Energiewende und Wasserstoffwirtschaft#

Von Dr. Manfred Klell, HyCentA Research GmbH, August 2017

Inhaltsverzeichnis

Einleitung #

Die ökonomischen, ökologischen, sozialen und gesundheitlichen Folgen von Klimawandel und Umweltbelastung durch Schadstoffe stellen eine ernsthafte Bedrohung unserer Lebensqualität dar. Eine nachhaltige Lösung bieten Energiewende und Wasserstoffwirtschaft mit der kompletten Dekarbonisierung unseres Energiesystems durch den vollständigen Ersatz der derzeit vorherrschenden fossilen Energieträger durch grünen Strom und grünen Wasserstoff.

Die Energiewende zur nachhaltigen Stromerzeugung und die Wasserstoffwirtschaft stellen die nächste große industrielle Revolution dar. Als solche erfordern sie einen radikalen Paradigmenwechsel in Gesellschaft, Politik und Wirtschaft. Sie bieten nicht nur die Aussicht auf eine gesunde und lebenswerte Umwelt für spätere Generationen, sondern auch eine wirtschaftliche Chance durch den Aufbau innovativer Technologien.

Durch rechtzeitige Re-Positionierung von Forschung und Industrie kann Knowhow aufgebaut werden, das in weiterer Folge nachhaltige wirtschaftliche Erfolge generiert. Andererseits besteht die Gefahr, dass Europa bei zu langem Zögern seine bereits angeschlagene Technologieführerschaft endgültig an Asien verliert. Die Gründe, die für die Energiewende und Wasserstoffwirtschaft sprechen, sind vielfältig und erscheinen logisch zwingend.

Wachstum der Weltbevölkerung#

Die Weltbevölkerung wächst, noch mehr deren Bedarf an Energie und Ressourcen. Derzeit werden ca. 80 % des globalen Energiebedarfs aus fossilen Quellen gedeckt, aus Kohle, Erdöl und Erdgas, die durch Verbrennung in Wärmekraftmaschinen wie Motoren und Turbinen Nutzenergie liefern.

Fossile Energieträger stehen nur begrenzt zur Verfügung, ihre Verbrennung ist ineffizient und umweltschädlich. Die Umwandlung von Wärme in mechanische Nutzenergie gelingt nur zu etwa 2/3, der Rest der Wärme ist nach dem Carnot Wirkungsgrad als Anergie nicht nutzbar. Die Schadstoffe und Umweltgifte der heißen Verbrennung sind verfahrensbedingt und werden nur zum Teil durch Nachbehandlung konvertiert, als Verbrennungsprodukt von Kohlenwasserstoffen entsteht immer das Treibhausgas Kohlendioxid, dem Hauptverursacher des anthropogenen Anteils des Klimawandels.

Schäden an Gesundheit und Umwelt#

Schäden an Gesundheit und Umwelt durch die fossilen Energieträger nehmen global stark zu, die Lebensqualität vor allem in Ballungszentren entsprechend ab. Die Kosten für Gesundheitsschäden und für Folgeschäden aus Wetterextremen wie Dürren oder Überschwemmungen steigen exponentiell. Da diese Belastungen vor allem sozial schwache Menschen existenziell betreffen, wird zunehmend auch eine soziale Komponente sichtbar. Als Folge dieser Belastungen entstehen Entwicklungen, die durch neue Unworte wie „Klimaflüchtlinge“ und „Ressourcenkriege“ charakterisiert werden. Ressourcen und Umwelt sind auf unserem Planeten nur begrenzt vorhanden und da die Besiedelung anderer Planeten noch viel ferner liegt als die Energiewende und Wasserstoffwirtschaft, empfiehlt sich ein rascher und radikaler Umstieg von fossilen auf erneuerbare und schadstofffreie Energieträger.

Wirtschaftswachstumswahn#

Statt des früher bemühten Sinnspruchs „Bäume wachsen nicht in den Himmel“ gilt heute zunehmend die Einstellung „nach mir die Sintflut“ – was angesichts des steigenden Meeresspielgels eine neue Bedeutung erhält. Letztlich ist auch eine Abkehr vom „Wirtschaftswachstumswahn“ erforderlich, in einem begrenzten System wie unserer Welt ist der Ansatz eines unbegrenzten wirtschaftlichen Wachstums schlichtweg unsinnig und unmöglich umzusetzen.

Leider ist der Mensch aber entgegen allen Gerüchten kein logisch bestimmtes Wesen, sondern gesteuert von seinen oft irrationalen Gefühlen und Ansichten, was persönliches Glück bringen könnte. In unserem konsumorientierten Materialismus hat das egoistische Streben nach Geld und Macht jeden altruistischen oder ethischen Ansatz des Strebens nach dem Gemeinwohl weitgehend abgelöst. Der antiquiert wirkende Begriff „Gemeinwohl“, laut Duden „dem allgemeinen Wohl dienend“, findet sich bei uns noch im Steuerrecht, wo es Steuervorteile für „gemeinnützige“ Institutionen gibt, die nicht auf Gewinn ausgerichtet, sondern sozialen Aufgaben dienend sind. Im praktischen und alltäglichen Leben gilt hingegen meist das Motto „ME first“, kurzsichtig egoistische Geister stellen kurzfristige Gewinne über nachhaltige Ansätze und leugnen oft sogar den menschlichen Einfluss auf Klimawandel und Umweltzerstörung. Trotzdem folgt der Versuch einer logischen Begründung für eine rasche und vollständige Umsetzung von Energiewende und Wasserstoffwirtschaft.

