Chancen und Risiken von Wasserstofftechnologien

Exposé Écrit pour un Séminaire / Cours , 2000 , 15 Pages

Technologie

Inhaltsverzeichnis

1. Wasser - der Stoff aus dem die Träume sind?
1.1. Was ist Wasserstoff und wofür wird er derzeit verwendet?
1.2. Wie wird Wasserstoff hergestellt und gespeichert?
1.3. Chancen und Probleme der Nutzung von Wasserstoff und die Nutzung in Brennstoffzellen
1.4. Neue Forschungs - und Investitionsfelder

2. Ist-Zustand in Hamburg 2000 - Untersuchung der Problemfelder:
2.1. Energiepolitik/mix
2.2. Transport und Verkehr
2.3. Kosten der Alternativen für den Bereich PKW

3. Möglichkeiten und Chancen für die nächsten 10 Jahre
3.1. Bereich: Wirtschaft
3.1.1. Hamburg als Innovationszentrum
3.1.2. Auswirkungen eines Technologietransfers
3.1.3. Neue Arbeitsmärkte und Impulse einer Wasserstoffinfrastruktur
3.2. Bereich: Politik und Ökologie Verbesserte Lebensqualität für den Standort Hamburg
3.3. Bereich: Forschung und Industrie
3.3.1. Forschungsgelder von Bund und Industrie
3.3.2. In welchen Bereichen wird Wasserstoff das Rennen machen?

4. Es gibt viel zu tun - packen wir es an?

5. Anhang - Datenblätter vom Statistischen Bundesamt

Einleitung

1. Wasser - der Stoff aus dem die Träume sind?

„ Wasser ist die Kohle der Zukunft “ - Leonardo da Vinci (16. Jahrhundert)

Werden wir eines Tages saubere Stadtluft atmen, Energie im Überfluss herstellen können und Schornsteine als Relikte belächeln? Vielleicht stehen die Chancen hierfür gar nicht schlecht. Meine Arbeit widmet sich dieser Frage. Wie stehen die Chancen und Risiken in den nächsten Jahren für die Industrienationen, insbesondere Deutschland, den Weg in eine Wirtschaft und Gesellschaft zu gehen, die sich auf die Wasserstofftechnologie stützt?

Die Menschheit braucht neue Energieträger - sowohl unter ökologischen als auch unter ökonomischen Gesichtspunkten. Bei der Suche nach dem Hauptenergieträger der Zukunft gerät seit einigen Jahren ein Element immer mehr in den Blickpunkt: Wasserstoff. Wissenschaftler gehen davon aus, dass dieses Gas die begrenzt verfügbaren fossilen Brennstoffe nicht nur ergänzen, sondern eines Tages vollständig ersetzen kann.¹

1.1. Was ist Wasserstoff und wofür wird er derzeit verwendet?

Henry Cavendish staunte nicht schlecht, als er vor 200 Jahren das entscheidende Experiment machte: Wasserstoffgas verbrannte mit Luft zu gewöhnlichem Wasser. Die einfache Reaktion setzte Energie frei. Das „Knallgas“ war entdeckt. Erst 1830 entdeckte der britische Naturwissenschaftler Sir William Grove, dass bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter bestimmten Versuchsbedingungen elektrischer Strom fließt, eine Entdeckung, die erst im Weltraum und in der Tiefsee zu Ehren kam¹.

Die Apollo-Raumkapseln der NASA bezogen ihre elektrische Energie aus Brennstoffzellen, e- benso wie die heutigen U-Boote der US-Navy.

Wasserstoff existiert in der Natur nicht in reiner Form, dafür jedoch in vielfältigen Kombinatio- nen: zum Beispiel als Kohlenhydrat, Kohlenwasserstoff, Erdgas oder Wasser. Grundsätzlich ist es kein Problem, diese Verbindungen zu lösen."Wasserstoff hat gegenüber Kohle, Erdöl und Erdgas entscheidende Vorteile", betonte Carl-Jochen Winter, stellvertretender Vorstandsvorsit- zender des Forums für Zukunftsenergien in Bonn bereits vor vier Jahren. Vor allem entsteht bei der Verbrennung kein klimaschädliches Kohlendioxid. Die Krux des "neuen" Brennstoffs: Um

Wasserstoff - das häufigste Element im Universum - auf der Erde zu gewinnen, muß Wasser erst einmal mit elektrischem Strom (Elektrolyse) in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten werden.² Also, wird man sich auf den ersten Blick fragen, wo ist der Vorteil dieses relativ neuen Ansatzes zur Energiegewinnung? Diese Frage soll hier in Bezug auf den derzeitigen Stand der Technik geklärt werden und den Ballungsraum Hamburg und seine Industrie- und Energiepolitik dabei berücksichtigen, da hierüber ausreichend Material zur Verfügung stand.

Wasserstoff, ein sauberer Energieträger

Durch Elektrolyse, z.B. mit Strom aus photovoltaischen Zellen, lässt sich Wasser auftrennen in Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff entweicht in die Luft, der Wasserstoff wird gespei- chert. Kommt der Wasserstoff wieder mit dem Sauerstoff in der Luft in Kontakt, und wird die erforderliche Zündenergie zugeführt, so "verbrennt" er zu Wasser und gibt bis zu 90 % der Ener- gie wieder ab, die vorher zur Auftrennung des Wassers nötig war - der Kreislauf des erneuerbaren Energieträgers Wasserstoff ist geschlossen. Bei seiner Verbrennung entsteht abgesehen von Wasser in Form von Wasserdampf nur noch eine sehr kleine Menge Stickoxyd.³ Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxyde und Kohlenmonoxyd bilden sich dagegen nicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wird nicht einmal Kohlendioxyd (CO2) frei, welches sonst bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht (auch in Katalysator-Autos) und welches im wesentlichen für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Um Wasserstoff mit fossilen Gasen vergleichen zu können, ist die nachfolgende Tabelle sehr hilfreich:⁴

Brenntechnische Daten für Wasserstoff, Methan und Propan

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie wird Wasserstoff hergestellt und gespeichert?

