschichte zurückgreifen. Bereits im 19. Jahrhundert wurden in vielen Städten Rohrleitungssysteme installiert, um das so genannte „Stadtgas“ für die Straßenbeleuchtung und später auch für die Haushalte zum Heizen und Kochen zu verteilen. Bei diesem Gas handelt es sich um ein Gemisch aus je einer Hälfte Wasserstoff und Kohlenstoff-Monoxid.

Mittlerweile ist dieses Gas überall in Deutschland vom Erdgas verdrängt worden, zuletzt Anfang der 90er Jahre in Saarbrücken. In Stockholm/Schweden wird dagegen heute noch das rund 800 Kilometer lange Niederdrucknetz zur Verteilung von Stadtgas genutzt.

Technisch ist es durchaus machbar, Wasserstoff dem heutigen Erdgas beizumengen. Bis zu 5 Vol.-% Wasserstoff könnte ohne jegliche technische Veränderung zugeführt werden. Bei größeren Anteilen (bis 60 Vol.-%) würden jedoch Umbauten insbesondere bei den Anwendungsgeräten der Verbraucher (Dichtungen, Gaszähler, Brenner) notwendig. [Altmann a, 2001]

3.5 Wasserdampf-Bildung & Wasserstoff-Emission

Bis jetzt unberücksichtigt geblieben sind die möglichen Auswirkungen, die ein vermehrter Wasserstoff-Umsatz und ein gesteigerter Wasserdampf-Ausstoß auf die Umwelt und das Klima (lokal und global) haben könnten. Zu unterscheiden ist hierbei, dass es sich bei der Wasserdampf-Bildung um Wasser (H₂O) handelt und bei Wasserstoff-Emissionen allein um Wasserstoff (H₂).

Die Wasserdampf-Emissionen aus der heutigen Energiewirtschaft liegen bei 0,005 Prozent der natürlichen Vorkommen. Selbst unter ungünstigen Verhältnissen in regionalen Ballungsräumen würde ein auf Wasserstoff umgestellter Fahrzeugverkehr Wasserdampf-Emissionen nur im Promillebereich natürlicher Emissionen freisetzen. Ein Wasserstoffauto emittiert zwar mehr Wasserdampf als konventionelle Benzin- oder Diesel-Autos, der Unterschied ist mit einem Faktor zwischen 2 und 5 aber nicht wesentlich größer.

Werden Szenarien der Wasserstoff-Nutzung und daraus resultierende Wasserstoff-Emissionen abgeleitet, dann würden die H₂-Emissionen um maximal bis zu 5 Prozent beziehungsweise 1,5 Mio. Tonnen pro Jahr ansteigen und damit der Gehalt in der Atmosphäre von heute 0,51 parts per million auf 0,54 ppm ansteigen.

Sollten im Jahr 2050 etwa 1 Mrd. Straßen-Fahrzeuge unterwegs sein, wovon 10 bis 20 Prozent mit LH₂ betrieben wären, so würden sich hieraus erhöhte H₂-Emissionen von 0,2 bis 0,8 Mio. Tonnen pro Jahr ergeben. In den letzten Jahren lag die jährliche H₂-Zunahme aufgrund anthropogener Verbrennungsprozesse (Industrie, Autoabgase) bei etwa 1 Mio. Tonnen H₂ pro Jahr. Wasserdampf ist zwar das am häufigsten in der Atmosphäre vorkommende klimarelevante Gas, aber wesentlich weniger klimaaktiv als beispielsweise CO₂.

Abschätzungen lassen demzufolge nach heutiger Kenntnis vermuten, dass durch einen verstärkten H₂-Einsatz keine relevanten Veränderungen in der Wasserstoff-Bilanz der Atmosphäre bewirkt würden. Wegen der komplizierten chemischen Reaktionen in der Atmosphäre besteht hier aber noch Forschungs- und Klärungsbedarf. [Schultz, 2003]

4 HERSTELLUNG VON WASSERSTOFF

Insgesamt werden in Deutschland jährlich ungefähr 20 Mrd. Kubikmeter Wasserstoff erzeugt, weltweit sind es etwa 500 Mrd. Kubikmeter. Dies entspricht sowohl bundesweit als auch weltweit einem Anteil von jeweils 1,5 Prozent des Energiebedarfs.