Bevölkerung und Energiebedarf #

Energiegrundumsatz#

Physiologisch betrachtet beträgt der energetische Grundumsatz des Menschen zur Aufrechterhaltung seiner Körperfunktionen, insbesondere der Körpertemperatur, ca. 7 MJ (1,94 kWh, 1670 kcal) pro Tag, was einer durchschnittlichen Dauerleistung von 80 W entspricht. Bei körperlicher Betätigung kann sich der Energieumsatz vervielfachen. Nach der öster¬reichischen Schwer¬arbeits-verordnung liegt schwere körperliche Arbeit u. a. vor, wenn während 8 Arbeitsstunden mindestens 8374 kJ (2000 kcal) bei Männern und 5862 kJ (1400 kcal) bei Frauen verbraucht werden, was einer mittleren Leistung von 290 W bzw. 203 W entspricht. Sportler können befristet Leistungen über 500 W erbringen und kurzzeitig Spitzenleistungen bis 2000 W.

Der globale Energieverbrauch hängt von der Bevölkerungszahl ab sowie vom lokal sehr unterschiedlichen Energieverbrauch pro Kopf. Bei einer derzeitigen Weltbe-völkerung von ca. 7,5 Mrd. Menschen liegt das jährliche Bevölkerungs¬wachstum in Europa und den USA unter 1 %, während Teile Afrikas Wachs¬tums¬raten über 3 % pro Jahr aufwiesen. Der global durchschnittliche Energieverbrauch pro Kopf lag im Jahr 2014 bei etwa 79 GJ (22 MWh, 1,9 t Öläquivalent), das entspricht einem durchschnittlichen Tages-Energieverbrauch von 216 MJ (60 kWh, 5,2 kg Öläquivalent) pro Kopf oder einer durchschnittlichen Dauerleistung von 2500 W.

Geographische Verteilung des Energieverbrauchs#

Der Energieverbrauch ist geografisch sehr unterschiedlich verteilt, Spitzenreiter sind Staaten am Persischen Golf, Kanada und die USA weisen knapp das Fünffache des Welt-Durchschnittsverbrauchs auf, Europa etwa das Doppelte, China die Hälfte, Indien ein Drittel und Afrika ein Viertel. Die Zuwachsrate des Energieverbrauchs betrug in den letzten Jahren global im Schnitt etwa 2 %, was nach den Regeln der Exponentialrechnung bei gleich bleibender Zuwachsrate eine Verdopplung des Energieverbrauchs in etwa 35 Jahren bedeutet. Im asiatischen Raum lag die Zuwachsrate mehr als doppelt so hoch, wobei die Hälfte des weltweiten Anstiegs auf China entfiel.

Zunehmender Energiebedarf#

Die zunehmende Weltbevölkerung und der wachsende Energieverbrauch insbesondere der weniger industrialisierten Länder führen zu einem exponentiell steigenden Energiebedarf. Trotz unterschiedlicher Meinungen bezüglich der Reichweite von derzeit bekannten Reserven und geschätzten künftig noch abbaubaren Ressourcen an fossilen Rohstoffen ist jedenfalls davon auszugehen, dass deren Verfügbarkeit begrenzt ist und dass ihre Verknappung zu entsprechenden Preissteigerungen führen wird. Wie Bevölkerungswachstum und Energieverbrauch sind auch die fossilen Energiereserven geografisch sehr ungleich verteilt, ein Großteil lagert in Ländern, wo Meinungsfreiheit und Menschenrechte systematisch missachtet werden. In globalen Energieszenarien wird das Maximum des Verbrauchs fossiler Rohstoffe meist in den nächsten Jahren angesetzt, so dass der zukünftige Bedarf nur durch den massiven Ausbau alternativer Primärenergiequellen gedeckt werden kann.

Primär-und Sekundärenergie#

Als Roh- oder Primärenergie bezeichnet man die Rohform der Energie, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurde. Die Aufschlüsselung der Primärenergiequellen zeigt, dass 2014 81 % des weltweiten Primärenergieverbrauchs von 570 EJ (158 PWh) durch fossile Energieträger gedeckt wurden, 14 % durch erneuerbare Energieträger und 5 % durch nukleare Energie.

Als End- oder Sekundärenergie bezeichnet man die umgewandelte Endform, in der die Energie gebraucht wird. Der weltweite Sekundärenergieverbrauch belief sich 2014 auf 390 EJ (108 PWh), das sind 69 % des Primärenergieverbrauchs, was dem ersten Umwandlungswirkungsgrad entspricht. Die globale Aufschlüsselung der Sekundärenergieträger ergibt 56 % Ölprodukte, 24 % erneuerbare Energieträger, hauptsächlich Biomasse, und 20 % elektrischen Strom. Der Endenergieverbrauch verteilt sich zu etwa gleichen Teilen auf Haushalte (Heizung bzw. Kühlung und Strom), auf die Industrie sowie auf den Transport. Die größten Zuwachsraten mit 3 bis 4 % jährlich weist der Transportsektor auf, der etwa 62 % des globalen Ölverbrauchs verursacht. 2010 hat die Zahl der weltweit registrierten PKW eine Milliarde über¬schritten. Während Länder wie China und Indien weniger als 5 PKW pro 100 Einwohner aufweisen, besitzt in Mitteleuropa etwa jeder zweite Einwohner einen PKW, Spitzenreiter sind die USA mit 75 PKW pro 100 Einwohner, der weltweite Durchschnitt liegt bei 12 PKW pro 100 Einwohner.