Prinzipiell ist die Produktion von Wasserstoff kein Problem: Weltweit werden derzeit etwa 50 Millionen Tonnen als Grundstoff für die chemische und petrochemische Industrie produziert - zum größten Teil als Nebenprodukt, etwa bei der Rohölraffinierung und bei der PVC- Herstellung. In der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Dieses Verfahren benötigt jedoch viel Energie. Nach Expertenrechnung müssen rund 10 % der eingesetzten Energie für den Spaltungsprozess selbst aufgewendet werden.

Da für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff Energie aufgebracht werden muss, erscheint die Technologie auf den ersten Blick als fragwürdig. Um Energie zu erzeugen, ist also erst einmal Energie notwendig. Es ist jedoch so, dass jede Art von Energieerzeugung erheb- liche Anfangsinvestitionen erfordert. Abbau und Förderung von Kohle, Gas, Erdöl und Uran sind seit Jahren für Umweltschäden und hohe Kosten für die Gemeinschaft verantwortlich. Nicht zu- letzt sind alle Verfahren auch energieintensiv. Also richtet sich der Blick auf Energiequellen, die mehrere Kriterien für die Elekrolyse erfüllen: Sie sollten erneuerbar sein (emissionsarm), sie soll- ten relativ konstant zur Verfügung stehen, und sie sollten kostengünstig sein, um die Energiebilanz zu optimieren.

Aus heutiger Sicht erscheint auf absehbare Zeit nur ein großtechnisches Verfahren realisierbar, um Wasserstoff zu gewinnen¹: die elektrolytische Spaltung von Wasser in seine gasförmigen Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Moderne Elektrolyseverfahren haben einen Wirkungs- grad von rund 80 %. Der Energieverlust bei diesem Verfahren relativiert sich durch andere Vorteile: Wasserstoff eignet sich hervorragend als Speichermedium für elektrische Energie. Strom, beispielsweise auf einer Nordseeinsel oder in ausgedehnten Küstenregionen aus Wind- kraft (oder Solarenergie) erzeugt, könnte mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugen. Dieser ließe sich an jeden beliebigen Ort transportieren, um dort in einer Brennstoffzelle wieder in elektrische Energie, Wärme und Wasser umgewandelt zu werden. In Island soll zum Beispiel eine Elektroly- sefabrik neben einem Wasser- oder Geothermiekraftwerk entstehen, um vor Ort Wasserstoff zu produzieren. Entsprechende Ideen gab es bereits in der Vergangenheit. Einmal sollte Wasserkraft in der kanadischen Provinz Quebec, ein anderes Mal Sonnenenergie in der Sahara die Produktion von Wasserstoff antreiben. Mit Tankschiffen wollte man ihn dann in alle Welt transportieren. Damit würde sich der Kreislauf sinnvoll schließen, der entscheidende Faktor ist am Ende die E- nergiebilanz.

Was sind Brennstoffzellen?

Brennstoffzellen können die Energie des Erdgases oder Wasserstoffs bis zu 90 % in Strom und nutzbare Wärme verwandeln. Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle durch elektrochemische Umsetzung mit Luft direkt in elektrischen Strom und Wärme umgewandelt. Hierbei wird die Stickoxid-Bildung auf chemische Art prinzipiell vermieden. Die Geschwindigkeit der Umsetzung ("kalte Verbrennung") wird durch die Stromentnahme des Verbrauchers bestimmt.² In Hamburg betreibt der Energieversorger HEW zusammen mit den Gaswerken zwei Brennstoffzellen, die die umliegenden Häuserblocks mit Strom und Wärme versorgen. Ein Aggregat läuft seit vier Jahren mit Erdgas, das zweite seit rund 18 Monaten mit Wasserstoff. Technisch ist die Brennstoffzelle kaum noch ein Problem. Wirtschaftlich aber um so mehr, denn mit den herkömmlichen Aggregaten kann sie noch nicht mithalten.

Das tut dem Optimismus der Hersteller keinen Abbruch. Bereits in eineinhalb Jahren will die US- Firma Plug Power Brennstoffzellen für Einfamilienhäuser auf den Markt bringen. Das Aggregat soll umgerechnet zwischen 13 000 und 17 000 DM kosten, bei Massenproduktion erwartet der Hersteller Preise um 6500 DM.¹

Typen von Brennstoffzellen

Es gibt diverse Typen von Brennstoffzellen. Unterschieden werden sie nach der Art des Elektro- lyten in phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC), in Brennstoffzellen mit Protonenaustauscher- Membran (PEMFC), in Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) und in keramische Festoxid- Brennstoffzellen (SOFC). Brennstoffzellen mit alkalischen Elektrolyten, wie sie früher in der Raumfahrt eingesetzt wurden, haben keine Bedeutung mehr (CO2-Empfindlichkeit, komplizierter Kreislauf). Bei den PEM-Brennstoffzellen besteht der Elektrolyt aus einer 50 - 200 mm dicken Polymermembran, die beispielsweise aus einem Fluorpolymer mit Sulfonsäuregruppen (SO3H) besteht.²

Speichermöglichkeiten

Damit Wasserstoff als Energieträger, besonders als Treibstoff für Fahrzeuge, eingesetzt werden kann, muss man ihn wirksam (mit möglichst hoher Dichte und ggfs möglichst hoher Kälte) und sicher (möglichst geringer Überdruck) im Tank speichern können. Hier einige Möglichkeiten:

In Druckgasflaschen

Die gasförmige Speicherung in Druckgasflaschen: Je höher der Druck im Wasserstofftank ist, desto höher ist auch die Speicherdichte. In handelsüblichen Druckgasflaschen beträgt der Über- druck 200 Atmosphären. Dies stellt ein gewisses Sicherheitsrisiko dar, Wasserstoffbehälter können bei einem Zusammenstoß beschädigt werden und infolge des hohen Drucks explodieren.

