Was die Wissenschaft zu Wasserstoff und E‑Fuels sagt

25.10.2020

Gespräch im Zentrum für Wasserstoff-Forschung (ZSW)

Wie sol­len Fahr­zeu­ge zukünf­tig ange­trie­ben wer­den, die sich weder mit Akku noch mit Ober­lei­tung mit elek­tri­scher Ener­gie ver­sor­gen las­sen? Wel­che Rol­le kön­nen Alter­na­tiv­kraft­stof­fe spie­len, die auf Basis von Strom erzeugt wer­den? Mit die­sen Fra­gen beschäf­tigt sich das Zen­trum für Son­nen­en­er­gie- und Was­ser­stoff-For­schung Baden-Würt­tem­berg (ZSW) in Stutt­gart. Gemein­sam mit mei­nem Team ließ ich mur den aktu­el­len For­schungs­stand durch Mai­ke Schmidt, Fach­ge­biets­lei­te­rin Sys­tem­ana­ly­se, erläu­tern.

Weni­ge Tage vor mei­nem Besuch in der For­schungs­ein­rich­tung erschien in der Frank­fur­ter All­ge­mei­nen ein Pro und Con­tra zu „E‑Fuels“, also syn­the­ti­schen Kraft­stof­fen. Das „Pro“ kam von der „eFu­el Alli­an­ce“. Hier wur­de auf die hohe Anzahl der im Betrieb befind­li­chen Kraft­fahr­zeu­ge aller Art ver­wie­sen, die noch über lan­ge Zeit mit Ver­bren­nungs­mo­tor unter­wegs sei­en. Die­se Tech­no­lo­gie kön­ne und brau­che auch nicht voll­stän­dig ersetzt zu wer­den, da man ja Alter­na­tiv­kraft­stof­fe ein­set­zen kön­ne. Deren Pro­duk­ti­on kön­ne „in son­nen- und wind­rei­chen Regio­nen“ erfol­gen, so dass erneu­er­bar erzeug­ter Strom ein­ge­setzt wür­de. Dass gro­ße Strom­men­gen benö­tigt wür­den und die Umwand­lung mit hohen Ver­lus­ten ver­bun­den ist wur­de zumin­dest indi­rekt ein­ge­räumt. Wür­den die E‑Fuels aus Län­dern stam­men, in denen „hohe Men­gen kli­ma­neu­tral erzeug­ten Stroms zur Ver­fü­gung ste­hen“, lägen mit E‑Fuels betrie­be­ne Fahr­zeu­ge in etwa gleich­auf mit bat­te­rie­be­trie­be­nen Fahr­zeu­gen, die mit Grün­strom aus Deutsch­land fah­ren. Ver­wie­sen wird dar­auf, dass gro­ße Nach­fra­ge­men­gen nach E‑Fuels posi­ti­ve Ska­len­ef­fek­te aus­lö­sen und deren Kos­ten dann sin­ken wür­den. Der Liter kön­ne im Jahr 2050 bei 1,38 bis 2,17 Euro lie­gen (inkl. der heu­ti­gen Steu­ern und Abga­ben). Die Con­tra-Posi­ti­on kam von Green­peace. Die Umwelt­or­ga­ni­sa­ti­on ver­wies dar­auf, dass die benö­tig­te Men­ge an Grün­strom illu­so­risch und die Her­stel­lung von E‑Fuels inef­fi­zi­ent sei. Wür­de ein bat­te­rie­elek­tri­sches Auto für 100 Kilo­me­ter etwa 15 Kilo­watt­stun­den Strom benö­ti­gen, müss­ten für die ver­gleich­ba­re Tank­fül­lung an E‑Fuels 103 Kilo­watt­stun­den, also sechs­mal so viel Strom, ein­ge­setzt wer­den.[1] E‑Fuels sei­en daher über­wie­gend nur für den Flug­ver­kehr sinn­voll, da hier kei­ne Akkus in Fra­ge kämen.

Wenn auch der Streit tobt, wo E‑Fuels zum Ein­satz kom­men sol­len, ist klar, dass wir die­sen alter­na­ti­ven Kraft­stoff benö­ti­gen. Sel­bi­ges gilt für Was­ser­stoff, das bei­spiels­wei­se für Indus­trie­pro­zes­se ver­stärkt zum Ein­satz kom­men muss. So kann Was­ser­stoff die Feue­rung von Hoch­öfen mit­tels Koh­le ablö­sen.