Rund 40 Prozent des momentanen Bedarfs könnten gedeckt werden, indem der Wasserstoff verwendet würde, der in der Industrie als Nebenprodukt anfällt. Zum Teil bleibt dieser Anteil jedoch völlig ungenutzt. Nur fünf Prozent der Gesamtmenge wird auf dem freien Markt gehandelt.

Eingesetzt wird Wasserstoff

• bei der Ammoniak-Synthese (insgesamt rund 75 %) sowie zur Methanolproduktion (rund 8 %),

• bei der Herstellung von Stickstoff-Dünger, Kunststoffen, Sprengstoffen, Kunstharzen sowie Lösungsmitteln,

• bei industriellen Prozessen in Raffinerien,

• bei der Hydrierung von Speiseölen aus Sojabohnen, Fisch, Erdnüssen oder Mais,

• bei der Umwandlung flüssiger Öle in Margarine,

• bei der Polypropylen-Herstellung,

• bei der Kühlung von Generatoren und Motoren sowie

• bei der industriellen Fertigung (Glas- und Halbleiter-Industrie; u.a. als Schutzgas bei der Wärmebehandlung).

Eines der wesentlichen Verfahren, bei dem Wasserstoff freigesetzt wird, ist die Chlor-Alkali-Elektrolyse (s. Kap. 4.8). Der dabei erzeugte Wasserstoff wird allerdings häufig nicht aufgefangen und genutzt, sondern einfach abgefackelt.

Zur Wasserstoff-Herstellung sind viele unterschiedliche Methoden möglich (s. Tab. 7), die im Folgenden näher erläutert werden sollen.

TAB. 7: HERSTELLUNGSMENGE VON WASSERSTOFF

[in Millarden Nm³]

Quelle: DWV

4.1 Elektrolyse

Relativ bekannt und anschaulich dürfte der Schulversuch zur Elektrolyse aus dem Chemie-Schulunterricht sein.

Versuch zum Nachweis der Elektrolyse von Johann W. Ritter, deutscher Chemiker (um 1800): Man nehme ein wassergefülltes U-Rohr aus Glas und platziere in jedem Schenkel eine Platin-Elektrode, die an eine Gleichstrom-Batterie angeschlossen sind. Das angeschlossene Strom-Messgerät zeigt Null. Erst wenn ein paar Tropfen Säure oder Lauge ins Wasser geträufelt werden, fließt ein messbarer Strom. Das Wasser ist zum Elektrolyt geworden, der Ionen leitet. [Weber, 1988]

Dieser Prozess heißt „Wasser-Elektrolyse“ und beschreibt die Auftrennung (Spaltung) von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von elektrischem Strom. Der Stromkreislauf (Gleichspannung) wird durch den Elektrolyten geschlossen. Der Elektrolyt ist in diesem Fall das Wasser mit den darin befindlichen Ionen, die den Ladungstransport übernehmen (Salz, Säure oder Lauge, z. B. 30%ige Kalilauge). Die Elektroden müssen mit einem Katalysator versehen sein (z. B. Platin), der die Reaktion einleitet, selber jedoch nicht mitreagiert. An der positiven Elektrode (Anode) bildet sich dann gasförmiger Sauerstoff, an der negativen Elektrode (Kathode) gasförmiger Wasserstoff. Beim Übertritt der Elektronen von der Kathode in den Elektrolyten läuft die folgende chemische Reaktion ab, bei der Wasserstoff entsteht:

Entsprechend lösen die Elektronen, die an der Anode abfließen, folgende Reaktion aus, so dass Sauerstoff entsteht:

ABB. 8: SCHEMA EINES ALKALISCHEN ELEKTROLYSEURS

[BMW, 2001]

Damit sich die beiden Gase nicht wieder vermischen, teilt eine dünne Wand (Diaphragma) die beiden Zellenhälften. Sie kann beispielsweise aus porösem Asbest bestehen. Zwei Gasabscheider trennen jeweils die entstandenen Gase von der Flüssigkeit.

Der gegenwärtige Wirkungsgrad dieses Verfahrens liegt ungefähr bei 70 bis 80 Prozent. Um Wasserstoff mit einem Energieäquivalent von 1 Kilowattstunde zu erzeugen, werden knapp 300 Milliliter Wasser verbraucht.

