Energieentwicklung
Die globale Energieinfrastruktur wandelt sich dramatisch von kohlenstoffbasierten fossilen Brennstoffen hin zu Solarenergie (Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft sind alles Formen der Solarenergie, im Folgenden gemeinsam als Solarenergie bezeichnet). Mit der Veränderung der Grundlage unserer Energieversorgung wird nahezu jede Industrie eine Revolution erleben. In der Ära der fossilen Energieträger erlebten wir die Entstehung von Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren, Strahltriebwerken und Gasturbinen. Diese Geräte sind im Wesentlichen Wärmekraftmaschinen, die chemische Energie in mechanische Energie umwandeln. Im Verlauf der industriellen Revolution über Jahrhunderte hinweg haben wir ein umfassendes System für die Gewinnung, Verarbeitung, den Transport und die Verteilung fossiler Brennstoffe etabliert, das mit umfangreichen Verbindungen den Globus umspannt.
Energiesysteme, die auf fossilen Brennstoffen basieren, mögen in Bezug auf eine stabile Versorgung, angemessene Effizienz und eine robuste Wertschöpfungskette perfekt erscheinen. Allerdings haben sie einen fatalen Nachteil: Kohlendioxidemissionen. Mit dem weltweit wachsenden Konsens zur Klimaneutralität wird deutlich, dass fossile Energiesysteme eine nachhaltige menschliche Entwicklung nicht länger unterstützen können. Solarenergie erweist sich als die beste Wahl zur Dekarbonisierung, da sie theoretisch einen CO₂-freien Prozess über die gesamte Lieferkette hinweg (Solarenergie für Solarenergie) ermöglicht. Der Nachteil der Solarenergie ist jedoch ihre Intermittenz. Die Erdrotation sowie die Erdumlaufbahn um die Sonne führen unvermeidlich zu kurzfristigen Energiefluktuationen im Tagesrhythmus und mittel- bis langfristigen Schwankungen im Jahresverlauf.
Seit der Entwicklung der Solarenergie ist Energiespeicherung eine drängende Herausforderung. Konventionelle Speichermethoden für fossile Brennstoffe sind gut etabliert: Kohle wird per Bahn transportiert, Benzin in Tanks gelagert und Erdgas über weitreichende Leitungsnetze gepumpt. Diese Infrastrukturen arbeiten bis heute effizient. Verschiedene mobile Transportformen bestehen im Wesentlichen aus einer Wärmekraftmaschine und einem Behälter zur CO₂-Speicherung (z. B. Kraftstofftanks, Gasflaschen, Speichertanks).
Im Zeitalter der Solarenergie wird die Speicherung von Sonnenlicht zu einer komplexen Herausforderung. Die naheliegendste Lösung besteht darin, Strom zu erzeugen, der nahtlos in das während der fossilen Ära entwickelte großtechnische Stromnetz eingespeist werden kann. Deshalb hat die Solarenergie in Europa und Amerika seit Jahrzehnten ein rasantes Wachstum erlebt. Im Verlauf des 21. Jahrhunderts und mit dem Einstieg Chinas in die Solarindustrie beschleunigt sich das Wachstum der Solarenergie dramatisch. Mit steigendem Anteil der Solarenergie im Netz gerät das Stromnetz, das für fossile Energieträger ausgelegt ist, zunehmend unter Druck. Dieses System ist seinerzeit darauf ausgelegt worden, fossile Brennstoffe zu verbrennen, um Wasser zu erhitzen und dadurch mittels Induktion Strom zu erzeugen. Das Netz ist zwar robust, doch fehlt ihm die Flexibilität, um mit der variablen Natur der Solarenergie umzugehen.
Der grundlegende Bedarf an einer „Energiespeicherindustrie“ entsteht. Ob für die Frequenzregelung oder das Peak Shaving – das Hauptziel ist, die Flexibilität des starren Netzes zu erhöhen und es „elastischer“ zu machen. Elektrochemische Batterien, allen voran Lithium-Ionen-Akkus, erweisen sich als praktikable Energiespeicherlösung.