Beim Fraun­ho­fer-Insti­tut ver­weist man dar­auf, dass gera­de rege­ne­ra­tiv erzeug­ter Strom nicht zu jeder Zeit in der benö­tig­ten Men­ge zur Ver­fü­gung steht und er daher spei­cher­fä­hig gemacht wer­den müs­se. Dafür käme ein che­mi­scher Ener­gie­trä­ger wie gas­för­mi­ger Was­ser­stoff in Fra­ge. Dies geschieht meist über die Elek­tro­ly­se. Dabei wird elek­tri­sche Ener­gie in Was­ser ein­ge­lei­tet und in sei­ne bei­den gas­för­mi­gen Bestand­tei­le Was­ser­stoff (H) und Sauer­stoff (O) auf­ge­spal­tet. Bei­de Gase wer­den sepa­rat auf­ge­fan­gen und gerei­nigt. Der Was­ser­stoff kann ent­we­der in die­ser Form unmit­tel­bar als Ener­gie­trä­ger genutzt oder aber unter Zuga­be eines Koh­len­stoff­trä­gers (z. B. Koh­len­di­xid) in einen C‑basierten Grund­stoff bzw. Ener­gie­trä­ger umge­wan­delt wer­den. Dabei ent­steht zunächst Methan. In wei­te­ren Schrit­ten kön­nen Flüs­sig­ener­gie­trä­ger wie E‑Fuels her­ge­stellt wer­den. E‑Fuels kön­nen jedoch auch direkt – ohne den Umweg über Methan – aus Was­ser­stoff her­ge­stellt wer­den.

Im ZSW, das sowohl Grund­la­gen- als auch anwen­dungs­ori­en­tier­te Ent­wick­lun­gen betreibt, wird all dies erforscht. Wir erfuh­ren im Gespräch, dass es nir­gend­wo auf der Welt so vie­le „P2x-Pro­jek­te“ (aus Strom einen ande­ren Ener­gie­trä­ger gewin­nen) gibt wie in Deutsch­land. Hier sei­en es etwa 30 sol­cher Pilot­pro­jek­te, die aller­dings alle man­gels Wirt­schaft­lich­keit nach Aus­lau­fen der För­der­pha­se wie­der ein­ge­stellt wer­den. Man gehe davon aus, dass über die Elek­tro­ly­se bei 8.000 Betriebs­stun­den pro Jahr, was erneu­er­bar nur mit grund­last­fä­hi­ger Was­ser­kraft mög­lich ist, sich im opti­mals­ten Fall unter Rea­li­sie­rung aller tech­ni­schen Hebel zur Kos­ten­sen­kung ein Her­stel­lungs­preis von 2,20 bis 2,50 Euro pro Kilo Was­ser­stoff errei­chen lässt.[2] Hier­zu muss ange­merkt wer­den, dass sich die Was­ser­kraft zumin­dest in Euro­pa nicht mehr wesent­lich aus­bau­en lässt. Der Ener­gie­ver­lust bei der Elek­tro­ly­se wer­de mit 20 Pro­zent ver­an­schlagt und las­se sich durch tech­no­lo­gi­sche Wei­ter­ent­wick­lung nur noch rela­tiv wenig ver­rin­gern. Wenn der Was­ser­stoff zu E‑Fuels wei­ter­ent­wi­ckelt wird, stei­ge der Ver­lust auf 40 Pro­zent. Mit dem Ver­bren­nen der E‑Fuels in Ver­bren­nungs­mo­to­ren, deren Wir­kungs­grad bei weit unter 50 Pro­zent liegt, stei­ge der „Ener­gie­ver­lust“ wei­ter deut­lich an. Es wer­de also eine sehr gro­ße Men­ge an Strom benö­tigt.

Fazit: Was­ser­stoff und noch mehr die E‑Fuels kom­men nicht für alle Anwen­dun­gen in Fra­ge, son­dern nur dort, wo kei­ne Ober­lei­tung und kei­ne Akku­mu­la­to­ren als Ener­gie­quel­le in Fra­ge kom­men. Auch das ZSW bestä­tigt, dass die direkt­mög­li­che Strom­ver­wen­dung, bspw. über Akkus, am effi­zi­en­tes­ten ist.

[1] Das ZSW bestä­tig­te im Gespräch die­sen Wert.

[2] Der Ener­gie­ge­halt von Was­ser­stoff ist etwa drei­mal so hoch wie der von Die­sel oder Ben­zin.

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