Eine der großen Herausforderungen beim Abschied von fossilen Energieträgern ist die Schwankungsbreite der Bereitstellung von Energie durch erneuerbare Energieanlagen. Weht kein Wind und scheint keine Sonne, fließt auch kein elektrischer Strom.

Stürmt es an einem sonnigen Sommertag, herrscht enormer Stromüberschuss. Unter diesen Voraussetzungen wird die zuverlässige Speicherung großer Energiemengen zu einer Schlüsselfrage für eine stabile Energieversorgung der Zukunft. Die Kapazität auch von neuen Mega-Batterien begrenzt.

Als ein Ansatz zur Lösung des Problems der Energiespeicherung gilt die Umwandlung des Überschussstroms. Mit der Power-to-X-Technologie soll überschüssiger elektrischer Strom in andere Energieformen gewandelt werden, um ihn speichern zu können.

Brandenburgs Wirtschaftsminister: Wasserstoff als Chance

Neben der Speicherung als Wärme gilt die elektrische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff  (O2) als große Chance. Wasserstoff ist ein lagerfähiger, hoch potenter Energieträger.

Brandenburgs Wirtschaftsminister Jörg Steinbach, ein habilitierter Chemiker, sieht im Engagement für die Wasserstoff-Forschung und der damit verbundenen Entwicklung sowie dem Bau neuer technischer Anlagen in der Wasserstoffwirtschaft eine riesige Chance für Brandenburg und die Lausitz.

Wieso ist Wasserstoff so wichtig für die Energiewende?

Wasserstoff ist ein sehr leichtes, bei Normaltemperaturen gasförmiges, umweltverträgliches chemisches Element, dass sich indirekt zum Speichern großer Strommengen eignet.

Dabei wird bei Stromüberschuss die Elektronenergie in einem Elektrolyseur genutzt, um herkömmliches Wasser aufzuspalten in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02).

Wasserstoff lässt sich unter hohem Druck in speziellen Tanks lagern und bei Bedarf auch wieder in Elektroenergie wandeln.

Was bedeutet „grüner“ Wasserstoff?

Wasserstoff ist farb- und geruchlos. Von „grünem“ Wasserstoff spricht man, wenn das H2 aus erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenstrom hergestellt worden ist.

Im Gegensatz dazu wird Wasserstoff zur Verarbeitung in der chemischen Industrie bisher vor allem aus Kostengründen großtechnisch meist aus Erdgas gewonnen. In diesem Fall spricht man von sogenanntem „grauen“ Wasserstoff.

Der könnte in Zukunft zunehmend durch „grünen“ Wasserstoff ersetzt werden, wenn entsprechende Großanlagen verfügbar sind und der „grüne“ Wasserstoff preiswerter wird.

Wie lässt sich aus Wasserstoff elektrischer Strom erzeugen?

Dabei gibt es grundsätzlich zwei Verfahren. Eine Möglichkeit ist die kontrollierte Verbrennung des H2 in einer Dampfturbine, im Grunde wie in einem Gaskraftwerk. Allerdings ist das nicht so einfach, wie es klingt.

Weil reiner Wasserstoff beim Zusammentreffen mit Sauerstoff heftig reagiert (Knallgas), besteht akute Explosionsgefahr. Daher muss für den Betrieb von künftigen Wasserstoffkraftwerken noch viel experimentiert werden, um beispielsweise optimale Beimischungen für eine kontrollierte Verbrennung zu finden.

Auch die Brennertechnik muss dafür weiterentwickelt werden. Schon jetzt wird herkömmlichem Erdgas zusätzlicher Wasserstoff beigemischt. Der Zumischung sind bisher Grenzen gesetzt.

Was bringen Brennstoffzellen für die Energiespeicherung?

Zweite Möglichkeit, den Wasserstoff wieder in elektrischen Strom zu verwandeln, ist die Brennstoffzelle. In ihr sind Wasserstoff und Sauerstoff durch eine spezielle, durchlässige Membran getrennt, um eine Explosion zu vermeiden.

Durch Protonen-Austausch entsteht ein Elektronenüberschuss und damit eine elektrische Spannung, die Strom fließen lässt. Als Abfallprodukt entsteht auch dabei Wasser.

Welches Potenzial hat die Brennstoffzellen-Technik?

Der Brennstoffzellentechnik werden noch enorme Entwicklungsmöglichkeiten zugeschrieben. Im Brennstoffzellen-Forschungszentrum im niedersächsischen Jülich wird beispielsweise an Hochtemperatur-Brennstoffzellen geforscht.

Die Technik ist nicht nur in der Lage, Wasserstoff in elektrischen Strom zu wandeln, sondern funktioniert auch in umgekehrter Richtung und kann Wasser mit Überschussstrom in H2 und O2 spalten.

Allerdings sind die Wirkungsgrade solcher Anlagen bisher noch unbefriedigend, weil viel Energie gebraucht wird um die Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit einer Temperatur von rund 800 Grad Celsius zu betreiben.