Umwandlungswirkungsgrad#

Der zweite Umwandlungswirkungsgrad von der gelieferten Sekundärenergie bis zur tatsächlich umgesetzten Nutzenergie des Verbrauchers beträgt etwa 50 %, so dass von den 570 EJ (158 PWh) Primärenergie tatsächlich nur etwa ein Drittel (69 % x 50 % = 35 %), das sind 200 EJ (55,5 PWh), vom Verbraucher genutzt werden. Neben der Einsparung von Energie durch eine Einschränkung des Energieverbrauchs der Menschen liegt also ein hohes Einsparungspotenzial in der Erhöhung der Umwandlungswirkungsgrade. Ein Umstieg von Wärmekraftmaschinen wie Turbinen und Motoren, die wie erwähnt durch den Carnot Wirkungsgrad begrenzt sind, auf elektrochemische Maschinen wie Elektrolyseure, Batterien und Brennstoffzellen, die einen theoretischen Wirkungsgrad nahe 100 % aufweisen, wäre hinsichtlich der Wirkungsgradverbesserung ein wesentlicher Fortschritt. Elektrochemische Maschinen haben darüber hinaus die Vorteile, dass sie weitgehend ohne bewegte Bauteile auskommen, daher keinen Lärm verursachen, und dass der elektrochemische Prozess bei grünem Wasserstoff als Energieträger keine Schadstoffe freisetzt, weder Gesundheits- noch Umweltgifte, vor allem kein Kohlendioxid.

Schadstoffe und Gesundheit#

Seit der Nutzbarmachung des Feuers durch unsere Vorfahren begleitet die Verbrennung kohlenstoffhältiger Brennstoffe mit Luft den technischen Fortschritt. Ab der industriellen Revolution und mit dem stark expandierenden Personen- und Güterverkehr haben die Emissionen aus der Verbrennung fossiler Kraftstoffe so stark zugenommen, dass sie zu einer Gefahr für die Umwelt und die Gesundheit geworden sind.

Ideale und reale Verbrennung#

Bei der idealen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen CxHy mit dem Sauerstoff O2 aus der Luft entstehen Kohlendioxid CO2 und Wasser H2O. Die dabei gebildeten Mengen an Kohlendioxid sind beträchtlich. Bei der Verbrennung von 1 kg Kohle(nstoff) werden 3,67 kg CO2 gebildet, die Wärmefreisetzung beträgt 32,8 MJ bzw. 9,1 kWh (400 g CO2/kWh). Bei der Verbrennung von 1 kg Benzin oder Diesel (C:H = 2:1) entstehen ca. 3,2 kg CO2 bei einer Wärmefreisetzung von etwa 43 MJ bzw. 11,9 kWh (270 g CO2/kWh). Umweltfreundlicher verbrennen Propan (C3H8) oder Erdgas (Methan CH4). Pro Kilogramm Methan fallen 2,75 kg CO2 an bei einer Wärmefreisetzung von 50 MJ bzw. 13,9 kWh (200 g CO2/kWh).

Da die reale Verbrennung fossiler Energieträger aber nicht ideal verläuft, entstehen neben dem Treibhausgas Kohlendioxid CO2 eine Reihe weiterer Schadstoffe: Durch unvollständige Verbrennung entsteht Kohlen¬stoff C, die Basis zur Bildung von Ruß und Feinstaub, durch lokalen Luftmangel bilden sich gasförmiges Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, durch hohe Temperaturen entstehen Stickoxide und durch Einschlüsse im Kraftstoff etwa Schwefelverbindungen.

Luftschadstoffe#

Die Auswirkungen von Schadstoffen auf Umwelt und Gesundheit sind Thema zahlreicher Studien und Veröffentlichungen. Unter Emission versteht man den Ausstoß von Abgasen aus einer Quelle in mg/s. Dieser Ausstoß breitet sich dann in der Umgebung aus und wird durch den Volumenstrom in m³/s verdünnt. Als Immission bezeichnet man dann die mehr oder weniger verdünnte Einwirkung der Abgase auf die Umwelt in mg/m³. Für Luftschadstoffe, die erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder auf Ökosysteme und die Vegetation haben, sind in Österreich Grenz-, Ziel- oder Schwellenwerte im Immissionsschutzgesetz-Luft (IG-L) festgelegt, die auf europäischen Richtlinien basieren. Derartige Grenzwerte bestehen derzeit für Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid, Feinstaub PM 10 und PM 2,5, Blei und Benzol.