In flüssiger Form

Die Speicherung in flüssiger Form: Hierzu muss der Wasserstoff auf eine Temperatur von - 253°C abgekühlt werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die thermische Isolation des Tanks. Zur Verflüssigung ist außerdem ein Energieaufwand von 36 kJ/g erforderlich welche etwa einem Drittel der im Wasserstoff gespeicherten Energie entspricht und somit nicht praktikabel ist.

In Metallen

Es gibt Metalle, welche große Mengen Wasserstoff sozusagen wie ein Schwamm "aufsaugen" und so speichern und wieder abgeben können. Der Wasserstoff kann so in einer noch höheren Dichte als im flüssigen Zustand gespeichert werden. Solche Verbindungen werden Metallhydride genannt. Der Wasserstoff lässt sich, trotz der hohen Speicherdichte im Metallhydrid, unter nied- rigem Druck beladen und entnehmen. Die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden ist von allen Varianten bei weitem die sicherste, aber derzeit ist sie noch sehr teuer. Für Aufsehen sorgte ein US-Forscher der North-Eastern-University in Boston. Er behauptete, einen Speicher entwi- ckelt zu haben, dessen Kohlenstoff-Fasern Wasserstoff bis zum Dreifachen ihres eigenen Gewichts aufnehmen könnten. Bewiesen ist diese These bisher allerdings nicht.³

1.2. Chancen und Probleme der Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen

Damit eine wirtschaftliche und effiziente Nutzung der Wasserstoffenergie gewährleistet werden kann, müssen noch unzählige Probleme gelöst werden. Betrachten wir hier nur einige Bereiche.

Dezentrale Energieversorgung in Häusern mit Wasserstoff, Brennstoffzellen und erneuerbaren Energien

Am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme wurde über Jahre das Konzept des "energieautarken Solarhauses 2000" entwickelt und zwischen September 1991 und Oktober 1992 in Freiburg realisiert. Berücksichtigt wurden Solararchitektur, thermische Solarkollektoren, transparente Wärmedämmung, Photovoltaik, Batteriespeicherung, Wasserstoffspeicherung sowie Stromund Wasserstoff-Anwendungstechnologien. In der ersten mehrjährigen Betriebsphase wurde der gesamte Energiebedarf aus Solarstrahlung gedeckt ohne jegliche Verbindung nach außen bzw. ohne Versorgung von außen¹. Nach Erkenntnissen aus den letzten Jahren, ist es sogar möglich, Gebäude mit einer Schicht zu bedampfen , die wie eine Solarzelle funktioniert. Die Kosten werden hierbei weit unter den bisherigen Lösungen liegen.

Neues beim PKW

Dieses Jahr will BMW anlässlich der EXPO 2000 ein Wasserstoff getriebenes Auto vorstellen. Die "Clear-Energy-Modelle" basieren auf der 7er Reihe und werden neben einem Wasserstoff- Verbrennungsmotor auch mit einer Brennstoffzellen-Batterie ausgestattet. Die Brennstoffzellen- Einheit ist nicht größer als eine normale Batterie. In ihr wird durch Oxidation von Wasserstoff und Luftsauerstoff Strom erzeugt. Auch was die Sicherheit angeht, soll es nach Angaben des bayerischen Fahrzeugherstellers keinen Grund zur Sorge geben. Die Wasserstoff-Zelle soll im Einsatz genauso ungefährlich sein wie eine normale Batterie. Trotz des hohen Wirkungsgrades dieser Brennstoffzellen setzt BMW beim Antrieb weiterhin auf Verbrennungsmotoren. Diese könnten jedoch in Zukunft Wasserstoff statt Benzin verbrennen, wie es in den Sondermodellen zur Expo bereits der Fall ist.²

Umweltvorteile der Verbrennung

Bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen entste- hen bei geeigneter Verbrennungsführung nur sehr geringe bis vernachlässigbare Emissionen. Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen können, wenn überhaupt, nur in Spuren durch die Verbrennung von Motorenöl im Brennraum von Verbrennungsmotoren entstehen. Die Stickoxidemissionen nehmen exponentiell mit der Verbrennungstemperatur zu. Daher lassen sie sich durch geeignete Motorentechnik beeinflussen. Partikel- und Schwefelemissionen werden bis auf kleine Reste aus den Schmierstoffen der Maschienen vollständig vermieden. Beim Einsatz von Wasserstoff in Brennstoffzellenantrieben mit Niedertemperaturbrennstoffzellen (Membran- brennstoffzellen: PEMFC) werden alle Schadstoffemissionen vollständig vermieden. Es entsteht als Reaktionsprodukt bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Luftsauerstoff nur mineralar- mes Wasser.³

1.3. Neue Forschungs - und Investitionsfelder

Verschiedene Wasserstofftechnologien sind teilweise seit Jahrzehnten im Einsatz und erprobt. Vor diesem Hintergrund etablierten sich einige großtechnische Verfahren zur Wasserstofferzeugung aus fossilen Energieträgern oder aus Wasser. Dies sind die Dampfre- formierung von Wasserstoff aus Erdgas, die partielle Oxidation von Wasserstoff aus Schweröl oder Kohle, die Chloralkalielektrolyse und die Niederdruckwasserelektrolyse. Eine kleine Fahrzeugflotte von 10 Fahrzeugen mit Verbrennungsmotorischen PKW-Antrieben und Metallhydridspeicherung war von 1984-1988 in Betrieb (Daimler-Benz in Berlin). Prototyp- fahrzeuge mit LH2-Speicherung und PKW-Verbrennungsmotor sind seit 15 Jahren in Erprobung (BMW). Mazda erprobt seit den 80er Jahren Fahrzeuge mit Wankelmotor und Metallhydridspei- cherung. Nutzfahrzeugantriebe mit Verbrennungsmotor und mit Brennstoffzelle gehen momentan in die Prototypentwicklung und -erprobung.