Noch ist der Anteil des auf diese Weise produzierten Wasserstoffs sehr gering (4 % der H₂-Menge), weil relativ viel Energie notwendig ist. Mit zunehmendem Bereitstellungsgrad von erneuerbaren Energien wird jedoch dieser Anteil in Zukunft weiter steigen.

Eine Möglichkeit, die Gesamtkosten bei der Elektrolyse zu senken, ist beispielsweise die Verwendung eines Hochdruck-Elektrolyseurs (Drücke von 30 bis 100 bar), weil dabei die Komprimierung des erzeugten Gases als zusätzlicher Arbeitsschritt entfällt. Als weitere Alternative wurde eine Zeit lang an der Hochtemperatur-Elektrolyse gearbeitet.

Der elektrochemische Umwandlungsprozess bei diesem so genannten „HOT-ELLY-Verfahren“ findet bei rund 1.000 °C statt. Der Betriebsdruck in so einem Hochtemperatur-Elektrolyseur liegt bei etwa 30 bar und wird gleichzeitig auch als Speicherdruck gewählt.

Ein derartiger Elektrolyseur der Firma MTU-Friedrichshafen wurde testweise an der H₂-Tankstelle am Flughafen München eingesetzt. Obwohl diesem Verfahren anfänglich ein hohes Entwicklungspotential zugesprochen wurde, ist die Hot-Elly-Entwicklung jedoch mittlerweile eingestellt worden.

4.2 Dampfreformer

Den größten Anteil unter den verschiedenen Herstellungsverfahren trägt zurzeit die Dampfreformierung mit einem Anteil von etwa 50 Prozent. Grundsätzlich eignen sich als Ausgangprodukte für dieses Verfahren alle fossilen Kraftstoffe, die einen relativ hohen Prozentsatz Wasserstoff-Moleküle aufweisen (z. B. Erdgas, Methanol, Biogas).

Die erste Verfahrensstufe eines Reformers (der Reformierreaktor) erzeugt unter Wärmezufuhr durch Umsetzung des eingesetzten Energieträgers mit Wasserdampf ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Bei der Einleitung der Reaktion helfen Nickel-Katalysatoren. Das entstehende Gemisch enthält zu diesem Zeitpunkt noch einen hohen Anteil an Kohlenstoff-Monoxid, das zusammen mit Wasserdampf in zwei nachgeschalteten katalytischen Konvertern (Shift-Reaktoren) in Kohlenstoff-Dioxid überführt wird.

Der erste Umwandlungsschritt ist die so genannte Hochtemperatur-Konvertierung (HTS), die bei etwa 320 bis 400 °C stattfindet. Der zweite Schritt ist die Niedertemperatur-Konvertierung (NTS) bei etwa 180 bis 240 °C. Auf diese Weise wird der CO-Anteil von etwa 10 bis 15 Vol.-% beim Austritt aus dem Reformer bis auf letztlich 0,3 bis 0,6 Vol.-% verringert. [Modl, 2002]

Eine anschließende letzte Gasreinigungsstufe entfernt das in diesem Vorgang nicht umgesetzte CO bis auf einen geringen Restanteil von 10 bis 20 ppm und gewährleistet somit die gewünschte Reinheit. Anschließend kann der Wasserstoff in einer Druckwechsel-Adsorption von weiteren störenden Bestandteilen (z. B. Schwefel) befreit werden.

Für die Herstellung von einem Normkubikmeter (Nm³) Wasserstoff sind in etwa 0,45 Normkubikmeter Erdgas notwendig. Damit liegt der Wirkungsgrad heutiger Dampfreformer bei über 80 Prozent bezogen auf den unteren Heizwert des eingesetzten Kraftstoffs.

Die Temperaturen, die für einen Reformierungsprozess notwendig sind, hängen von den verwendeten Kraftstoffen und deren chemischer Struktur ab. Methanol verfügt beispielsweise über eine Dreifach-Bindung zwischen den Kohlenstoff-Atomen und den OH-Molekülen. Diese Struktur ist bereits leicht polarisiert, so dass ein Aufbrechen dieser Bindung lediglich Temperaturen von 300 °C benötigt. Da bei Erdgas kein Sauerstoff-Atom vorhanden ist, ist der Wasserstoff dreifach an den Kohlenstoff gebunden, so dass diese Struktur nicht so stark polarisiert ist und folglich höhere Temperaturen zum Zerteilen notwendig sind (800 °C). Bei Benzin handelt es sich um mehrere Kohlenstoff-Ionen (), deren Verbindung bei 900 °C getrennt werden muss.

