Wasserstoff als Energieträger der Zukunft

Wasserstoff wird weltweit als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft betrachtet. Insbesondere in den Bemühungen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und zur Erreichung der Klimaziele gilt Wasserstoff als Schlüsseltechnologie. Während wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge und industrielle Anwendungen zunehmend an Bedeutung gewinnen, stellt sich die Frage, ob Wasserstoff eine realistische Alternative zu fossilen Energieträgern darstellt. Um diese Frage zu beantworten, müssen sowohl die Einsatzmöglichkeiten als auch die Herausforderungen und die gigantischen Mengen an Wasserstoff, die benötigt würden, um fossile Energien vollständig zu ersetzen, genauer betrachtet werden.

Potenzial von Wasserstoff als Energieträger

Wasserstoff hat besondere Eigenschaften, die ihn als Energieträger attraktiv machen. Er kann sowohl in der Industrie, im Verkehr als auch in der Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Der große Vorteil von Wasserstoff besteht darin, dass bei seiner Nutzung keine direkten CO₂-Emissionen entstehen. Bei der Umwandlung von Wasserstoff in Energie, zum Beispiel in einer Brennstoffzelle, wird als Abfallprodukt lediglich Wasser freigesetzt. Besonders grüner Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien hergestellt wird, gilt als klimaneutrale Alternative zu fossilen Brennstoffen.

Wasserstoff ist zudem vielseitig einsetzbar: In der Industrie könnte er fossile Brennstoffe in energieintensiven Prozessen, wie der Stahl- und Zementproduktion, ersetzen. Im Verkehrssektor bietet er sich als emissionsfreie Alternative zu Diesel und Benzin an, besonders für Nutzfahrzeuge, Schiffe und möglicherweise auch Flugzeuge. Darüber hinaus könnte Wasserstoff überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen speichern und bei Bedarf in das Stromnetz einspeisen.

Herausforderungen bei der Nutzung von Wasserstoff

Trotz dieser Vorteile gibt es einige erhebliche Herausforderungen, die die großflächige Nutzung von Wasserstoff derzeit noch einschränken. Der wichtigste Aspekt ist die Energieeffizienz. Wasserstoff wird häufig durch Elektrolyse hergestellt, ein Verfahren, bei dem Wasser unter Stromeinfluss in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dieser Prozess ist jedoch energieintensiv und führt zu erheblichen Verlusten: Nur etwa 60-70 % der eingesetzten Energie können in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Weitere Verluste entstehen bei der Rückumwandlung des Wasserstoffs in elektrische Energie, etwa in Brennstoffzellen. Im Vergleich dazu sind batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) deutlich effizienter, da sie etwa 70-90 % der eingesetzten Energie in Antriebsleistung umsetzen können.

Ein weiteres Problem stellt die Infrastruktur dar. Während für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge das Netz von Ladestationen stetig ausgebaut wird, ist die Wasserstoffinfrastruktur noch stark unterentwickelt. Der Aufbau von Wasserstofftankstellen ist teuer und erfordert erhebliche Investitionen. Außerdem muss Wasserstoff entweder komprimiert oder verflüssigt werden, um transportiert und gelagert zu werden – beides energieaufwendige Prozesse.

Auch die Wirtschaftlichkeit ist ein Thema. Derzeit ist Wasserstoff teurer als fossile Energieträger oder Strom für Elektrofahrzeuge. Dies liegt unter anderem an den hohen Produktionskosten von grünem Wasserstoff, da der Strom aus erneuerbaren Energien, der für die Elektrolyse benötigt wird, nicht in ausreichenden Mengen zu Verfügung steht.

Einsatz von Wasserstoff im Verbrennungsmotor

Neben der Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen gibt es Überlegungen, Wasserstoff in herkömmlichen Verbrennungsmotoren zu nutzen. In einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor wird der Wasserstoff ähnlich wie Benzin oder Diesel im Motor verbrannt. Auch hier entsteht als Abgas lediglich Wasser, wodurch CO₂-Emissionen vermieden werden könnten. Theoretisch wäre es möglich, die bestehende Infrastruktur für Verbrennungsmotoren teilweise weiter zu nutzen.

Allerdings hat der Wasserstoff-Verbrennungsmotor einige erhebliche Nachteile. Einer der größten ist die geringe Energieeffizienz. Verbrennungsmotoren erreichen im Vergleich zu Brennstoffzellen oder batteriebetriebenen Fahrzeugen einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad, da bei der Verbrennung viel Energie in Form von Wärme verloren geht. Zudem entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff Stickoxide (NOₓ), die gesundheitsschädlich sind und zur Luftverschmutzung beitragen. Diese Emissionen müssten durch aufwendige Abgasreinigungssysteme reduziert werden.

In der Praxis könnte der Wasserstoff-Verbrennungsmotor als Übergangslösung in bestimmten Sektoren dienen, etwa im Schwerlastverkehr oder in der Schifffahrt. Langfristig ist jedoch zu erwarten, dass der Einsatz von Brennstoffzellen und elektrischen Antrieben effizienter und umweltfreundlicher sein wird.

Welche Mengen Wasserstoff wären nötig, um fossile Brennstoffe zu ersetzen?

Die große Frage ist, welche Mengen Wasserstoff notwendig wären, um alle fossilen Energieträger weltweit zu ersetzen. Der globale Primärenergieverbrauch lag 2022 bei etwa 600 Exajoule (EJ), wovon etwa 80 % aus fossilen Brennstoffen stammten. Dies entspricht etwa 480 EJ, die ersetzt werden müssten. Wasserstoff hat eine Energiedichte von etwa 33,3 kWh pro Kilogramm. Um den globalen Energiebedarf mit Wasserstoff zu decken, wären grob geschätzt 14.000 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr erforderlich.

Diese Zahl berücksichtigt die Effizienzverluste bei der Wasserstoffproduktion und -nutzung. Vor allem im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen und direkt genutztem Strom wäre der Wasserstoffbedarf erheblich höher, da Wasserstofftechnologien im Allgemeinen energieintensiver sind.

Fazit: Ist Wasserstoff der Schlüssel zur Energiewende?

Wasserstoff hat ohne Zweifel das Potenzial, eine zentrale Rolle in der globalen Energiewende zu spielen. Besonders in Industriezweigen, die schwer zu elektrifizieren sind, und im Schwerlastverkehr könnte Wasserstoff als sauberer Energieträger die Zukunft sein. Doch um die Vision einer umfassenden Wasserstoffwirtschaft zu verwirklichen, sind gewaltige technologische Fortschritte, der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur und enorme Mengen an erneuerbaren Energien notwendig.

In vielen Bereichen wird Wasserstoff jedoch nur eine von mehreren Lösungen sein. Für den Pkw-Verkehr und die Stromerzeugung ist der direkte Einsatz von Strom aus erneuerbaren Quellen derzeit effizienter zu sein. Der Weg zu einer kohlenstofffreien Welt wird daher vermutlich durch einen Mix aus verschiedenen Technologien geprägt sein, in dem Wasserstoff eine, aber nicht die alleinige Rolle spielt.