Bei Stickoxiden und Feinstaub verursachen vor allem Verbrennungsprozesse in Industrie und Verkehr weltweit teils erhebliche gesundheitsgefährdende Grenzwertüberschreitungen. Obwohl in Österreich in den letzten Jahren die emittierte Masse an Feinstaub zurückgegangen ist, hat die emittierte Partikelanzahl zugenommen. Dies bedeutet, dass vor allem die Anzahl an sehr kleinen Partikeln gestiegen ist. Diese werden etwa von Benzin- und Dieselmotoren emittiert, sie sind bei Durchmessern unter 2,5 mm Durchmesser (< PM 2,5) gesetzlich nicht limitiert und besonders gefährlich, weil sie lungengängig sind, Partikel kleiner 1 mm können auch im Blut und im Gehirn Gesundheitsschäden verursachen. Laut WHO Statistik liegen global Lungenkrankheiten hinter Herzerkrankungen und Schlaganfällen an 3. Stelle der Todesursachen, in Ländern mit geringem Einkommen sogar an 1. Stelle. Laut OECD sind weltweit 3,5 Millionen Todesfälle pro Jahr auf Luftverschmutzung zurückzuführen, davon werden 50 % auf den Verkehr zurückgeführt, vor allem auf die Abgase von Dieselmotoren. Der volkswirtschaftliche finanzielle Schaden, der daraus resultiert, wird mit 3,5 Trillionen $ pro Jahr beziffert.

Treibhauseffekt und Klimaerwärmung #

Der für das Leben auf unserer Welt notwendige natürliche Treibhauseffekt (Glashauseffekt) besteht darin, dass von der Erde ins Weltall reflektierte Wärmestrahlung von Molekülen in der Atmosphäre teilweise absorbiert und teilweise auf die Erde reflektiert wird. Die mittlere Temperatur der Erdoberfläche liegt infolge des Treibhauseffekts bei durchschnittlich etwa 15 °C anstelle von sonst -18 °C. Der natürliche Treibhauseffekt wird zu etwa zwei Drittel durch Wasser und zu etwa einem Drittel durch Kohlendioxid und Methan verursacht.

Anthropogene Treibhauseffekt#

Der anthropogene (vom Menschen verursachte) Anteil am Treibhauseffekt wird durch die Emission sogenannter Treibhausgase verursacht. Die Simulationen des dafür 2007 mit dem Friedensnobelpreis ausgezeichneten Weltklimarates (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change) zeigen, dass der vom Menschen verursachte starke Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre die globale Klimaerwärmung verursacht. Als klimarelevante Treibhausgase reglementiert sind Kohlendioxid (CO2, Referenzwert), Methan (CH4, Wirksamkeitsfaktor 21), Distickstoffoxid oder Lachgas (N2O, Faktor 310), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW/HFCs, Faktor bis 11300), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW/PFCs, Faktor bis 6500) und Schwefelhexafluorid (SF6, Faktor 23900). Die CO2-äquivalenten Treibhausgasemissionen stammen zu 59 % aus der Emission von CO2 durch die Verbrennung fossiler Kraftstoffe, zu 18 % aus der Emission von CO2 durch Rodung, zu 14 % aus der Emission von Methan aus der Viehzucht, zu 8 % aus der Emission von Lachgas vorwiegend aus der Düngung in der Landwirtschaft und zu etwa 1 % aus synthetischen Industrie-chemikalien. Global werden derzeit jährlich ca. 35 Mrd. Tonnen CO2 emittiert, das entspricht einer Emission von etwa 13 kg CO2 pro Kopf und Tag. Hauptemittent ist China mit einem Anteil von fast 30 % vor den USA, Indien und Russland.

Steigende CO2-Konzentration#

Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre steigt ständig, sie liegt seit dem Jahr 2016 ganzjährig über dem Wert von 400 ppm (0,04 Vol%), das sind 43 % über dem vorindustriellen Niveau von 280 ppm im Bezugsjahr 1750. Im Jahr 2016 war jeder einzelne Monat der jeweils wärmste seit Beginn der Wetteraufzeichnungen.

Im letzten Jahrhundert ist die globale Durchschnittstemperatur um etwa 1 °C gestiegen, in Österreich ist der durchschnittliche Anstieg mit 2 °C Anstieg doppelt so hoch. Schon jetzt erleben wir häufigere Extremwetterereignisse wie Starkregen, Überflutungen und ausgedehnte Hitzeperioden mit negativen Auswirkungen auf die Land- und Forstwirtschaft sowie den (Winter-)Tourismus. Die finanziellen Schäden werden derzeit allein für Österreich schon mit 1 Milliarde € pro Jahr angegeben, Tendenz stark steigend.

Die Frage ist nicht, ob wir uns die Energiewende und Wasserstoffwirtschaft leisten können, sondern ob und wie lange wir es uns leisten können, diese nicht umzusetzen. Je nach Szenario wird bis zum Jahr 2100 von einer durchschnittlichen Erderwärmung von 2 °C bis 6 °C ausgegangen, wobei die Begrenzung auf 2 °C die kosteneffizienteste Variante darstellt.

Die prognostizierten Auswirkungen einer höheren Erwärmung sind katastrophal, sie reichen von einem dramatischen Anstieg des Meeresspiegels, der Küstenregionen in Bangladesch, Indien und Vietnam, Inseln im Ozean und Großstädte wie Shanghai, Hongkong, Bangkok, London oder Miami unbewohnbar machen würde, über Millionen von Klimaflüchtlingen bis zur Gefährdung der Nahrungsmittel- und Wasserversorgung sowie bis zum umfangreichen Aussterben von Tier- und Pflanzenarten.