Elektrochemische Energiespeicherung
Zweifellos ist die elektrochemische Energiespeicherung eine der herausragendsten Speichermethoden, die von Industrie und Investoren gleichermaßen bevorzugt wird. Angesichts des Übergangs von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen wie Solarstrom gewinnt der Bedarf an effizienten Energiespeichermethoden zunehmend an Bedeutung.
Die wachsende Bedeutung der Solarenergie und der Bedarf an Speicherung
Zweifellos ist die elektrochemische Energiespeicherung eine der herausragendsten Speichermethoden, die von Industrie und Kapital gleichermaßen bevorzugt wird. Während die Welt von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen wie Solarstrom umsteigt, wird der Bedarf an effizienten Speichermethoden immer wichtiger. Dieser Artikel untersucht die Rolle von Batterien und Wasserstoff im Übergang zu einer erneuerbaren Energiezukunft.
In den letzten Jahren ist die Solarenergiebranche rasant gewachsen und hat in vielen Ländern einen Anteil von 20 % oder mehr am Energiemix erreicht. Dieses Wachstum hat zu veränderten Anforderungen an die Energiespeicherung geführt, sodass großtechnische, langlebige Speicherlösungen zunehmend notwendig werden. Wenn dem nicht begegnet wird, könnte die schnelle Expansion der Solarenergie zu einem Engpass im Energiesektor führen.
Elektrochemische Energiespeicherung und der Aufstieg der Elektrofahrzeuge
Der Aufstieg der elektrochemischen Energiespeicherung hat das Aufkommen von Elektrofahrzeugen (EVs) mit Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht. Mit zunehmender Verbreitung von EVs sinken deren CO₂-Emissionen, da das Stromnetz immer stärker dekarbonisiert wird. Tatsächlich könnten die Batterien in EVs gemäß dem Konzept eines flexiblen Stromnetzes zu wichtigen Energiespeichern für zukünftige Netze werden.
Wasserstoff: Ein Schlüsselakteur in langlebigen Energiespeichern
Mit dem wachsenden Bedarf an großtechnischen, langlebigen Energiespeichern wendet sich die Industrie dem Wasserstoff zu. Wasserstoff ist zwar keine neue Entdeckung, doch die erhöhte Nachfrage nach Klimaneutralität und Energiespeicherung hat ihn wieder in den Fokus gerückt. Im Wesentlichen ist Wasserstoffenergie ein Teilmarkt der Energiespeicherung, in dem kurzfristige, kleinteilige Frequenzregelung und Peak Shaving (elektrochemisch) neben großtechnischen, langlebigen Speichern (Wasserstoff) koexistieren.
Die Zukunft der Wasserstoffenergie: Produktion, Speicherung und Anwendung
Die Wasserstoffenergiebranche wird in den kommenden Jahren voraussichtlich ein erhebliches Wachstum verzeichnen, wobei Technologien zur Produktion, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff immer wichtiger werden. Derzeit ist die sichtbarste Anwendung die Brennstoffzellentechnologie, die im Wesentlichen einen Wasserstoffgenerator, einen Wasserstoffspeichertank und einen Elektromotor kombiniert. Brennstoffzellen stellen jedoch nur einen Teil der Wasserstoff-Wertschöpfungskette dar.
Grüner Wasserstoff: Eine nachhaltige Alternative zur Energiespeicherung
Grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mithilfe erneuerbarer Energiequellen gewonnen wird, bietet eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Wasserstoffproduktionsmethoden. Protonenaustauschmembran (PEM)-Wasserelektrolyse ist eine vielversprechende Technologie zur Herstellung von hochreinem Wasserstoff aus Wasser, ohne Korrosion oder Umweltbelastung und mit schnellen Start- und Stoppzeiten. Diese Technologie eignet sich hervorragend zur Integration mit Wind- und Solarstromerzeugung.