Welches Verfahren wird im Wasserstoff-Testkraftwerk Schwarze Pumpe verwendet?

Im Industriepark Schwarze Pumpe (Spree-Neiße) soll in den kommenden Jahren ein Wasserstoff-Testkraftwerk mit einer Nennleistung von zunächst 10 Megawatt gebaut werden.

Geplant ist dort der Test beider Energie-Erzeugungssysteme. Es wird vom Partner Siemens eine spezielle Dampfturbine eingebaut. Außerdem sollen auch hintereinander-geschaltete Brennstoffzellen aus Wasserstoff Elektroenergie erzeugen.

Zusätzlich wird in Schwarze Pumpe die Verknüpfung mit einem Riesen-Batteriespeicher (Big-Battery) erprobt.

Warum baut man beispielsweise in Elektroautos nicht einfach überall Brennstoffzellen ein?

Die Brennstoffzellen-Technik ist bisher extrem teuer, weil sie meist nur manufakturähnlich in relativ kleinen Serien hergestellt wird. Die Autoindustrie setzt daher vor allem aus Kostengründen bisher auf vergleichsweise preiswerte Lithium-Ionen-Batterien aus fast automatisch produzierenden Gigafabriken in Asien.

Allerdings würde ein großindustrieller Einsatz von Brennstoffzellen bei der Fahrzeugproduktion den Preis der Zellen mutmaßlich fallen lassen. Doch den großen Fahrzeugherstellern ist diese Wette auf die Zukunft bisher wohl zu riskant.

Die Autohersteller hatten in den zurückliegenden Jahren zwei weitere große Probleme mit dem Brennstoffzellen-Antrieb. Weil Wasserstoffmoleküle sehr klein sind, diffundieren sie leicht durch die Wände eines Tanks.

Das bedeutet, dass ein Wasserstofftank aus speziellen Materialien bestehen muss, damit er sich nicht von allein leert. Zweites großes Problem war die Anwesenheit von Wasser in den Systemen, das bei der Wasserstoff-„Verbrennung“ nun einmal entsteht. Oft sind Testfahrzeuge in der Vergangenheit bei Minustemperaturen schlicht eingefroren.

Warum fährt ein Brennstoffzellen-Auto (meist) nicht mit Wasserstoff?

Es gab in der Vergangenheit zwar einige Versuche, Autos in einem speziellen Verbrennungsmotor direkt mit Wasserstoff, ähnlich wie beispielsweise mit Gas zu betreiben. Diese Tests wurden aber meist wieder eingestellt.

Brennstoffzellen-Autos sind daher in der Regel Fahrzeuge mit Elektromotor. Bei ihnen kommt die Elektroenergie aber nicht alleine aus einer Batterie, sondern wird in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff „erzeugt“.

Vorteil zur Batterie: Wasserstoff lässt sich relativ schnell nachtanken. Es werden keine langen Ladezeiten gebraucht. Nachteil: Es gibt nur wenige Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland.

Welche Möglichkeiten für die Industrie schlummern in der Wasserstoffwirtschaft?

In Brandenburg gibt es ein riesiges Überschusspotenzial an erneuerbaren Strom, der hier nicht unmittelbar verbraucht wird. Eine Potenzial-Analyse rund um das Thema Wasserstoff, die im Auftrag des Brandenburger Wirtschaftsministeriums erarbeitet worden ist, sieht große wirtschaftliche Möglichkeiten für das Land.

Das Land sei ein attraktiver Standort für den Aufbau einer Elektrolyse-Industrie. „Allein durch die Ansiedlung relevanter Hersteller, die zehn Prozent des deutschen Marktes für Elektrolyseanlagen bedienen würden, könnten der Studie zufolge bis zu 7000 hochwertige Industriearbeitsplätze in Brandenburg entstehen“, sagt Wirtschaftsminister Jörg Steinbach (SPD).

Dabei gehe es eben nicht nur um Forschung und Entwicklung, sondern auch um den praktischen Anlagenbau. Die konsequente Verfolgung einer Wasserstoffstrategie kann nach Ansicht des Ministers dem gesamten Land einen „Vorsprung Ost“ verschaffen.

Power-to-X-Technologien, die aus erneuerbaren Energien „grünen“ Wasserstoff erzeugen, können „der Schlüssel für den Erfolg der Energiewende“ sein, sagt Jörg Steinbach. Grüner Wasserstoff ermögliche die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme, Verkehr und Industrie. Und die Sektorenkopplung sei unerlässlich für den Erfolg der Energiewende und mehr Klimaschutz.

Anmerkung für Hobby-Physiker: Auch wenn in diesem Text aus Gründen der Verständlichkeit hin und wieder von „Energie-Erzeugung“ die Rede ist, gilt natürlich der allseits bekannte Energieerhaltungssatz. Danach handelt es sich in geschlossenen System um Wandlung von einer Energieform in eine andere.

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