Welt im Wandel: Energiewende zur Nachhaltigkeit - WBGU

ewährte Technologien der Erdgasinfrastruktur zur
Verfügung.Wegen der geringeren Energiedichte von
Wasserstoff liegen die Speicherkosten etwa doppelt
so hoch wie für Erdgas. Angesichts ihres geringen
Anteils an den Gesamtkosten wirkt sich dies aber
insgesamt nur gering aus. Für den mobilen Einsatz
sind neben der Verflüssigung – die allerdings rund
ein Drittel des Energieinhalts des Wasserstoffs benötigt
– insbesondere Verbundstoffhochdruckbehälter
mit bis zu 700 bar Druck von Interesse. Der für den
mobilen Einsatz von Wasserstoff deutlich höher
anzusetzende Speicheraufwand im Vergleich zu Benzin
und Diesel, wird neben den höheren spezifischen
Kraftstoffkosten den Trend zu deutlich sparsameren
Fahrzeugen stark unterstützen.
Bei der Bewertung der zur Nutzung von Wasserstoff
notwendigen Infrastruktur muss berücksichtigt
werden, dass Wasserstoffherstellung und -nutzung
eng mit der Stromversorgung verknüpft sein werden,
weil Elektrolyseure dezentral und angepasst an Verbrauchsschwerpunkte
(z. B. Blockheizkraftwerke mit
Nahwärmenetzen, Tankstellen, Industriebetriebe)
angeordnet werden können. Zudem liegt ein großer
Vorteil von Wasserstoff als Energieträger darin, dass
auch die vorhandene Erdgasinfrastruktur für Transport
und Verteilung genutzt werden kann. Für den
Betrieb reiner Wasserstoffnetze liegen schon langjährige
Erfahrungen vor. Insgesamt sind auf der
Basis der gut ausgebauten Erdgasinfrastruktur günstige
Voraussetzungen für einen langfristig angelegten
kontinuierlichen Übergang zu Wasserstoff als
Energieträger für die stationäre Nutzung gegeben.
Für den längerfristig erforderlichen Ferntransport
von Energie über mehrere 1.000 km steht mit der
Hochspannungsgleichstromübertragung eine bewährte
Technologie zur Verfügung. Erst mit der
großskaligen Etablierung einer regenerativen Wasserstoffwirtschaft,
in der dann sehr große Energiemengen
transportiert würden, wäre ein Pipelinetransport
erforderlich und wirtschaftlich attraktiv. Eine
typische Pipeline, z. B. aus Nordafrika, hätte bei
einem Durchmesser von 1,6–1,8 m eine Leistung von
etwa 23 GW H 2, womit rund 10% des derzeitigen
Endenergiebedarfs Deutschlands bereitgestellt werden
könnten (Nitsch, 2002). Die Transportkosten
belaufen sich bei diesen Abmessungen und einer
Transportentfernung von 3.000 km auf ca. 1,5 €-Cent
pro kWh H 2 (Winter und Nitsch, 1989). Dieser Wert
berücksichtigt Energieverluste von 15% durch Kompression
und Transport des Gases. Eine weitere Ferntransportoption
ist der Transport verflüssigten Wasserstoffs
in Tankschiffen. Während der Tankertransport
selbst sehr kostengünstig ist und dabei nur
geringe Verluste auftreten, sind für die Verflüssigung
von Wasserstoff bei -253 °C rund 10 kWh Strom pro
Energieverteilung, -transport und -speicherung 3.4
kg H 2 notwendig. Der Gesamtsystemwirkungsgrad
von etwa 75% für gasförmigen Wasserstoff sinkt
damit für flüssigen Wasserstoff auf rund 60%. Falls
Wasserstoff jedoch in flüssiger Form genutzt werden
soll (z. B. als Treibstoff), sind die großtechnische Verflüssigung
und der Tankertransport dennoch eine
interessante Option.
3.4.4.4
Nutzung von Wasserstoff
Wasserstoff ist in seinen Nutzungsmöglichkeiten
dem Erdgas sehr ähnlich. Alle gängigen Energiewandler
(Flammenbrenner für Heizungen, Industrieund
Kraftwerkskessel und zum Antrieb von Turbinen;
Verbrennung in Motoren) können nach moderaten
Anpassungen auch mit Wasserstoff bzw. wasserstoffreichen
Gasgemischen betrieben werden.
Auch die Verbrennung von Wasserstoff in Motoren
ist Stand der Technik mit dem Benzinbetrieb vergleichbaren
Wirkungsgraden. Die als Schadstoffe
einzig entstehenden Stickoxide können durch Optimierung
des Verbrennungsvorgangs sehr niedrig
gehalten werden (Kap. 3.4.4.5). Sowohl im stationären
(Motoren-BHKW) als auch im mobilen Einsatz
würde Wasserstoff, selbst beim ausschließlichen Einsatz
„konventioneller“ Nutzungstechniken, die Probleme
der lokalen Schadstoffemissionen weitgehend
beseitigen, da im Abgas weder Kohlenmonoxid,
Schwefeldioxid, Kohlenwasserstoffe, Bleiverbindungen
noch Rußpartikel enthalten sind. Auch die reine
H 2 /O 2 -Verbrennung ist von Interesse, bei der direkt
(d. h. ohne Wärmetauscher) Heißdampf entsteht, der
unter Zumischung von weiterem Wasser konditioniert
werden kann. Diese Technologie ist für die
Bereitstellung von Prozessdampf in der Industrie
und zur Erzeugung von Spitzenlaststrom geeignet.
Wasserstoff kann aber auch mit Techniken genutzt
werden, die für Kohlenwasserstoffe weniger gut
geeignet sind oder deren vorherige Reformierung
erforderlich machen. Das bekannteste Verfahren ist
die Brennstoffzellentechnologie. Daneben ist jedoch
auch die katalytische Verbrennung zu nennen, die bei
Temperaturen unter 500 °C abläuft und nur noch
minimale NO X-Emissionen aufweist. Sie erlaubt die
Konstruktion offener katalysatorbelegter Heizflächen
z. B. für Raumheizung mit „Nullemission“.
Die Brennstoffzelle ist ein wichtiger Baustein
einer auf regenerativen Wasserstoff gestützten Energiewirtschaft,
da sie Wasserstoff direkt, effizient und
emissionsfrei in Strom und Nutzwärme wandeln
kann. Brennstoffzellen sind im Leistungsbereich
weniger Watt (portable Systeme) über Anlagen im
kW-Bereich (kleine und mittelgroße Blockheizkraftwerke)
bis mehreren MW (Heizkraftwerke) als
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