Wasserstoff gehört die Zukunft

Unsere Serie Umwelt, dieses Mal: Was kann Wasserstoff, wie wird er gewonnen und wo wird er schon eingesetzt? Hier dazu ein paar Fakten.

Grüner Wasserstoff soll ein wichtiger Bestandteil der neuen Energiewelt werden. Die Europäische Union hat einen umfangreichen Plan bis 2050 vorgelegt und auch in Österreich schreiten Forschung und Entwicklung rasch voran.

Sehen Sie hier im Video eine kurze Erklärung

Wasserstoff ist nicht nur in Österreich gerade ein großes Thema. Auch die internationale Energiebranche diskutiert die Frage, welche Rolle das Element bei der Energiewende spielen kann und soll. Die Antwort ist mittlerweile aber fast einstimmig: eine Große.

Schon seit vielen Jahren wird er als molekulares Gas mit der chemischen Formel H2 in vielen zumeist industriellen Anwendungen genutzt. Die größten Mengen werden in Ölraffinerien, der chemischen Industrie (beispielsweise Düngemittelherstellung) und der Eisen- und Stahlerzeugung eingesetzt. Da Wasserstoff im Vergleich zu Kohle, Öl und Erdgas bei der Verbrennung praktisch keine Abgase hinterlässt, kann er diese Energieträger teilweise ersetzen und zunehmend auch in Strom und Wärme umgewandelt werden. Wasserstoff kann die Industrie mit Wärme bei hohen Temperaturen versorgen, in Strom umgewandelt Elektromotoren antreiben und gilt als immer wichtiger werdender Energiespeicher – ganz so, wie das Jules Verne bereits 1874 vermutet hat.

Der Schriftsteller legte damals seinem Ingenieur Cyrus Smith im Roman „Die geheimnisvolle Insel“ einige Wörter in den Mund, über die damals wohl viele Leser milde gelächelt haben werden: „Ich bin davon überzeugt, meine Freunde, dass das Wasser dereinst als Brennstoff Verwendung findet, dass Wasserstoff und Sauerstoff, seine Bestandteile, zur unerschöpflichen und bezüglich ihrer Intensität ganz ungeahnten Quelle der Wärme und des Lichts werden. Das Wasser ist die Kohle der Zukunft.“

Wasserstoff-Farbenlehre: Von grau bis grün

Warum Wasserstoff dann nicht längst eine Hauptrolle in der Energiewelt spielt? Weil die Herstellung des Gases aufwendig ist. Wie auch Strom ist Wasserstoff kein Primärenergieträger, der einfach irgendwo abgebaut und verwendet werden kann, sondern muss zuerst erzeugt werden: entweder durch die Umwandlung anderer chemischer Energieträger oder durch die Aufspaltung von Wasser. In jedem Fall wird dazu mehr Energie benötigt, als im erzeugten Wasserstoff gebunden ist. Die Art des Umwandlungsprozesses ist entscheidend für die Klimabilanz des Gases: Gewinnt man Wasserstoff so wie derzeit meist üblich per Dampfreformierung aus Erdgas, wird er als „grau“ bezeichnet. Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff werden dabei rund zehn Tonnen Kohlendioxid freigesetzt; wird dieses abgetrennt und gespeichert, wird er blauer Wasserstoff genannt.

Nur wenn er ausschließlich auf Basis erneuerbarer Energieträger hergestellt wird, gilt er als grüner Wasserstoff und ist klimaneutral. Als wesentlichste Technologie dafür wird die Aufspaltung von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen (Elektrolyse) gesehen, aber auch Verfahren wie die direkte Wasserspaltung mittels Sonnenenergie (Photolyse) könnten künftig eine Rolle spielen. Besonders nachhaltig ist die Herstellung per Elektrolyse mit überschüssigem Ökostrom, also Strom aus Wind und Sonne, der aufgrund des zeitlichen und/oder örtlichen Auseinanderfallens von Stromproduktion und Strombedarf sonst nicht genützt werden könnte – dabei ist der gesamte Produktionspfad nahezu vollständig emissionsfrei.