Klimaziele und Maßnahmen #

Kyoto-Prtotokoll#

Das Kyoto-Protokoll der Vereinten Nationen aus dem Jahr 1997 legte völkerrechtlich fest, den jährlichen Treibhausgas-Ausstoß zu reduzieren. Da Österreich als einziges Land in der EU sein Einsparziel während der Verpflichtungsperiode 2008-2012 um knapp 70 Mio. t CO2-Äquivalent verfehlt hat, musste die Republik laut Umweltbundesamt um 500 Mio. € Emissionsrechte aus dem Ausland ankaufen – eine Summe, die wohl besser in lokale Maßnahmen zur Emissionsverringerung investiert hätte werden können.

Unter internationalem Jubel wurde bei der Klimakonferenz in Paris (COP 21) im Dezember 2015 ein Nachfolgeabkommen geschlossen, dem zufolge die globale durchschnittliche Erwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts „auf deutlich unter 2 °C“ begrenzt werden soll. Die Simulationen des Weltklimarates zeigen, dass zur Erreichung dieses Ziels die CO2 Emissionen ab sofort drastisch reduziert werden müssen, mit sogar „negativen“ Emissionen bis zum Jahr 2100. Das Abkommen wurde von 195 Staaten anerkannt, verbindliche Maßnahmen zur Erreichung dieses Zieles fehlen allerdings. Am 1.6.2017 erklärte Präsident Donald Trump den Ausstieg der USA aus dem Abkommen, die „logische Konsequenz“ seiner Twitter Nachricht vom 6 Nov 2012 - 20:15: „The concept of global warming was created by and for the Chinese in order to make U.S. manufacturing non-competitive.“ Der Tweet fand 67691 „Likes“, die Ankündigung des Ausstiegs der USA aus dem Klimaabkommen führte zu einem Gewinn fossiler Werte an allen Börsen weltweit.

Die Europäische Kommission hat für das Jahr 2030 folgende Ziele gesetzt: Verringerung der Treibhausgasemissionen um mindestens 40 % (gegenüber 1990), Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energie auf mindestens 27 % und mindestens 27 % Verbesserung der Wirkungsgrade. Dafür und für die weitere Reduktion der Treibhausgase um mindestens 60 % bis 2040 und um mindestens 80 % bis 2050 wurden entsprechende Fahrpläne für alle Mitgliedsländer entworfen. Auch hier handelt es sich aber nur um die Vorgabe von Zielen, es fehlen konkrete und verpflichtende Empfehlungen und Umsetzungsstrategien, geschweige denn Konsequenzen oder Strafzahlungen bei Nicht-Erreichen der Ziele.

Maßnahmen zur CO2 Reduktion#

Maßnahmen zur Reduktion der CO2 Emissionen sind unpopulär, sie sind meist teuer und rechnen sich nur bei einer längerfristigen Sichtweise, sie sind manchmal mit gefühlten Einschränkungen für die Menschen verbunden und bedeuten für die Wirtschaft einen radikalen Paradigmenwechsel und zwischenzeitige Zusatzbelastungen. Damit gestaltet sich die Umsetzung solcher Maßnahmen schwierig, die politische Bereitschaft dazu ist begrenzt. Die EU gibt täglich 1,5 Mrd. € für fossile Importe aus und es besteht der Verdacht, dass die Manager der Konzerne und staatlichen Institutionen, die an diesem florierenden Geschäft verdienen, den Klimawandel auch als eine Erfindung der Chinesen betrachten oder angesichts ihrer Gewinne dies zumindest bis zur nächsten Quartalsbilanz behaupten. Die europäische Autoindustrie versucht mit allen legalen und illegalen Mitteln, das konventionelle Motorengeschäft und damit den Ausstoß von Schadstoffen und CO2 so lange wie möglich hoch zu halten. Der politische Wille zu einer Umschichtung von Mitteln aus der fossilen Wirtschaft auf die Wasserstoffwirtschaft oder eine wirksame CO2 Besteuerung („Steuer steuert“!) gedeiht zaghaft. Konkrete Maßnahmen wie Umweltzonen, sektorale Fahrverbote oder Einschränkung der Zulassung fossil betriebener Maschinen werden selbst von „unabhängigen Wissenschaftlern“ kaum vehement gefordert. Zu groß ist der Druck der Lobbyisten aus der Industrie, die ihr fossiles Geschäftsmodell ohne Rücksicht auf Verluste bis zum letzten Tropfen Öl auspressen will. Förderungen für alternative Energieträger und deren Anwendung in Demonstrationsprojekten sind derzeit die einzige allgemein „geduldete“ Maßnahme.

Vorreiter Norwegen#

Als positives Beispiel und Vorreiter darf Norwegen gelten, das zunächst ein Verbot der Neuzulassung von Benzin- und Dieselfahrzeugen ab 2025 angekündigt hat. Nach heftigen internationalen Protesten wird dieses Verbot nicht umgesetzt, es wurde aber durch eine entsprechende Besteuerung sichergestellt, dass Elektrofahrzeuge in allen Autoklassen die günstigste Variante sind.

