Die benötigte Wasserstoff-Infrastruktur könnte sich als Schlüssel erweisen, um fossile Energieträger künftig stärker durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Für den Aufbau der kompletten Infrastruktur für den deutschen Pkw-Straßenverkehr wären Investitionen in der Höhe von 61 Milliarden Euro erforderlich, schätzen Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich. Zum Vergleich: Über den relevanten Zeitraum von 40 Jahren verteilt lägen die jährlichen Ausgaben damit unter den derzeitigen jährlichen Investitionen in das deutsche Erdgasnetz.
Wind und Sonne liefern weder gleichmäßig Energie, noch zu dem Zeitpunkt, zu dem diese gerade benötigt wird. Der massive Ausbau erneuerbarer Energien erfordert daher Lösungen, um zeitweilige Überschüsse zu verwerten und zu speichern. „Mithilfe von Elektrolyseuren kann man Lastspitzen nutzen, um aus Wasser Wasserstoff herzustellen, der sich ähnlich wie Erdgas unproblematisch und günstig in unterirdischen Salzkavernen lagern lässt“, erläutert Professor Detlef Stolten vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).
Investitionsbedarf für Wasserstoff-Infrastruktur für den gesamten deutschen Pkw-Straßenverkehr. © Forschungszentrum Jülich
Pipelines in der Länge von 42.000 Kilometer und rund 10.000 neue Wasserstoff-Tankstellen wären nötig, um 75 Prozent der Pkw-Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen. Insgesamt müssten für Elektrolyseure, Pipelines, Wasserstoff-Tankstellen und die Erschließung von Kavernen rund 61 Milliarden Euro aufgebracht werden. Verteilt über die gesamte Aufbauphase von 40 Jahren wären die jährlichen Ausgaben damit im Schnitt niedriger als die heutigen Investitionen in das Erdgasnetz: Die 633 Verteilnetzbetreiber in Deutschland haben alleine im Jahr 2013 rund 2 Milliarden Euro für den Erhalt und Ausbau des Erdgasnetzes ausgegeben.
Die Kosten für den Wasserstoff wären vergleichbar mit heutigen Kraftstoffkosten. Sie lägen – abhängig von der Vergütung des genutzten Stroms – umgerechnet nur wenige Cent pro Kilowattstunde unter oder über den heutigen Benzinpreisen. Auch in Sachen Komfort müssten Autofahrer keine Abstriche machen. Innerhalb von drei Minuten ist ein Brennstoffzellen-PKW vollgetankt. Die Reichweite beträgt bis zu 700 Kilometer.
Wegbereiter für Fortschritte beim Klimaschutz
„Mithilfe von Wasserstoff als Speicher könnte man einen großen Teil der fossilen Kraftwerke durch Windkraft ersetzen“, erklärt Detlef Stolten. In ihrem Szenario gehen die Forscher von insgesamt 170 Gigawatt elektrischer Leistung onshore und 59 Gigawatt offshore im Jahr 2050 aus.
Zusammen ist das etwa die fünffache Gesamtleistung der Windkraft von 2016, was einer Verringerung der CO2-Emissionen um insgesamt 20 Prozent entspricht. Weitere 6 Prozentpunkte lassen sich durch den Ersatz konventioneller PKW einsparen. Zugleich könnten auch die aktuell in der Diskussion stehenden Stickoxide und Feinstäube in Städten deutlich reduziert werden. Denn die Abgase von Wasserstoffautos bestehen lediglich aus Wasserdampf. Zusätzliche Einsparungen wären durch die Einführung entsprechender Busse und Kleintransporter möglich.
Szenario mit regenerativem Wasserstoff für den Straßenverkehr. © Forschungszentrum Jülich
Niedrigere Anfangskosten
Der Investitionsbedarf für die Infrastruktur hängt in hohem Maße von den kostenintensiven Elektrolyse-Kapazitäten ab. „Für eine anfängliche Flotte von 10.000 Brennstoffzellenfahrzeugen wären zwar schon ein flächendeckendes Tankstellennetz, aber zunächst nur relativ geringe Elektrolysekapazitäten von etwa 23 MW im Jahr 2025 erforderlich“, erläutert Stolten. Denn zunächst würde nur relativ wenig Wasserstoff benötigt.
Um langfristig 75 Prozent der deutschen Pkw – oder geschätzte 33 Millionen Brennstoffzellenautos – zu versorgen, wäre dagegen ungefähr die tausendfache Elektrolysekapazität mit einer elektrischen Gesamtleistung von 28 Gigawatt erforderlich. Das entspricht in etwa der Leistung von 50 Kohlekraftwerken. Die Forscher haben die Kosten im Rahmen einer technoökonomischen Studie erarbeitet und gemeinsam mit Wissenschaftlern beteiligter Institute als Beitrag für das Virtuelle Institut „Strom zu Gas und Wärme“ veröffentlicht, das vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert wird.
Fachmesse IRES 2017: Pfandflasche für Wasserstoff
Auf der Internationalen Konferenz zur Speicherung Erneuerbarer Energien (IRES 2017), die vom 14. bis 16. März 2017 in Düsseldorf stattfindet, präsentieren die Jülicher Forscher laufende Forschungsarbeiten zu einem neuartigen Typ von Elektrolyseur, der perfekt zu den fluktuierenden, erneuerbaren Quellen passt. Sogenannte PEM-Elektrolyseure können sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen anpassen. Der Gehalt an Edelmetallen ist allerdings noch relativ hoch und soll durch die Verwendung innovativer Elektrodenstrukturen reduziert werden.
Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (IEK-11) sind ebenfalls vertreten und stellen Arbeiten zu einer Art „Pfandflasche für Wasserstoff“ vor: eine organische Trägerflüssigkeit („liquid organic hydrogen carrier“, kurz LOHC), die mehr als 650 Liter Wasserstoff pro Liter aufnehmen kann und mit der sich Wasserstoff sicher lagern und transportieren lässt.
Originalpublikationen:
Re-energizing energy supply: Electrolytically-produced hydrogen as a flexible energy storage medium and fuel for road transport
Emonts, B.; Schiebahn, S.; Görner, K.; Lindenberger, D.; Markewitz, P.; Merten, F.; Stolten, D.
Journal of power sources 342, 320 – 326 (2017); DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.073 Link
Emonts, B.; Grube, T.; Otto, A.; Robinius, M.; Stolten, D.: Mit Wasserstoff zur bedarfsgerechten und sauberen Energieversorgung; in Broschüre der EnergieAgentur.NRW, Flexibilität: Eine wichtige Säule der Energiewende, 10/2016, S. 11-13 Link
Robinius, M.: Strom- und Gasmarktdesign zur Versorgung des deutschen Straßenverkehrs mit Wasserstoff, in RWTH Aachen University. 2015: Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, PDF