Flexibilisierung des Energiesystems

Womit wir bei einer der größten Stärken des Wasserstoffs wären: seinem Energiespeicherpotenzial. Nur wenige Energieträger können so wie Wasserstoff in ausreichender Menge über Wochen, Monate und sogar Jahre hinweg bereitgehalten werden und bei Bedarf wieder verstromt, direkt genutzt oder in synthetische Kraftstoffe wie zum Beispiel E-Fuels umgewandelt werden. Soll die angestrebte Dekarbonisierung der Energiewirtschaft gelingen, also die Reduktion und Abkehr von CO2 durch Forcierung erneuerbarer Energiequellen, braucht es neben einem Mehr an Windkraftanlagen, Photovoltaik, Biomasse und Co aber genau diese Möglichkeiten zur Flexibilisierung des Stromnetzes. Nur wenn die schwankenden und stetig wachsenden Strommengen aus Wind und Sonnenkraft auch über den aktuellen Bedarf hinaus verwendet werden und in das Stromsystem integriert werden können, ist der vollständige Umbau auf erneuerbare Energiequellen machbar. Das Problem dabei: Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist noch immer vergleichsweise teuer, der gesamte Prozess damit in den meisten Fällen unwirtschaftlich.

Doch die Preise für grünen Wasserstoff fallen

Das dürfte sich allerdings in den kommenden Jahren ändern. Prognosen gehen von einer Reduktion der Erzeugungskosten von grünem Wasserstoff bis 2030 um ein Drittel bis zur Hälfte und bis 2050 um rund zwei Drittel gegenüber dem derzeitigen Niveau aus, grüner Wasserstoff wird dann auch günstiger als blauer Wasserstoff sein. Experten des Beratungsunternehmens Boston Consulting Group sehen in Power-to-X insgesamt eine „unbedingt notwendige Technologie“ zum Gelingen der Energiewende, das Marktpotenzial im Jahr 2050 liege bei bis zu einer Billion US-Dollar (rund 840 Milliarden Euro). Allerdings: Grüner Wasserstoff ist den Studienautoren zufolge trotzdem kein Allheilmittel. Als hochwertiger Energieträger wird er vor allem dort sinnvoll eingesetzt werden können, wo wenige oder keine anderen Optionen zur Dekarbonisierung bestehen und er seine hohe energetische Qualität (Exergie) ausspielen kann.

Österreich nimmt Vorreiterrolle ein

In Österreich passiert genau das, man forscht intensiv an der Produktion von grünem Wasserstoff. Auch dank der Unterstützung des Klima- und Energiefonds konnte in den vergangenen Jahren eine starke, international beachtete Forschungscommunity aufgebaut werden. Zahlreiche heimische Unternehmen, Forschungsinstitute und Universitäten konzentrieren ihre Forschungs- und Entwicklungsbemühungen seit Langem auf Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologien. Sie zählen etwa bei der Herstellung von Wasserstofftankstellen und als F&E-Dienstleister in den Bereichen Elektrolyse, Brennstoffzellen und Fahrzeuge zu den führenden Anbietern. Zur Förderung von Forschung und Entwicklung in den Bereichen der Anwendungs-, Netz- und Speichertechnologien von Wasserstoff und erneuerbaren Gasen haben sie die „Wasserstoffinitiative Vorzeigeregion Austria Power & Gas“ (kurz „WIVA P&G“) gegründet, die auch die gleichnamige Vorzeigeregion betreut.