Damit sind die meisten neu zugelassenen Fahrzeuge in Norwegen elektrisch angetrieben. Auch wenn angeführt wird, dass dies nur in Norwegen möglich ist, das keine eigene Autoindustrie, dafür aber reiche Ölvorkommen hat, so gibt es doch bereits andere Länder, die zur Nachahmung aufrufen. Immerhin sind die Norweger nach dem von der UNO veröffentlichten World Happiness Report 2017 die glücklichsten Menschen weltweit.

Technologische Ansätze#

Bei der Analyse und Bewertung verschiedener Technologien sind vor allem technische, ökologische und ökonomische Gesichtspunkte von Interesse. Bei der technischen Bewertung spielt meist der Wirkungsgrad die größte Rolle, wobei dessen Bedeutung bei erneuerbaren Energien, wo Sonne, Wind und Wasser ohnehin zur Verfügung stehen, geringer ist als bei fossilen Energieträgern, die verbraucht werden. Ökologisch ist die Emission von Lärm, Schadstoffen und speziell von CO2 von Bedeutung. Ökonomisch spielen Kosten und Preis die größte Rolle, wobei natürlich neue Technologien aufgrund der erforderlichen Entwicklung und anfänglich geringen Stückzahl höhere Kosten verursachen. In die Betrachtungen mit einbezogen wird in der Regel auch der Aufwand für die Errichtung der betreffenden Anlagen und Maschinen sowie deren Recycling und Entsorgung in einer Life Cycle Analysis (LCA). In der Mobilität erfolgen diese Analysen meist aufgeteilt in die Wandlung der Primär- in die Sekundärenergieträger, also von der Quelle bis zur Abgabe an der Steckdose oder Kraft¬stoff¬pumpe (Well-to-Tank, Well-to-Pump), in die Wandlung vom Sekundärenergieträger zur Nutzenergie (Tank-to-Wheel) und auf die Gesamtkette (Well-to-Wheel).

Technologisch bedeuten Energiewende und Wasserstoffwirtschaft eine grundlegende Umgestaltung unserer fossil basierten Wirtschaft mit Wärmekraftmaschinen wie Turbinen und Motoren zu grünem Strom, grünem Wasserstoff und elektrochemischen Maschinen wie Elektrolyseuren, Batterien und Brennstoffzellen. Die Elektrochemie, die sich mit den komplexen chemischen Vorgängen in elektrochemischen Zellen befasst, und der Maschinenbau, der diese Zellen zu Systemen mit den nötigen Peripheriegeräten zusammenfasst, sind zukunftsweisende Innovationsfelder.

Notwendigkeit erneuerbarer Energieträger#

Der erste Schritt in der Energiewende ist der konsequente und flächendeckende Umstieg von fossilen Primärenergieträgern auf die erneuerbaren Energieträger Sonne, Wind, Wasser und soweit möglich Geothermie. Die dazu erforderlichen Technologien sind global verfügbar und technisch ausgereift, Wasserkraftwerke, Windturbinen und Photovoltaik liefern Strom, thermische Solarkraftwerke auch Wärme.

Da elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen fluktuierend anfällt und sich nicht nach der Nachfrage richtet, ist zu Spitzenzeiten des Angebots eine Energiespeicherung in großem Maßstab erforderlich. Da elektrische Energie nicht langfristig verlustlos speicherbar ist, bietet die großtechnische Nutzung von Wasserstoff als neuem Energieträger die unbedingt erforderliche Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende. Elektrolyseure zerlegen mit Strom betrieben Wasser chemisch in Sauerstoff und Wasserstoff. Die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff als Energieträger ist emissionsfrei bei Wirkungsgraden von 50 % bis 70 % möglich, erste Power-to-Gas oder Power-to-Hydrogen Anlagen sind erfolgreich in Betrieb, derzeit mit Leistungen bis in den MW Bereich, erste GW Anlagen befinden sich in Planung. Wasserstoff ist praktisch unbegrenzt speicherbar, in Behältern, in unterirdischen Speichern oder ins Gasnetz eingespeist. Wasserstoff als kohlenstofffreier Energieträger ermöglicht mit Elektrolyseuren und Brennstoffzellen einen stofflich geschlossenen und durchgehend emissionsfreien Energiekreislauf.

Grüner Strom aus Wasserstoff und Biogene Energieträger#

Grüner Strom und grüner Wasserstoff können im Stromnetz und dem Gasnetz verteilt werden und stehen im Sinne einer regenerativen Sektorenkopplung als Strom, Wärme und Kraftstoff für alle Anwendungen zur Verfügung.

Biogene Energieträger können als Ergänzung bei entsprechender günstiger Verfügbarkeit ins Angebot eingebunden werden, ihre behauptete CO2-Neutralität ist aber immer zeitlich und örtlich aufgelöst kritisch zu betrachten, auch fossile Energieträger haben vor Millionen von Jahren das CO2 aus der Umgebung bezogen. Wärmekraftmaschinen können auch mit biogenen Kraftstoffen oder Wasserstoff betrieben werden, die Nachteile des geringen Wirkungsgrades und die Emissionen des Verbrennungsprozesses bleiben aber bestehen.

Der Ersatz von fossilen Energieträgern in der Industrie ist je nach Prozess gesondert zu betrachten, etwa in der Stahlindustrie kann Wasserstoff Kohlenstoff als Reduktionsmittel ersetzen, erste Pilotanlagen sind in Betrieb.