Ebenfalls gibt es Aktivitäten zur direkten Wasserstofferzeugung aus Biomasse. Doch sind in den nächsten Jahren auch serienreife Autos auf den Straßen zu erwarten? Byron McCormick, zusam- men mit Dr. Erhard Schubert Chef des Global Alternative Propulsion Center von General Motors, sagte, Brennstoffzellen seien im Jahr 2004 produktionsreif, es seien jedoch noch größere An- strengungen im Bereich der Tankstellen und der Infrastruktur notwendig. Er unterstrich, dass GM Brennstoffzellen-Fahrzeuge in Großserien produzieren wolle. Neben Brennstoffzellen zur Wasserstoffverstromung wird derzeit bei der HEW am Einsatz von Gastur- binen, einem BHKW mit Verbrennungsmotor und einem H2/O2 Dampfgenerator zur Stromerzeugung gearbeitet.¹

2. Ist-Zustand in Hamburg 2000

Ich habe den Großstadtbereich Hamburg als Zentrum meiner Betrachtung gewählt, um zum einen den Umfang der Hausarbeit einzugrenzen, und um zum anderen am Beispiel der Hansestadt zei- gen zu können, welche Möglichkeiten eine Zusammenarbeit aus Energiepolitik, Transportwesen und Forschung bieten kann. Um den Status quo in Hamburg zu umreißen, will ich den Stand in diesen Themenbereichen betrachten. Die Grundlage hierfür liegt in Vereinbarungen der letzten Klimakonferenz im Jahre 1999.

Die deutsche Wirtschaft hatte sich dort bereiterklärt, den Kohlendioxidausstoß bis zum Jahre 2005 um 20 % gegenüber 1990 zu vermindern. Die Klima-Enquetekommission riet außerdem, den fossilen Energiebedarf bis 2020 zu halbieren. Bis 2050 soll er sogar auf ein Viertel gedrosselt werden, um die Erwärmung des Weltklimas zu bremsen. Der Anteil regenerativer, klimaneutraler Energien an der Energieversorgung beträgt heute erst rund fünf Prozent. 90 % hiervon entfallen wiederum auf die Wasserkraft. Wollte man auf Kernenergie verzichten, müsste Deutschland fast die Hälfte des Bedarfs importieren, in Form von Strom oder Wasserstoff. Für den Transport des Energieträgers ließe sich nach den Beschlüssen das Pipeline-Netz für Erdgas nutzen. Bis es so- weit ist, müssen jedoch erst einmal grundlegende Entscheidungen gefällt werden.

Untersuchung der Problemfelder:

2.1. Energiepolitik/mix

Seit der Strommarkt Anfang 1999 geöffnet wurde, hat eine Preisspirale nach unten eingesetzt.

Strom wurde plötzlich zu einem handelbaren Gut, das vorher nur von Großabnehmern günstiger bezogen werden konnte. Es kann jetzt in Hamburg Strom aus Bayern bezogen werden, der aus Wasserkraft erzeugt wird, und man kann Sonderkonditionen zu Kampfpreisen erhalten, die je- doch aus dem regulären Mix aus Kernkraft, Kohle und Gas entstammen. Wie mit jedem Wirtschaftsgut heißt es hier jedoch auch nicht immer, dass billig auch gleich gut ist. In einem Klima, das vom Abschied von der Kernkraft geprägt ist, und in welchem langsam ein Umdenken in der Bevölkerung einsetzt, halte ich es für bedenklich, dass Strom nach Preiskriterien, und nicht nach Energiebilanz-Kriterien bewertet werden soll. Es gibt jedoch auch in der Stadt Hamburg Anlass zur Hoffnung. So haben zum Beispiel die Deutsche Shell AG und die Hamburgische E- lektrizitäts-Werke AG¹ eine Zusammenarbeit zur Erschließung des Strommarktes für Industrie- und Gewerbekunden beschlossen. Zur Kostensenkung hat die Deutsche Shell den eigenen Strom- einkauf vor einem Jahr gebündelt und bezieht bundesweit derzeit schon den größten Teil ihres Stroms von der HEW. Shell und HEW können zudem auf den positiven Erfahrungen aufbauen, die sie als Kooperationspartner auf dem Stromsektor bereits gesammelt haben. So bieten Shell und HEW seit knapp einem Jahr ausschließlich aus regenerativen Energiequellen erzeugten "grü- nen" Strom an, der unter der Marke "newpower" in Hamburg vertrieben wird.

2.2. Transport und Verkehr

„ Wer Wasserstoff tankt, den lassen die hohen Spritpreise kalt “ ist die Bilanz eines Symposions der Hamburger Handelskammer² mit dem Titel:

Das umweltfreundliche "Auto der Zukunft" fährt ohne Schadstoffe³

Wenn die Benzinpreise nach oben klettern, stört das Wolfgang Fürwentsches herzlich wenig. Denn die Mitarbeiter des Hermes-Versand-Service in Hamburg fahren auf ihren Kurierdiensten seit etwa einem Jahr mit einem Transporter, der statt mit Benzin oder Diesel mit Wasserstoff be- trieben wird. Die mineralölsteuerfreien Preise für das häufigste Element im Universum bleiben stabil, obwohl Wasserstoff heute noch immer teurer ist als Benzin. "Das wird sich aber ändern", prognostizierte Hermes-Geschäftsführer Fürwentsches auf dem "Wasserstoff-Symposion" der Handelskammer Hamburg, "wenn sich diese Autos auf dem Markt erst durchgesetzt haben." Wie wir an diesem Beispiel sehen, setzen sich neue Technologien dann am Markt schnell durch, wenn sie einen Image- und Kostenvorteil versprechen. Daher sind gerade im Automobilbau, dem größten industriellen Arbeitgeber in der BRD, strategische Allianzen von zentraler Bedeutung. Die Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie (VES), eine gemeinsame Initiative der Automobil- unternehmen BMW, DaimlerChrysler, MAN und VW, der Energieunternehmen Aral, RWE und Shell sowie der Bundesregierung, vertreten durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, hat am 19. Januar 2000 in Berlin eine Zwischenbilanz gezogen⁴ und der Öf- fentlichkeit vorgestellt.