Um die österreichischen Stärkefelder durch Forschungs- und Innovationsprojekte weiter zu forcieren, wurden weiße Flecken identifiziert und in diesen Bereichen gezielt Projekte mit unterschiedlichsten Stoßrichtungen initiiert. In „FCTRAC“ beispielsweise wird ein Brennstoffzellen-Traktor samt Betankungsmöglichkeit entwickelt und auf seine Praxistauglichkeit überprüft. Im Projekt „HyTruck“ wiederum geht es um die Entwicklung eines emissionsfreien Brennstoffzellen-Antriebsstrangs für Nutzfahrzeuge und in „Renewable Gasfield“ ist die Errichtung einer Anlage zur Erzeugung von grünem Wasserstoff mittels PEM-Elektrolyse mit anschließender Methanisierung und Einspeisung ins Gasnetz geplant. Immer öfter drängen hierzulande zudem Innovationen aus der Forschung in die Praxis. 2023 soll etwa die Zillertalbahn in Tirol zwischen Jenbach und Mayerhofen als erste Schmalspurbahn der Welt auf Wasserstoff umgestellt werden.

EU plant Milliarden-Investitionen

Österreich ist mit seinen Wasserstoff-Bemühungen auf europäischer Ebene nicht allein: Auch in anderen Ländern – insbesondere in Deutschland, in Frankreich und in den Niederlanden – wird die Entwicklung vorangetrieben, und auch Brüssel hat die Zeichen der Zeit erkannt: Im Rahmen ihres „Green Deal“ hat die Europäische Kommission Strategien für Wasserstoff und für die Integration des Energiesystems vorgelegt. Bis 2030 ist ein starker, stufenweiser Ausbau der Elektrolysekapazitäten vorgesehen, anschließend soll Wasserstoff weiter an Bedeutung gewinnen und bis 2050 in großem Maßstab in Sektoren eingesetzt werden, in denen Dekarbonisierung schwierig ist. Bis 2030 sollen damit insgesamt 430 Milliarden Euro in den Hochlauf der grünen Zukunftstechnologie investieren werden, der Anteil der öffentlichen Hand beträgt dabei 145 Milliarden Euro. Damit sollen Anwendungen ebenso wie Produktion, Infrastruktur und Speicherung gefördert werden und bis zu 140.000 neue Arbeitsplätze entstehen.

Grünen Wasserstoff sinnvoll im Verkehr einsetzen – Wasserstoff bietet sich doch im Straßenverkehr an

Einige Hersteller haben bereits Brennstoffzellen-Autos in ihrem Modellprogramm, allen voran Hyundai und Toyota.

Der Verkehrssektor soll bis zum Jahr 2050 treibhausgasneutral werden. Wasserstoff und Brennstoffzelle werden für spezielle Einsatzzwecke eine wichtige Rolle spielen. Wasserstoff ist allerdings aus erneuerbaren Energiequellen zu erzeugen. Klimaschutz steht ganz oben auf der politischen Agenda der neuen EU-Kommission und von Österreichs Bundesregierung. Österreich soll im Jahr 2040 treibhausgasneutral sein, auch die EU- Klimaziele für das Jahr 2030 werden nachgeschärft.1 Die notwendige Dekarbonisierung betrifft auch den größten CO2-Emittenten in der EU, den Verkehr. Die Strategien dazu orientieren sich am Prinzip „vermeiden – verlagern – verbessern“.

Vermeiden von nicht unbedingt erforderlichem Verkehr hat dabei Priorität vor der Verlagerung auf klimaverträgliche Verkehrsformen und der Verbesserung durch Energieeffizienz.

Grüner Wasserstoff spielt wichtige Rolle

Durch eine zunehmende Nutzung von Windkraft und Photovoltaik wird die Entwicklung von Energiespeichern auch im Verkehrsbereich notwendig. Wasserstoff ist hier eine Möglichkeit ergänzend zu Batterien. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas hergestellt. Für die Zukunft braucht es den Einsatz von grünem Wasserstoff. Dafür wird zusätzlich Strom erzeugt werden müssen. Der Brennstoffzellen-Antrieb eignet sich vor allem für Bereiche, in denen hohe Reichweiten, das Fahrzeuggewicht, hohe Zuladung, Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen und Betankungszeiten relevant sind.