Der weltweite Vorstoß für grünen Wasserstoff
Sowohl Europa als auch China investieren massiv in die Produktion von grünem Wasserstoff. Europas 2×40-GW-Grünwasserstoff-Plan zielt darauf ab, die Wasserstoffwirtschaft bis 2030–2040 zu etablieren und in Sektoren anzuwenden, die sich nur schwer durch Elektrifizierung dekarbonisieren lassen, wie Luftfahrt und Schwerindustrie. Der jüngste Konflikt zwischen Russland und der Ukraine sowie die EU-Sanktionen gegen Russland haben Europas Bemühungen, die Abhängigkeit von russischem Erdgas zu verringern, beschleunigt.
China, weltweit führend bei installierter Wind- und Solarleistung, hat ebenfalls eine vielversprechende Zukunft in der Wasserstoffenergie. Die große Menge an Wind- und Solarstrom im chinesischen Netz führt zu erheblichen Belastungen und teils zu Abregelungen. Durch den Einsatz schnell ansprechender PEM-Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff aus überschüssigem Wind- und Solarstrom kann eine praktische und kosteneffiziente Energiespeicherlösung entstehen.
In den letzten Jahren ist die Solarenergiebranche rasant gewachsen und hat in vielen Ländern einen Anteil von 20 % oder mehr am Energiemix erreicht. Dieses Wachstum hat zu veränderten Anforderungen an die Energiespeicherung geführt, sodass großtechnische, langlebige Speicherlösungen zunehmend notwendig werden. Wenn dem nicht begegnet wird, könnte die schnelle Expansion der Solarenergie zu einem Engpass im Energiesektor führen.
Wasserstoffspeicherung, -transport und -anwendungen im kohlenstoffarmen Zeitalter
Im Vergleich zur Wasserstoffproduktion ist die Speicherung von Wasserstoff relativ schwieriger. Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem mit der geringsten Dichte, sodass selbst die Speicherung kleiner Mengen ein großes Volumen erfordert. Bei normalem Atmosphärendruck (1 atm bzw. 1,013 bar oder 0,1 MPa) wiegt ein Kubikmeter Wasserstoffgas nur etwa 0,09 kg. Diese niedrige Transporteffizienz macht es erforderlich, Wasserstoff für Lagerung und Transport in eine dichtere Form zu überführen.
Konventionelle Speichermethoden wie Hochdruckgasspeicherung sind weit verbreitet. Auf Autobahnen sieht man häufig Rohranhänger, die typischerweise mit Drücken zwischen 35–70 MPa (350–700 bar) betrieben werden. Bei 350 bar wiegt ein Kubikmeter Wasserstoffgas etwa 23 kg.
Durch Kühlung des Wasserstoffgases auf extrem niedrige Temperaturen (−252,8 °C) kann es verflüssigt werden und erreicht dabei eine Dichte von 70 kg pro Kubikmeter. Die Abkühlung auf solche Temperaturen erfordert jedoch spezielle Ausrüstung und einen hohen Energieaufwand, weshalb diese Methode bislang vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung findet. In anderen Bereichen steckt sie noch in den Anfängen.
Neben der Speicherung von Wasserstoff als Element kann er auch mit anderen Stoffen zu wasserstoffhaltigen Verbindungen kombiniert werden. Metallhydridmaterialien und flüssige organische Wasserstoffträger sind zwei vielversprechende Speichermethoden. Einige Metalle oder organische Substanzen können bei Raumtemperatur stabile wasserstoffhaltige Verbindungen bilden, die eine sichere Speicherung und den Transport ermöglichen. Durch Erhitzen können sich diese Hydride wieder zersetzen und den Wasserstoff freisetzen, wodurch sie als potenzielles Wasserstoffspeichersystem dienen.
Ammoniak, Alkohole und Kohlenwasserstoffe, die alle nennenswerte Mengen an Wasserstoff enthalten, haben Potenzial als Wasserstoffspeichermaterialien. Diese Substanzen können mithilfe der Elektrolyse in großen Mengen hergestellt werden, und bestehende Infrastrukturen können für Lagerung und Transport genutzt werden.