Einsatz im Haushalt und Mobilität#

Im Haushalt sind elektrische Geräte und Maschinen global im Einsatz, lokale Energie- und Wärmeversorgungseinheiten mit der Kombination von erneuerbarer Stromerzeugung, Elektrolyse, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzelle zur Rückverstromung sind am Markt, vor allem in Asien.

Den höchsten Anteil an fossilen Energieträgern mit über 90 % und auch die höchsten Wachstumsraten weist die Mobilität auf. Das Thema ist besonders emotional besetzt. Als emissionsfreie Technologie bietet sich die Elektromobilität mit Akkumulatoren und Brennstoffzellen an. Beide Technologien sind technisch funktional verfügbar, Haupthindernis sind die noch hohen Kosten, die durch Forschung und höhere Stückzahlen gesenkt werden können. Oft wird unter Elektromobilität der elektrische Antrieb mit Energieversorgung aus einer Batterie – eigentlich einem Akkumulator, wie eine wieder aufladbare Batterie korrekt genannt wird – verstanden, allerdings zählen auch Brennstoffzellenfahrzeuge zur Elektromobilität, bei denen die Brennstoffzelle nur als Energiewandler genutzt wird, während der Energiespeicher ein Wasserstofftank ist.

Batterien und Brennstoffzellen#

Batterien bieten bei kurzen Fahrten mit leichten Fahrzeugen optimale Wirkungsgrade bis 80 %, wobei der Wirkungsgrad des Nachladens oft unzulässiger Weise vernachlässigt wird. Das Wiederaufladen ist eines der Probleme der Batterie, es dauert viele Stunden und kann aufgrund physikalischer Grenzen nicht beliebig verkürzt werden. Hohe Ladeleistungen schädigen die Batterie vor allem hinsichtlich ihrer Lebensdauer, die stärksten Schnellladestationen liefern derzeit etwa 120 kW, wobei diese Leistungen nur unter optimalen Bedingungen und zu Ladebeginn möglich sind. Die chemischen Prozesse der Batterie sind stark temperaturabhängig, bei niedrigen Temperaturen sinkt ihre Funktionalität deutlich.

Die Brennstoffzellentechnologie scheint auf den ersten Blick komplizierter, der Kraftstoff Wasserstoff wird bei hohem Druck in einem Tank gespeichert, in der Zelle wird er mit Sauerstoff aus der Luft oxidiert und liefert Strom, bei PEM Brennstoffzellen bei einer Betriebstemperatur von etwa 80 °C, einziges Abgas ist reines Wasser. Durch die Trennung von Energiespeicher und Energiewandler sind deutlich höhere Energiedichten und damit Reichweiten der Fahrzeuge möglich, auch bei niederen Temperaturen bleibt die Leistung der Brennstoffzelle konstant. Die effektiven Wirkungsgrade liegen derzeit um 60 %. Die Betankung erfolgt wie bei konventionellen Kraftstoffen durch das Überströmen aus einem Reservoir an der Tankstelle. Dadurch sind deutlich höhere Tankleistungen möglich: werden an einer Zapfsäule 5 kg Wasserstoff in 5 Minuten getankt, wie bei PKW derzeit üblich, wird eine Energie von 600 MJ oder 167 kWh in 0,08 Stunden übertragen, was einer Betankungsleistung von 2 MW entspricht. Durch die Bevorratung des Wasserstoffs an der Tankstelle können auch mehrere Zapfsäulen parallel betrieben werden. Derartige Ladeleistungen sind für Batterien physikalisch undenkbar, auch ist die Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Energie zeitlich und örtlich in diesem Ausmaß nicht möglich. Somit bietet sich die Brennstoffzelle als „Heavy Duty Elektromobilität“ für kurze Betankungszeiten und hohe Reichweiten, für schwere PKW, LKW, Busse und Züge an, auch Schiffe und Flugzeuge laufen als Prototypen.

Energiewende und Wasserstoffwirtschaft in Österreich#

In Österreich betrug der Primärenergieverbrauch im Jahr 2014 etwa 1,5 EJ (400 TWh), davon wurden etwa 66 % durch fossile Quellen gedeckt, 36 % aus Erdöl, 21 % aus Erdgas und 10 % aus Kohle. Etwa 34 % der Primärenergie wurden durch erneuerbare Quellen erzeugt, wobei Wasserkraft und biogene Brennstoffe vorherrschen. Der Sekundärenergieverbrauch in Österreich betrug 2014 mit 1,1 EJ (300 TWh) etwa 77 % des Primärenergieverbrauchs, der Nutzenergieverbrauch lag mit etwa 0,6 EJ (145 TWh) bei 35 % des Primärenergieverbrauchs. Die Bevölkerung in Österreich betrug Anfang 2017 fast 8,8 Mio. Einwohner. Laut Statistik Austria waren Ende 2016 4,8 Mio. PKW der Klasse M1 zugelassen, wovon 45 % Benzin- und 55 % Dieselfahrzeuge waren, es gab 9073 (0,2 %) Elektrofahrzeuge mit Batterie und 13 mit Brennstoffzelle.

Österreich verfügt mit Hycenta über eine moderne Forschungseinrichtung, und seit 2017 nun auch über die vierte Wasserstofftankstelle Österreichs, von der die folgenden Bilder stammen.