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Beispiel 1: Der nachhaltige Zero Emission Stadtbus

Hyundai ELEC CITY ist der erste Wasserstoffbus im Linienverkehr in Österreich

Hyundais Erforschung der Wasserstofftechnologie startete bereits im Jahr 1998. Im Jahr 2013 kam mit dem ix35 Fuel Cell das erste in Serie produzierte Wasserstofffahrzeug auf den Markt. Seit Beginn der Forschung und Entwicklung wurden große Schritte unternommen und so erfolgten in den letzten 4 Jahren drei weitere große Meilensteine:

Der Hyundai ELEC CITY Fuel Cell Bus, in sehr gefälligem Design, misst 10,99 Meter in der Länge, hat einen Radstand von 5,4 Meter, eine Höhe von 3,47 Meter und verfügt über eine Kapazität von 25 Sitzplätzen (inkl. Fahrersitz) und bis zu 36 Stehplätzen. Sein Eigengewicht beläuft sich auf 12.660 kg, das zulässige Gesamtgewicht auf 16.900 kg. Der wendige Stadtbus mit einem Wendekreisradius von 10,8 Meter verfügt im Fahrgastraum über eine Stehhöhe von 2,36 Meter, darüber hinaus sind ausreichend Haltestangen verbaut. Bis zur Hinterachse ist der ELEC CITY niederflurig gestaltet, einschließlich wandhängender Fahrgastsitze.

Hyundai setzt beim Motor auf den flüssigkeitsgekühlten ZF Asynchron-Zentralmotor Cetrax CX 220 110 B mit 180 kW Nenndauerleistung. Die Energie für den Antrieb liefern zwei parallel geschaltete 90 kW Brennstoffzellenmodule, die sich im klassischen Motorraum im Heck befinden. Im vorderen Dachbereich werden flüssigkeitsgekühlte, modular aufgebaute, Lithium-Ionen Pufferbatterien verbaut. Ebenfalls im Dachbereich sind die fünf karbonfaserverstärkten Drucktanks mit jeweils 175 Liter Fassungsvermögen installiert. Darin können rund 33,15 kg Wasserstoff mitgeführt werden. Die Reichweite beläuft sich, abhängig von Temperatur, Straßenverhältnissen und Fahrstil auf bis zu 550 km.

Nachdem bereits eine dreistellige Anzahl an ELEC CITY Stadtbussen im Heimatmarkt ihren tagtäglichen Praxiseinsatz erfolgreich meistern, setzt man nun auch auf die Erprobung in anderen Märkten, darunter auch Europa. Nachdem seit Juni 2021 ein auf das Hyundai Motor Technical Center Europe zugelassener FCEV ELEC CITY Bus im Einsatz ist und bei zahlreichen Busbetreibern in ganz Europa kurzzeitgetestet wird, geht man in Österreich erstmalig mit dem FCEV ELEC CITY Bus im Rahmen des Projektes „HyBus Implementation“ in die Langzeiterprobung.

Beispiel 2: Grüne Fahrt – Bundesheer testet Hyundai NEXO

Am 3. Februar 2022 übergab Verteidigungsministerin Klaudia Tanner fünf mit Wasserstoff betriebene Autos an Soldatinnen und Soldaten in der Roßauer-Kaserne. Die umweltfreundlichen Fahrzeuge sollen im Alltag des Bundesheeres erprobt werden.

„Der Kampf gegen den Klimawandel ist ein wesentliches Ziel der Bundesregierung. Auch das Bundesheer leistet seinen Beitrag dazu, um gemeinsam die festgelegten Klimaziele bis 2024 zu erreichen. Der Einsatz klimagerechter, nachhaltiger Fahrzeuge im Ressort ist ein kleiner, aber sehr wichtiger Schritt in die richtige Richtung. Mit der Erprobung von Wasserstoffautos in der Verwaltung setzen wir nun – nach dem Einsatz von Elektrofahrzeugen – den nächsten Schritt im Kampf gegen den Klimawandel“, sagt Ministerin Klaudia Tanner.