ABB. 9: SCHEMA DER DAMPFREFORMIERUNG

Ein Dampfreformer, wie er beispielsweise von der Linde AG in Sachsen betrieben wird, verfügt über eine Nennkapazität von 53.000 Normkubikmeter Rein-Wasserstoff pro Stunde. Seit dem Zubau einer zweiten Stufe stehen mittlerweile zusätzliche 140.000 Normkubikmeter zur Verfügung. Die Verteilung dieses Wasserstoffes geschieht unter anderem über ein Rohrleitungsnetz (100 km) an Großkunden in der Region Leuna/Bitterfeld. Ein Teil des Wasserstoffs wird in einer nachgeschalteten Prozessstufe auf eine Qualität von 99,999 % (Bezeichnung: Wasserstoff 5.0) gereinigt, verdichtet und als Reinst-Wasserstoff per Trailer zu Kunden in ganz Deutschland geliefert.

Es gibt darüber hinaus bereits komplette Anlagen von CarboTech aus Essen, in denen zum Beispiel aus Biogas (Methananteil 60 %) hochreiner Wasserstoff hergestellt wird. In derartigen Anlagen wird erst das Biogas aufbereitet, so dass der CH₄-Anteil auf 97 Prozent ansteigt. Dann folgt die eigentliche Reformierung. Anschließend wird über eine nachgeschaltete Druckwechsel-Anlage die im Wasserstoff noch enthaltenen CO- und CO₂-Anteil abgespalten. Auf diese Art können bis zu 30.000 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde mit einer Reinheit von 99,999 Prozent erzeugt werden.

ABB. 10: GROSSTECHNISCHER ERDGAS-REFORMER

Quelle: Linde AG

4.3 Partielle Oxidation

Ein besseres Lastwechsel-Verhalten im Vergleich zur etwas trägen Dampfreformierung weist die partielle Oxidation (POX) auf.

Hierbei werden der Reformereinheit lediglich Erdgas oder ein anderer Kohlenwasserstoff und Sauerstoff zugeführt, aber kein Wasserdampf. Das Erdgas reagiert unter Wärmefreisetzung im Reformer mit dem Sauerstoff (unterstöchiometrisches Verhältnis, d. h. Sauerstoffmangel) zu Wasserstoff, Kohlenstoff-Monoxid und Kohlenstoff-Dioxid bei Temperaturen von ungefähr 1.300 bis 1.400 °C. Die hierbei produzierte Wärme steht direkt der endothermen Reformierungsreaktion des restlichen Erdgases zur Verfügung. Der Wirkungsgrad liegt in etwa bei 70 Prozent.

Dieses Verfahren wird häufig in Raffinerien angewandt, weil dort kostengünstig Reste aus der Mineralölaufbereitung (Schweröl) als Ausgangsmaterial verwendet werden können. Es können durchaus Mengen von über 50.000 Normkubikmeter pro Stunde produziert werden. An der gesamten produzierten H₂-Menge hat diese Herstellungsmethode ungefähr einen Anteil von 25 Prozent.

4.4 Autothermer Reformer

Der autotherme Reformer ist aus einer Kombination der Dampfreformierung und der partiellen Oxidation hervorgegangen, wobei er seine benötigte Wärme selber erzeugt, deswegen bekam dieses Verfahren die Bezeichnung „autotherm“.

Durch eine präzise Dosierung der Luftmenge gelingt es bei diesem Verfahren, die ablaufenden Reaktionen so zu steuern, dass die bei der Verbrennung erzeugte Wärme genau der bei der Reformierung benötigten Wärme entspricht. Auf diese Weise kann die energetische Ausbeute wesentlich gesteigert werden. Da die Arbeitstemperatur jedoch oberhalb der des Dampfreformers liegt, entstehen durch die Reaktion mit dem Stickstoff der Umgebungsluft im direkten Vergleich wesentlich mehr Stickstoff-Oxide.