Ziel der „Verkehrswirtschaftlichen Energiestrategie“ ist es, sich auf einen oder maximal zwei nach technischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien geeigneten, alternativen Kraftstoffen für Personen- und Nutzfahrzeuge zu verständigen.

Dieser Kraftstoff soll

- möglichst unabhängig von Erdöl sein,
- in großem Maßstab aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt werden können,
- die Emission von Schadstoffen und CO2 in der gesamten Energiekette weiter reduzie- ren und
- für ein breites Spektrum von Antriebsystemen einsetzbar sein (z. B. Verbrennungsmo- toren, Brennstoffzellen).

Von den untersuchten Kraftstoffen sind noch drei im Rennen: Erdgas (flüssig), Methanol und Wasserstoff (flüssig). Details der bisherigen Arbeiten wurden nicht veröffentlicht. Gleichzeitig wurde die Entwicklung einer gemeinsamen Strategie für eine breite und flächendeckende Markt- einführung eines oder zweier zukünftiger Kraftstoffe sowie der dafür notwendigen politischen Rahmenbedingungen eingeleitet. DaimlerChrysler sieht als zukünftige Kraftstoffe insbesondere Methanol und Wasserstoff. Erdgas sei für Brennstoffzellenfahrzeuge weniger geeignet und ent- spreche als fossiler Kraftstoff weniger dem umweltpolitischen Ziel eines nachhaltigen Wirtschaftens. DaimlerChrysler will sich dafür einsetzen, dass die Zukunftskraftstoffe zu einem größtmöglichen Teil aus regenerativen Ressourcen hergestellt werden. Der Konzern drängt dar- auf, dass die Meinungsbildung über die bestgeeigneten Alternativkraftstoffe in diesem Sommer abgeschlossen wird.¹

VW erklärte, dass es keinen Sinn mache, kurzfristig spezielle Fahrzeugkonzepte und Infrastruktu- ren aufzubauen. Solange für die Zukunft noch nicht klar sei, ob und mit welchem Kraftstoff die Brennstoffzelle den Durchbruch zu einem wettbewerbsfähigen Produkt schaffen könne, sollten bei den strategischen Überlegungen im Rahmen der VES sowohl ein spezielles Benzin (VW nennt es Fuel Cell Gasoline) als auch Waserstoff gleichermaßen geprüft werden. Eine Zukunfts- vision von Wolfgang Fürwentsches ist es, dass auch Privatpersonen bald mit solchen Autos durch Hamburg fahren. Diese Vision kann innerhalb der nächsten vier Jahre Wirklichkeit werden. Von Anlaufschwierigkeiten berichtete aber Günter Dettweiler vom Flughafen München, wo es neben Hamburg die zweite Wasserstoff-Tankstelle gibt: "Das Material wird schneller spröde, Regler- ventile am Motor sind kaputt gegangen, die Zylinderkopfdichtungen auch."²

Obwohl die Produktion heute noch umständlich erscheint, sind sich die Experten einig: Das Auto der Zukunft wird mit Flüssigwasserstoff fahren. Das erfordert freilich eine aufwendige Isolierung von Tank und Rohrleitungen. In Zusammenarbeit mit den Kältetechnikunternehmen Messer Griesheim und Linde hat der Automobilhersteller BMW einen Wasserstoffspeicher für seine Fahrzeuge entwickelt. Ein solcher Tank ist ähnlich wie eine Thermosflasche aufgebaut. Die dop- pelten Außenwände sind durch eine drei Zentimeter dicke Hochvakuumisolation getrennt, dazwischen befinden sich 70 Lagen Aluminiumfolie im Wechsel mit Glasfibermatten. Über- schreitet der Druck im Tank einen bestimmten Wert, wird das Gas über ein Sicherheitsventil nach außen abgeführt. Etwa 120 Liter Flüssigwasserstoff faßt ein solcher Behälter. Damit kommt ein Mittelklasseauto immerhin 400 Kilometer weit. In Erlangen und München hat die Zukunft bereits begonnen: Hier verkehren Linienbusse, die der Nutzfahrzeughersteller MAN neben dem konven- tionellen Kraftstoffantrieb mit einem Wasserstoffmotor ausgerüstet hat.³ Die Umstellung auf den klimaschonenden Brennstoff steht auch der Luftfahrt bevor.

Dass Verkehrsflugzeuge mit Flüssigwasserstoff fliegen können, haben russische Flugzeugbauer 1988 mit einer Tupolew 155 bewiesen. Die Arbeiten an einem Wasserstoffflugzeug führt ein deutsch-russisches Firmenkonsortium mit dem Projekt "Cryoplane" weiter. Einen Schönheitsfehler hatte die neue Technik aber bislang: Bei der Verbrennung von Wasserstoff fallen Stickoxide an, die an der Zerstörung der Ozonschicht beteiligt sind.

Aachener Ingenieure entwickelten jedoch eine neuartige Brennkammer, in der die Stickoxidbil- dung von Wasserstofftriebwerken drastisch reduziert wird. Als entscheidend entpuppte sich eine gute Vormischung von Luft und Wasserstoff und eine rasche Verbrennung des Treibstoffs. Mit Flüssigwasserstoff soll in wenigen Jahren eine 30sitzige Do 328 den Flugbetrieb in Deutschland aufnehmen.