Wasserstoffantrieb für die Verwaltung

Das Bundesheer testet fünf Hyundai NEXO Wasserstoff­-Elektrofahrzeuge. Diese werden im Verwaltungsalltag verwendet und dabei einer Flotten­erprobung unterzogen. Ziel ist, dass das Bundesheer feststellt, welche Maßnahmen bezüglich des Tankens von Wasserstoff und der Wartung der Brennstoffzelle erforderlich sein könnten, aber auch die Vereinbarkeit der Eigenheiten von Wasserstoff-Elektrofahrzeugen mit dem militärischen Dienstalltag. Davon abgeleitet können dann speziell für den sicheren Fahrbetrieb im Bundesheer verfasste Richtlinien erstellt werden. Daneben erprobt das Bundesheer beispielsweise die Technik und die Integration von Wasserstofffahrzeugen in sein Fahrten- und Transportmanagement.

Das Erprobungsfahrzeug

Der Hyundai NEXO ist mit einem Wasserstoff-Brennstoffzellenmotor ausgestattet, mit dem Strom erzeugt wird, indem sich Wasserstoff mit Sauerstoff verbindet. Das einzige Nebenprodukt dieser Reaktion ist Wasserdampf. Mit dem erzeugten Strom wird ein 120 kW (163 PS) starken Elektromotor angetrieben, der einen maximalen Drehmoment von 395 Newtonmeter liefert.

Hier ein 3. Beispiel: Der Toyota Mirai auf dem Weg Nach Norden

„Brennstoffzellenlimousine stellt sich Härtetest in TV-Reportage“

2.500 Kilometer lange Fahrt von Köln nach Nordschweden

Lange Strecken, widrige Bedingungen: Der Toyota Mirai stellt sich dem Härtetest. In der TV-Reportage „Long Way North“ macht sich die Brennstoffzellenlimousine auf die 2.500 Kilometer lange Fahrt von Köln ins nordschwedische Skelleftea.

Mit elektrifiziertem Antrieb auf die große Reise: Für den Mirai ist das kein Problem. In zweiter Modellgeneration mit kompakterer Brennstoffzelle und einem dritten Wasserstofftank legt der Fünfsitzer mehr als 650 Kilometer mit einer Tankfüllung lokal emissionsfrei zurück. Das anschließende „Auffüllen“ an einer Wasserstoff-Tankstelle dauert mit fünf Minuten nicht wesentlich länger als mit konventionell angetriebenen Fahrzeugen.

Doch klappt das alles auch in der Praxis so reibungslos?

Dieser Frage geht Motorjournalist Christof Johann in seiner Reportage „Long Way North“ nach. Nach einem Besuch in einer Raffinerie in Wesseling südlich von Köln, wo derzeit die Transformation zu einer der größten Wasserstoff-Produktionsanlagen in Europa läuft, macht sich der Experte auf den langen Weg gen Norden. Über Nordfriesland, wo regionale Energieerzeuger bereits komplett regenerativ arbeiten, geht es ins schwedische Göteborg und weiter nach Skelleftea. In der nordschwedischen Stadt entsteht derzeit Europas größte Fabrik für Antriebsbatterien – betrieben ausschließlich mit Grünstrom.

Belgeitet wird der Mirai von einem batterieelektrischen Fahrzeug. Damit kommt es zum direkten Vergleich zwischen Brennstoffzellen- und reinem Elektroauto. Wer kommt mit den widrigen Bedingungen besser zurecht, wer erreicht schneller das Ziel? Es bleibt spannend bis zum Schluss. Nur so viel wird verraten: Als erstes Brennstoffzellenfahrzeug erreicht der Mirai auf eigener Achse die nördlichste Wasserstoff-Tankstelle Europas – rekordverdächtig.

Unser Fazit:

Wasserstoff wird in unserer automobilen Welt einen wesentlich wichtigeren Faktor als das reine E-Auto spielen. Warten wir einmal ab, wie unsere automobile Zukunft in 5 Jahren aussehen wird.

Fotos beigestellt.