Tankstelle von HyCentA mit Wasserstoff-Fahrzeugen 2016, Foto: HyCentA

Betankung an der Tankstelle von HyCentA 2016, Foto: HyCentA

Elegantes Hyundai Brennstoffzellen Auto 2016, Foto: HyCentA

HyCentA Brennstoffzellen Prüfstand 2016, Foto: HyCentA

Ausbaupotentiale in Österreich#

Nach den vorliegenden Daten reicht das technisch verfügbare sowie rechtlich zugelassene Ausbaupotenzial an Wasser-, Wind- und Photovoltaikkraft in Österreich aus, um die gesamte Energieerzeugung Österreichs vollständig auf erneuerbare Stromerzeugung umzustellen. Derzeit gibt Österreich pro Tag 43 Mio. € für fossile Importe aus, dieses Potenzial steht bei einer vollständigen Dekarbonisierung für eine Umschichtung von fossilen auf erneuerbare Energieträger zur Verfügung, womit die Energiewende technisch und auch finanziell darstellbar ist.

Die Energiewende und Wasserstoffwirtschaft, wie sie Jules Vernes schon 1874 als Vision beschrieben hat, können bei entsprechendem Rückhalt in der Bevölkerung und bei entsprechendem Willen von Politik und Wirtschaft in Österreich umgesetzt werden. Neben der vollständigen Emissionsfreiheit des gesamten Energiesystems erreichen wir dadurch als zusätzliche Vorteile eine inländische und lokale Wertschöpfung sowie Energieautarkie, Versorgungssicherheit und Importunabhängigkeit.

Technologieführerschaft für Österreich?#

In Österreich haben wir jetzt noch die Chance, durch eine frühzeitige und konsequente Positionierung von Energiewende und Wasserstoffwirtschaft in Ausbildung, Forschung und Industrie Technologieführerschaft auf diesem Gebiet zu erreichen. Dazu empfehlen sich die Einrichtung von interdisziplinär und anwendungsorientierten Universitätsinstituten, die die Themen Wasserstoffwirtschaft, Elektrochemie und Elektromobilität verbinden, die Gründung von entsprechenden Forschungseinrichtungen und Start-Ups und nicht zuletzt die Gründung von Firmen, die als OEM (Original Equipment Manufacturer) die Technologie unter österreichischen Eigenmarken vermarkten. Österreich hat eine lange ruhmvolle Geschichte von Erfindern und Pionieren auf vielen Gebieten, vor allem auch in der Mobilität. Oft scheint es aber etwas an Mut und Entschlossenheit zu mangeln, diese Erfindungen dann auch in wirtschaftlicher Eigenständigkeit zu verwerten.

Eine exzellente Möglichkeit, um Forschung, Industrie und Bevölkerung die Vorteile von Energiewende und Wasserstoffwirtschaft erfahrbar zu machen, stellt inzwischen die Durchführung von Demonstrationsprojekten dar, wo lokal und in bestimmten Anwendungen fossile Energieträger durch grünen Strom und grünen Wasserstoff ersetzt werden.

Der Klima und Energiefonds ermöglicht derartige Projekte in Österreich durch Förderungen, so wurden bisher etwa erfolgreich erste power-to-hydrogen Pilotanlagen in Betrieb genommen, Elektromobilität wird massiv gefördert, in Logistikanwendungen wurden Flurförderfahrzeuge mit Brennstoffzellen ausgestattet, Prototypen für PKW, LKW und Züge mit Wasserstoffantrieb sind in Entwicklung. Im Rahmen des größten bisherigen Förderprogramms in Österreich sollen in Energie-Vorzeigeregionen Projekte in dreistelliger Millionenhöhe die Energiewende voranbringen. In der WIVA P&G, Wasserstoffinitiative Austria Power and Gas, wollen führende Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen in vernetzten und über ganz Österreich verteilten Projekten die Umsetzbarkeit und den praktischen Betrieb aller genannten Komponenten der Energiewende und Wasserstoffwirtschaft für die Öffentlichkeit demonstrieren und erfahrbar machen.

Unvermeidliche technologische Evolution#

Energiewende und Wasserstoffwirtschaft stellen den nächsten Schritt in der technologischen Evolution des Menschen dar, der als solcher unausweichlich und unaufhaltbar ist. Obwohl die Maßnahmen zu ihrer Implementierung eine völlige Neuorientierung von Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erfordern, bleibt zu hoffen, dass diese Evolution, die gleichzeitig eine Revolution darstellt, im Sinne der Gesundheit und lebenswerten Umwelt nachfolgender Generationen möglichst rasch, konsequent und friedlich umgesetzt werden kann.

Der Autor und Literatur#

DI Dr. Manfred Klell, Assoc.Prof. für Angewandte Thermodynamik der Technischen Universität Graz, Geschäftsführer der HyCentA Research GmbH
Literaturhinweis: M. Klell, H. Eichlseder, A. Trattner: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, Springer Verlag, 4. Auflage, 2018 (in Vorbereitung)
Filmhinweis: George Miller: Mad Max Fury Road, 2015

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Weiterführendes#

Umwelt(Thema)
Energie (Thema)
Nachhaltigkeit (Thema)

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