2.3. Kosten der Alternativen für den Bereich PKW

Meiner Einschätzung nach ist die Betrachtung für den privaten Nahverkehr interessant, da sich die Veränderungen hier in den nächsten Jahren am stärksten bemerkbar machen werden. Nach vorsichtigen Schätzungen von General Motors und BMW, könnten ab 2004 die ersten serienrei- fen PKW, die mit einer Brennstoffzelle betrieben werden, vom Band laufen. Bis dahin gilt es, nicht nur die Technik zu optimieren, sondern auch Preis- und Infrastruktur anzupassen. Derzeit gibt es in Deutschland aber nur zwei Tankstellen: eine für gasförmiges H2 in Hamburg sowie die Tankstelle in München. Das Wasserstoffgas wird in einem Elektrolyseapparat hinter dem Gebäu- de vor Ort aus Wasser erzeugt und gespeichert. Der flüssige Wasserstoff wird aus einer Fabrik in Ingolstadt angeliefert. Ein Liter kostet zwar nur 1,10 DM. Aber um so weit zu kommen wie mit einem Liter Benzin, muß der Autofahrer etwa 3,60 Mark zahlen - ohne Steuern. Das Platzproblem bekommen die Ingenieure zunehmend in den Griff. "Beim ersten Modell 1991 standen an Stelle der Rücksitze lauter Kästen", erinnerte sich Ulrich Schmidtchen, Vorstandsmit- glied des Deutschen Wasserstoffverbandes. Heute nimmt der Tank kaum noch Platz im Koffer- raum weg. Auch in puncto Sicherheit stehe das Hydrogenauto dem Benziner nicht nach, betonen die Ingenieure und verweisen auf den doppelwandigen Tank und viele Crash-Tests. Immerhin siedet Wasserstoff bei etwa minus 250 ° C und kann mit der Luft explosive Mischungen bilden.

3. Möglichkeiten und Chancen für die nächsten 10 Jahre

3.1. Bereich: Wirtschaft

Hamburgs als Innovationszentrum

Wie schon bei der Ansiedlung von Medienunternehmen der New Economy, spielt das Zusammenwirken von Politik und Wirtschaft in Hamburg bei einer neuen Energiepolitik eine entscheidende Rolle.

Bei der Eröffnung der ersten öffentlichen Wasserstoff-Tankstelle Europas setzte sich Bürgermeister Ortwin Runde in Hamburg für die energische Weiterverfolgung dieser zukunftsweisenden Technologie ein¹: "Hamburg wird die Metropole dieser Entwicklung sein, über die vor einigen Jahren womöglich noch gelächelt wurde, die heute ihren sichtbaren Fortschritt nimmt und die morgen vielleicht schon selbstverständlich sein wird."

Runde forderte parallel zur weiteren technischen Entwicklung auch eine gesellschaftswissen- schaftliche Begleitung: "Hier muß fakultätsübergreifend gearbeitet werden, um Zukunftsentwürfe zu beschreiben und ihre Folgen abschätzen zu können", sagte der Erste Bürgermeister, "und hier liegt ein neues, wichtiges und in weiten Teilen noch nicht erschlossenes Betätigungsfeld."

Damit diesen Worten auch Taten folgen, sind hier auch die Entscheidungen, die im Rahmen der Öko-Steuer geführt werden, von entscheidender Bedeutung. Jetzt müssten die Grundsteine für diese neue Energieform gelegt werden. Es gibt keine technischen Hinderungsgründe, die der so- fortigen Implementierung einer Wasserstoff-Infrastruktur für Wasserstoff-Brennstoffzellen- Fahrzeuge widersprächen. „Es ist natürlich notwendig, weitere Entwicklungsarbeiten durchzu- führen und Regelwerke zu erarbeiten, sowie andere institutionelle Aspekte zu berücksichtigen, aber grundsätzlich sind die benötigten Technologien verfügbar“, so Runde in seiner Rede. Das Energieministerium hat aus den Teilnehmern am Workshop ein Kernteam gegründet, das Konzepte bestätigen und die gemeinsamen Aktivitäten von Regierung und Industrie leiten soll, um die anstehenden Aufgaben und den Zeitplan umzusetzen. Die erste Aufgabe des Kernteams wird es sein, zu jeder der beschriebenen Aufgaben einen detaillierten Arbeitsplan zu erstellen.

3.2. Bereich: Umwelt und Ökologie Verbesserte Lebensqualität für den Standort Hamburg

Wenn man sich einen Ausblick in die nahe Zukunft gestattet, so tun sich einige erfreuliche Per- spektiven auf. So bieten Brennstoffzellen ein breites Einsatzspektrum. Sogar die Versorgung von Einfamilienhäusern mit Strom und Wärme kann dann durch Klein-BHKW mit Leistungen von etwa 5 kWel auf Basis von PEM-Brennstoffzellen erfolgen. Für den Betrieb mit kohlenwasser- stoffhaltigen Brenngasen wie Erdgas, Biogas oder Gas aus Biomassevergasung eignen sich vor allem MCFC- und SOFC-BHKW. Auch das einzige bisher auf dem Markt erhältliche Brenn- stoffzellen-BHKW, die PAFC von ONSI, wird eher für den Grundlastbetrieb eingesetz¹ t.

Brennstoffzellen-BHKW können, im Gegensatz zu den heute verbreiteten Großkraftwerken auf Basis von Kohle und Uran, rasch auf Laständerungen im Stromnetz reagieren, was vor allem im Verbund mit fluktuierenden Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft wichtig ist. Im Hin- blick auf die Energiekonsensgespräche der letzten Monate ist das Anstreben eines Energiemixes, der die Herstellung und die Verwendung von Wasserstoff als zentralen Punkt begreift, ein reiz- voller Gedanke. Dabei ist auch die Kombination von Erdgas und regenerativ erzeugtem Wasserstoff möglich. Bei entsprechender Durchdringung von regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik und Windenergie im Stromnetz könnte Überschuss-Strom z.B. aus Photovoltaikan- lagen in Zeiten großer Sonneneinstrahlung zur Wasserstofferzeugung verwendet werden. Der Wasserstoff wird gespeichert und bei Bedarf in Brennstoffzellen wieder in Strom und Wärme umgewandelt.