Gegenüber den beiden zuvor benannten Methoden ermöglicht dieses Verfahren einen schnelleren Start und weist generell eine bessere Dynamik auf. Für großtechnische Anwendungen ist dies jedoch gar nicht notwendig. Wegen der aufwändigen und notwendigen Nachreinigung hat sich dieses Verfahren noch nicht weit verbreitet.

Ein Vergleich bezüglich des erzeugten Wasserstoff-Gehaltes bei den drei vorweggegangenen Verstellungsverfahren ergibt folgendes Bild:

TAB. 8: VERGLEICH H₂-HERSTELLUNG

4.5 Kværner-Verfahren

Bei diesem Verfahren handelt es sich um die CO₂-freie Erzeugung von Wasserstoff und Aktivkohle aus Erdgas oder Schweröl und Elektrizität.

Seit Anfang der achtziger Jahre entwickelt die Kværner Engineering S.A. aus Norwegen einen so genannten Plasmabogen-Prozess, der Kohlenwasserstoff-Verbindungen bei hohen Temperaturen von etwa 1.600 °C in Reinstkohle und Wasserstoff trennt. Für diesen Prozess, bei dem selbst keine nennenswerten Emissionen auftreten, sind neben dem Primärenergieträger (Erdgas, Mineralöl) Kühlwasser und Strom notwendig, jedoch kein Sauerstoff.

Eine seit April 1992 in Norwegen arbeitende Anlage stellt aus Erdgas (1.000 Nm³/h) und Elektrizität (2.100 kW_el) etwa 500 Kilogramm Reinstkohle (Aktivkohle) und 2.000 Normkubikmeter Wasserstoff pro Stunde her. Als weiteres Nebenprodukt wird heißer Dampf mit einer Leistung von etwa 1.000 Kilowatt erzeugt. Unter Berücksichtigung aller potentiell verwertbaren Produkte arbeitet die Anlage mit fast 100 Prozent Wirkungsgrad, wovon etwa 48 Prozent im Wasserstoff, etwa 10 Prozent im Heißdampf und die restlichen 40 Prozent in der Aktivkohle enthalten sind. Die Reinheit des Wasserstoffes ist relativ hoch, die Kosten demgegenüber relativ niedrig, und zudem ist die gesamte Anlage sehr flexibel (schnell regelbar).

Sinn macht dieses Verfahren hauptsächlich, wenn genügend Erdgas, aber zu wenig Kohle vorhanden sind und gleichzeitig die Möglichkeit gegeben ist, den Wasserstoff zu speichern oder vor Ort zu verwenden.

4.6 Vergasung

Das Vergasen von festen Kraftstoffen wird bei Temperaturen von 800 bis 2.000 °C und einem Druck von bis zu 40 bar durchgeführt.

Zu den gängigen Vergasungsmethoden zählen:

• die Kohle-Vergasung,

• drucklose Kohlestaub-Vergasung (Koppers-Totzek),

• die Druck-Vergasung im Festbett (Lurgi),

• die Braunkohle-Hochtemperatur-Vergasung (Winkler) sowie

• die Vergasung von Biomasse.

Die Wirkungsgrade dieser Verfahren liegen je nach Ausgangsprodukt bei etwa 55 Prozent.

In letzter Zeit ist speziell das Interesse an der Vergasung von Biomasse stark angestiegen. Weil in diversen Forsten und Holzbetrieben zum Teil große Mengen an Biomasse anfallen, bietet sich diese Methode zur energetischen Nutzung an, so dass in Zukunft mit einem weiter zunehmendem Anteil gerechnet werden kann.

4.7 Biochemische Herstellung

Wie in so vielen Gebieten des täglichen Lebens hat die Natur ebenfalls einen Weg zur Wasserstoff-Herstellung gefunden. Bei der biochemischen Herstellung können beispielsweise Mikroalgen (z. B. Cyanobakterien und einige einzellige Grünalgen) zur Wasserstoff-Produktion dienen. Diese Organismen nutzen bei der Photosynthese die Sonnenenergie, um Kohlenhydrate (z. B. Stärke) aufzubauen, und können darüber hinaus unter bestimmten Bedingungen durchaus auch Wasserstoff erzeugen.

Ein derartiger Vorgang wird durch ein Enzym ermöglicht, das Hydrogenase genannt wird und über einen so genannten Wasserstoff-Metabolismus verfügt. Dieses Enzym kann katalytisch dazu beitragen, aus Elektronen und Protonen gasförmigen, molekularen Wasserstoff herzustellen.