Im Zeitalter der null- und kohlenstoffarmen Energie hat Wasserstoff ein breites Anwendungsspektrum jenseits traditioneller industrieller Nutzung, etwa im Transportwesen und als Energiespeicher. Im urbanen Verkehr und bei leichten Nutzfahrzeugen haben batterieelektrische Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Akkus erhebliche Vorteile gezeigt. Für Fernverkehr und schwere Nutzfahrzeuge hingegen stoßen batteriebetriebene Fahrzeuge aufgrund des hohen Energieverbrauchs und des Batteriegewichts an ihre Grenzen, was die Zuladung beeinträchtigt.
Für Elektrofahrzeuge ist die Energieauffüllung ein kritisches Thema. Selbst für Privatnutzer ist das Aufladen zeitaufwendig, und bei schweren Nutzfahrzeugen mit einem 300-kWh-Batteriepaket dauert jede Ladung mindestens zwei Stunden, was die Wirtschaftlichkeit der Fahrzeuge beeinträchtigt.
Derzeit sind Wasserstoff-Brennstoffzellen oder synthetische Kraftstoffe auf Wasserstoffbasis die einzigen effektiven Lösungen für den Fernverkehr und schwere Logistik. Ganz zu schweigen von Luftfahrt, Binnenschifffahrt und Seeverkehr – in der null- und kohlenstoffarmen Ära gibt es keine ausgereiften Alternativen zu Wasserstoffkraftstoffen.
Eine der umfassendsten Anwendungen von Wasserstoff ist die Energiespeicherung. Mit der weiteren Entwicklung von Wind- und Solarenergie wird Speichertechnik benötigt, um Spitzen und Täler auszugleichen und auch in wind- und sonnenschwachen Zeiten eine kontinuierliche Energieversorgung sicherzustellen. Hierfür müssen großtechnische, langlebige Energiespeichersysteme eingesetzt werden.
Neben herkömmlichen physikalischen Energiespeichern (z. B. Pumpspeicherwerke und Druckluftspeicher) sowie elektrochemischen Speichern (Lithium-Ionen-Akkus, Natrium-Ionen-Akkus, Vanadium-Redox-Flow-Batterien) hat Wasserstoff das Potenzial, eine tragende Säule der Energiespeicherung zu werden.
Als stabiles chemisches Element kann Wasserstoff sicher über lange Zeiträume gespeichert und als langfristige Energireserve dienen. Wasserstoff lässt sich über Pipelines in entfernte Regionen transportieren; auch wenn der Bau Zeit erfordert, sind die Betriebskosten extrem niedrig. Einer Studie der Europäischen Union zufolge kann eine 48 Zoll (ca. 122 cm) durchmessende Wasserstoff-Pipeline 17 GW Energie transportieren, was dem Fluss von vier bis fünf 800-kV-DC-Übertragungsleitungen entspricht, jedoch zu deutlich geringeren Kosten als deren Bau.
Langfristig kann Wasserstoff in einer null-kohlenstoff-Ära Erdgas als Brennstoff für die Stromerzeugung durch direkte Verbrennung oder Brennstoffzellensysteme vollständig ersetzen. Er kann eine dezentrale Stromversorgung für Gemeinden oder andere mobile Verbraucher sicherstellen.
Durch die Kombination von Wasserstoff und der Abscheidung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder anderen Kohlenstoffsenken können mittels Fischer-Tropsch-Verfahren Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Nach der Raffination können diese Kohlenwasserstoffe als synthetische Treibstoffe für bestehende Flugzeuge genutzt werden, was derzeit die einzige praktikable Lösung für kohlenstofffreien Flugkraftstoff darstellt.
Mit Durchbrüchen in der Photovoltaik-Stromerzeugung und dem großtechnischen Betrieb von PEM-Wasserstoffproduktion kann Wasserstoff in verschiedenen Anwendungsszenarien fossile Brennstoffe ersetzen und so die Industrieanwendung einer kohlenstofffreien, kohlenstoffarmen Wirtschaft ermöglichen.