3.3. Bereich: Forschung und Industrie

3.3.1. Forschungsgelder von Bund und Industrie

"Ich würde über das Jahr 2020 hinaus im Fernverkehr nicht allein auf den Dieselmotor setzen."¹

Die Bundesregierung unterstützt mit 2 Millionen DM ein Verbundprojekt² für die Erforschung der Speicherung von Wasserstoff in Kohlenstoff-Nanostrukturen. Die Mittel gehen an fünf For- schungsinstitute. Außerdem sind eine Reihe von Firmen an dem Projekt beteiligt. In einer Pressemitteilung des Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) vom 12. Januar 1999 wird darauf verwiesen, dass in Deutschland bis zum Jahr 2005 trotz des bereits er- reichten hohen Standards eine Minderung der Stickstoffoxide, Benzol und Dieselpartikel um ca. 70 % gegenüber dem heutigen Stand notwendig ist, um die von der Weltgesundheits- Organisation (WHO) und der EU definierten Luftqualitätsziele zu erreichen. Alternative Brennstoffe würden daher an Bedeutung gewinnen. Am 25. Januar wurde in Brüssel die Gründung³ der European Hydrogen Association (EHA) beschlossen. Sie soll in erster Linie ein Zusammen- schluss der nationalen Wasserstofforganisationen Europas sein und als europäischer Dachverband die Vertretung der Wasserstofftechnologie und der Brennstoffzelle gegenüber Öffentlichkeit, Fachwelt und Politik übernehmen. Gründungsmitglieder waren die in Europa schon bestehenden Verbände aus Norwegen, Deutschland, Italien, Schweden und Frankreich. Doch, so stellt sich die Frage, welche Schritte gehen Politik und Wirtschaft gemeinsam, um eine Infrastruktur zu schaffen, die der neuen Technik den Weg ebnet?

Im Mai 1999 war die erste öffentliche Flüssigwasserstofftankstelle Tankstelle im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts von 13 Unternehmen mit Förderung des Freistaates Bayern eröffnet worden⁴. Ziel des Wasserstoffprojekts am Flughafen München ist es, die Wasserstofftechnologie unter Alltagsbedingungen zu erproben. Projektpartner BMW betreibt seit Eröffnung der Tankstelle CleanEnergy BMW-Fahrzeuge der 7er-Reihe. Mehr als 10.000 km legte das Shuttle-Fahrzeug seitdem mit 500 VIPs im und am Flughafen zurück, wie BMW am 21. Januar mitteilte. Eine zweite Tankstelle in Hamburg wurde kurz darauf eröffnet.

3.3.2. In welchen Bereichen wird Wasserstoff das Rennen machen? Aus Platzgründen sind hier nur die Hauptbereiche zu nennen.

In der chemischen Industrie nutzt man Wasserstoff vor allem für den Antrieb von Raumfahrtra- keten. Experten sehen aber eine große Chance für die Wasserstofftechnik im Straßenverkehr - "vielleicht schon in zehn Jahren". Sie sind überzeugt⁵, dass sich die Brennstoffzelle auf Dauer durchsetzen wird. Tatsächlich liegt ihr Wirkungsgrad im Stadtverkehr durchschnittlich rund zehn Prozent höher als der von Diesel- und Ottomotoren. Brennstoffzellenautos stoßen außer Wasser- dampf keine Abgase aus und sind leise. In vielen Großstädten der Welt verkehren seit geraumer Zeit bereits wasserstoffgetriebene Busse. Schon jetzt also entlastet die Wasserstofftechnik smog- geplagte Großstädte.

Entscheidend ist Wasserstoff aber mittelfristig als Ersatz für die fossilen Brennstoffe in den Kraftwerken zu sehen. Ziel muss eine dezentrale Energieversorgung sein, um Monopole auszu- schließen und gesunde Marktmechanismen zu ermöglichen. So ist für die private Energie- versorgung ein kleines Blockkraftwerk in der Größe einer Waschmaschiene denkbar, das ein Haus mit Energie versorgt und gleichzeitig PKW entweder mit Wasserstoff oder direkt mit Strom betankt.

Es gibt diverse Konzepte für die Produktion, Speicherung und Verbrennung von Wasserstoff, von denen es noch andere Unterformen gibt, die hier aus Platzgründen nicht ausreichend gewürdigt werden konnten.

4. Es gibt viel zu tun - packen wir es an?

Wie es scheint, sehen verantwortliche Firmen und Regierungen die Notwendigkeit und die Chancen der Technologie. Die Chancen für eine Welt, in der Dieselwolken und Smog der Vergangenheit angehören, stehen mittelfristig gesehen nicht schlecht.

In ihrer Langzeit-Studie mit dem Titel "Mehr Autos - weniger Emissionen" gehen die Shell- Experten jedoch von unterschiedlichen gesellschaftlichen Entwicklungslinien aus. Im Szenario "Neue Ordnung" gelingt es Politik und Wirtschaft, Spielregeln zu entwickeln. Dies würde ein stetiges Wachstum, mehr Konsens in der Gesellschaft und die Beschleunigung neuer Technolo- gien im Verkehr fördern. Unter dieser Annahme wird für 2020 ein Pkw-Bestand von 51,2 Millionen und ein Anteil von 20 % für den umweltpolitischen "Super-Pkw" prognostiziert. Wenn man diese Entwicklungschancen sieht, sieht es so aus, daß saubere Luft und klares Wasser in Ballungsgebieten weltweit keine Utopien bleiben müssen, da der Großteil der Verschmutzung von PKW´s herrührt.¹ Ich möchte mit den Worten der aktuellen Kampagne der Hamburger Stadt- werke schließen: Das Ziel ist klar.