Die dafür notwendigen negativ geladenen Elektronen sowie die positiv geladenen Protonen (H+-Ionen) werden dabei zuvor durch die Photolyse von Wasser im Rahmen einer sauerstoffbildenden (oxygenen) Photosynthese erzeugt.

Die Algen der Familie Chlorophyceae vermehren sich allein durch die Anwesenheit von Licht sowie die Abwesenheit von Sauerstoff (anaerobes Milieu). Dabei findet in den Chloroplasten die eigentliche Photosynthese statt, bei der Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, indem Energie freigesetzt und CO₂ gebunden wird. Dieser Vorgang erfordert den Transport von Elektronen, die durch die Teilung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt werden. Am Ende der photosynthetischen Reaktionskette werden die freigesetzten Elektronen auf eine organische Verbindung übertragen, so dass die Algenkultur wächst. [Happe, 2002], [Schulz-Friedrich, 2003]

Andere Bakterien kommen aufgrund des zu niedrigen Energieniveaus ihrer Photosysteme nicht in Frage. Und auch andere Algen eignen sich nicht, wenn diese keine Hydrogenasen besitzen. Die Hydrogenasen der Grünalgen erzielen bei der H₂-Produktion eine sehr hohe Effizienz, weswegen sie sich besonders gut eignen. Sie können bis zu 5.000 Moleküle H₂ pro Enzymmolekül und pro Sekunde bilden, allerdings nur im sauerstofffreien Umfeld.

Im Labor konnten auf diese Weise bisher aus einem Liter Algenkultur (clamydomonas reinhartii) 250 Milliliter Wasserstoff pro Tag erzeugt werden, die direkt einer Brennstoffzelle zugeführt werden können. Im Prinzip könnte das ausreichen, um ein Einfamilienhaus mit Energie zu versorgen.

Bisher ist dies jedoch nur Theorie. Die damit beschäftigten Forscher gehen jedoch davon aus, dass eine Produktivitätssteigerung um den Faktor 10 bis 100 innerhalb von drei bis fünf Jahren möglich ist. Innerhalb der vergangenen zwei Jahre hat sich die Ergiebigkeit immerhin schon um den Faktor zwei verbessert.

Auch Purpurbakterien der Art Rhodospirillum Rubrum können gewisse kohlenstoffhaltige Substrate umsetzen und pro Kilogramm Biomasse täglich bis zu 3 Kubikmeter Wasserstoff erzeugen. Was in manchen Waldseen an die Oberfläche steigt, sind dementsprechend nicht nur Methan-, sondern auch Wasserstoff-Blasen.

Die Purpurbakterien leben in den tieferen Schichten der Seen und verarbeiten mit Hilfe des Sonnenlichts die organischen Substanzen, die zu ihnen hinunterschweben. Wenn sie zu viel Nahrung bekommen und zugleich unter Stickstoff-Mangel leiden, geben sie Wasserstoff ab, um das Innere ihrer Zellen im sicheren chemischen Gleichgewicht zu halten.

Der wesentliche Vorteil bei der Nutzung dieses Phänomens gegenüber der elektrochemischen Wasserstoff-Erzeugung ist, dass keinerlei komplizierte und teure Elektrolyse-Apparaturen notwendig sind. Allerdings sind große H₂-Mengen so kaum produzierbar.

Es gibt noch einen weiteren Weg, Wasserstoff von Bakterien erzeugen zu lassen. Er kann biochemisch kostengünstig aus Traubenzucker gewonnen werden. Dabei werden nicht mehr die Mikroorganismen selber, sondern nur noch deren Enzyme verwendet. Die Enzyme stammen aus Archaebakterien, die beispielsweise in glimmenden Kohlehalden oder Tiefsee-Vulkanen vorkommen. Bei Temperaturen von etwa 60 °C reagieren die Enzyme in der Traubenzucker-Lösung schnell genug, so dass sich keine schmarotzenden Bakterien breit machen können, dafür aber Wasserstoff entsteht.

Beide Methoden sind zwar realisierbar, haben jedoch innerhalb der letzten Jahre noch nicht den Weg aus dem Labor gefunden. Bis nennenswerte Mengen auf diese Weise produziert werden können, werden voraussichtlich noch Jahre vergehen.