Zusätzliche Literatur, die als Informationsquellen verwendet wurden:

Ahn, J., Brammer; F., Wendt; H.: Projekt „Hessische Brennstoffzelle", BWK, Bd. 48, Nr. 3, März 1996

Bockris, John O'Mara:

Wasserstoff, die Energie fuer alle Zeiten : Konzept einer Sonnen-Wasserstoff-Wirtschaft / John O'Mara Bockris; Eduard W. Justi. - Muenchen : Pfriemer, 1980. - 395 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN 3-7906-0092-X

Bünger, U.; Weindorf, W.: Verfahren zur Reinigung von Wasserstoff für den Einsatz in kleinen Brennstoffzellen, interne Studie, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik, Nov. 1996

Hermann Scheer. Mit Beitr. von Wilfried Bach. - Orig.-Ausg. - Muenchen [u.a.] :

Die gespeicherte Sonne : Wasserstoff als Loesung des Energie- und Umweltproblems Piper, 1987. - 300 S. : graph. Darst. (Serie Piper ; 828 : Aktuell) ISBN 3-492-10828-8

Hoffmann, Volker U.:

Wasserstoff - Energie mit Zukunft / Volker U. Hoffmann. - Stuttgart [u.a.] :

Teubner [u.a.], 1994. - 171 S. : Ill., graph. Darst. (Einblicke in die Wissenschaft) Literaturverz. S.¹⁶⁸ - 169.

ISBN 3-8154-3501-3 - ISBN 3-7281-2032-4

Projektbeschreibung Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen-Pilot-BHKW, Hamburgische ElektrizitätsWerke AG, Hamburger Gaswerke GmbH, 1996

Tributsch, Helmut: Rückkehr zur Sonne : Wasserstoff, die Energie unserer Zukunft / Helmut Tributsch. - Berlin : Safari-Verl., 1979. - 284 S. : graph. Darst.

ISBN 3-7934-1604-6

[...]

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¹ H. Tributsch, Rückkehr zur Sonne, Berlin (1979), Kapitel 12

² HEW Website, Bereich Pilotprojekte, www.hew.de/pilotprojekte.htm 3

³ vgl. Website, www.uni.ch/spc/UF/92novembre/schlappach.html

⁴ vgl. H. Scheer, Wasserstoff als Lösung des Energie- und Umweltproblems, München 1987, Kapitel 2 4

¹ vgl. Vor- und Nachteile des Wasserstoffs, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, in Firmeninfoblatt 08.07.1996

² Rohland, B., Scholta, J.,Plzak, V.: Die Brennstoffzellen-Hausheizung als dezentrale stromerzeugende Heizungsanlage ohne Schadstoffemission, Tagungsband zur VDI-Fachtagung „Fortschrittliche Energiewandlung und -anwendung, Bochum, 11.-12. März 1997

¹ Vg. Holger Kroker, Wasserstoff von der Tankstelle, in „Die Welt“ Archiv zu der Serie „Zukunft der Energie“ (1999)

² vgl. Vor- und Nachteile des Wasserstoffs, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, in Firmeninfoblatt 08.07.1996

³ Speichermöglichkeiten: Informationen der Forschungsgruppe für Festkörperphysik an der Univers. Freiburg; www.unifr.ch/spc/UF/92novembre/schlapbach.htm.

¹ Diethelm, R.: Energie für die Zukunft, Sulzer Technical Review 2/95

² vgl. Stern Archiv, www.stern.de/auto/Berichte/features/1999/04/12.htm

³ vgl. W.Weindorf, U. Bünger, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, veröffentlicht in: Sonnenenergie, Heft 1/97

¹ Projektbeschreibung AG Brennstoffzellen-Pilot-BHKW, Hamburgische ElektrizitätsWerke AG, Hamburger Gaswerke GmbH, 1996

¹ vgl. Shell Website, www.shell.de, Shell Strom powered by HEW, 02.03.2000, Neue bundesweite Kooperation zur Versorgung von Industrie und Gewerbekunden mit Strom

² Vgl. Holger Kroker, Wasserstoff von der Tankstelle, in „Die Welt“ Archiv zu der Serie „Zukunft der Energie“ (1999)

³ Vgl. Markus Kaiser, Wer Wasserstoff tankt, den lassen Spritpreise kalt, in „Die Welt“ (2000)

⁴ vgl, HyWeb-Gazette, Newsletter von HyWeb und dem Deutschen Wasserstoff Verband, 01.02.00:

¹ vgl. HyWeb, Ausgabe 01.012.00, Die Verkehrswirtschaftliche Energiestrategie (VES) präsentiert Zwischebilanz

² Vgl. Markus Kaiser, Wer Wasserstoff tankt, den lassen Spritpreise kalt, in „Die Welt“ Archiv (2000)

³ vgl.Silvia v. Weiden, Wasserstoff als Energieträger der Zukunft, „Die Welt“ Archiv (2000)

¹ vgl. Pressemeldung v. 12. Januar 1999 der Hansestadt Hamburg, Rede des Ersten Bürgermeisters Ortwin Runde in den Hamburger Gaswerken Die Quellen zu Punkt 2.3 stammen von der BMW Website und wurden dort April 2000 heraus kopiert, sind aber derzeit nicht näher bestimmbar.

¹ vgl. W.Weindorf, U. Bünger, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, veröffentlicht in: Sonnenenergie, Heft 1/97 12

¹ Dr. Hartmut Marwitz, Leiter der Entwicklung des Geschäftsbereichs Lkw Europa von DaimlerChrysler, Truck Magazin, 17/99

² vgl. Magazin DWV/HyWeb, 18.01.00

³ vgl. HyWeb, Newsletter vom DWV, 04.02.00

⁴ vgl. HyWeb, Newsletter vom DWV, 05.05.99

⁵ vgl. Ressort: Wissenschaft - Erscheinungsdatum: 26. 06. 1996in „Die Welt“ URL: http://www.welt.de/daten/1996/06/26/0626ws103757.htx

¹ Vgl Daten vom Bundesamt für Statistik, Anhang

• Auteur: Michael Tamayo (Auteur)
• Année de publication: 2000
• Pages: 15
• N° de catalogue: V98712
• ISBN (ebook): 9783638971638
• Langue: allemand
• mots-clé: Chancen, Risiken, Wasserstofftechnologien