Wasserstoff treibt Auto der Zukunft

Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft, sagt Andreas Züttel. Nur mit ihm kann erneuerbare Energie in grossen Mengen gespeichert  werden. Wasserstoff sei dabei Batterien hoch überlegen, sagt der Empa-Forscher. Die grosse Frage sei, wie Wasserstoff dicht gespeichert werden kann. Dabei wird sowohl an festen Metallen als auch an flüssigen Kohlenwasserstoffen geforscht.

Steffen Klatt: Wasserstoff ist vor einigen Jahren als die Alternative zu fossilen Energieträgern gefeiert worden. Dann wurde es ruhiger um Wasserstoff. Zu recht?

Andreas Züttel: Das Thema wird um so aktueller, je abhängiger wir von erneuerbaren Energien werden. Solange wir aber fossile Ressourcen im Überfluss zur Verfügung haben, solange wird auch nicht darüber nachgedacht, wie ein alternativer Energieträger hergestellt werden kann.

Steffen Klatt: Wie hängen erneuerbare Energien und Wasserstoff zusammen? Heute gelten erneuerbare Energie als das Mittel, sich aus der Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu lösen.

Andreas Züttel: Das ist richtig. Die ganze Industrialisierung baut auf fossilen Energieträgern auf. Wenn diese Energieträger nicht mehr ausreichen, müssen wir die Energie aus erneuerbaren Quellen beziehen. Die erneuerbare Energie kommt aber als Fluss vor und nicht als Energieträger, mit Ausnahme der Biomasse. Alle Arten von erneuerbaren Energien, sei es die Sonnenenergie, die Erdwärme oder die Gravitation (Gezeiten), kommen als Energieflüsse vor. Solche Flüsse lassen sich nur schwer handhaben, und sie tauchen nicht dort auf, wo man sie braucht. Deshalb muss daraus ein Energieträger produziert werden.

Steffen Klatt: Heute wird aus erneuerbarer Energie vor allem Strom erzeugt. Der kann mit den bestehenden Leitungen dorthin geführt werden, wo man ihn braucht. Reicht das nicht?

Andreas Züttel: Der Strom ist ebenfalls ein Energiefluss. Er lässt sich nur schwer speichern. In grossem Massstab kann er in Wasserkraftwerken, bzw. Pumpspeicherkraftwerken, gespeichert werden. Die Schweiz profitiert sehr davon, dass wir hier in der Nacht europäischen Überflussstrom speichern können. Aber im allgemeinen lässt sich Strom sehr schlecht speichern. In Batterien erreicht man heute eine Energiedichte von maximal 0,2 kWhKilowattstunden je Kilogramm/kg. Fossile Energieträger haben eine Energiedichte von 13 kWh/kgKilowattstunden je Kilogramm also etwa 60 mal mehr.

Steffen Klatt: Welche Rolle kann Wasserstoff spielen?

Andreas Züttel: Wasserstoff hat eine dreimal so hohe Energiedichte wie die fossilen Energieträger. Pro Gewichtseinheit lässt sich also zwei Grössenordnungen  mehr Energie speichern als in Batterien. Wasserstoff ist ausserdem ein Energieträger, der einen vergleichbaren Umgang erlaubt, wie wir ihn von den bisherigen Energieträgern gewohnt sind.

Andreas Züttel: Aus Sonnenenergie oder Windkraft wird mit Hilfe der Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff hergestellt . Dieser Wasserstoff kann transportiert werden und beim Verbraucher wieder Energie, in Form von Arbeit und Wärme, freisetzen. Die grosse Frage ist dabei, wie Wasserstoff effizient gespeichert werden kann. Anders als etwa Campinggas kann Wasserstoff bei Raumtemperatur nicht durch Druck verflüssigt werden. Es braucht daher andere Methoden zur Speicherung.

Steffen Klatt: Und in Gasform nimmt Wasserstoff zu viel Raum weg?

Andreas Züttel: Man kann Wasserstoff in Gasform speichern. Das wird heute mit Druckgaszylindern gemacht. Die Dichte ist  aber nicht sehr hoch. Pro Kubikmeter erreicht man 30 Kilogramm Wasserstoff. Ein Kubikmeter Benzin erreicht über 700 Kilogramm.

Steffen Klatt: Lässt sich Wasserstoff verflüssigt lagern?

Andreas Züttel: Man kann Wasserstoff über das Linde-Verfahren verflüssigen. Das braucht aber sehr viel Energie, etwa ein Drittel des Energieinhaltes des Wasserstoffs. Der zweite und noch grössere Nachteil: Flüssig Wasserstoff ist immer im Nicht-Gleichgewicht. Das heisst, er verdampft laufend. Das hat einen kontinuierlichen Energieverlust zur Folge. Bei bestimmten Anwendungenn , etwa in der Luft- und Raumfahrt sind die Verluste nicht relevant. Dagegen bei der Langzeitspeicherung in konventionellen Privatautos stellt das Verdampfen des Wasserstoffs ein grosses Problem dar. Eine weitere Möglichkeit der Speicherung ist Wasserstoff in Metallen oder komplexen Hydriden zu absorbieren. Dann erreicht man eine sehr hohe Wasserstoffdichte, bis zu einer doppelt so hohen Dichte wie bei Flüssigwasserstoff .

Steffen Klatt: Wie kann man sich das vorstellen: Wie Briketts auf dem Grill?

Andreas Züttel: Sie sehen die Metallbrocken nicht. Diese befinden sich in einem Tank, nehmen den Wasserstoff auf und geben ihn wieder ab, indem man den Tank leicht erwärmt oder indem man den Druck sinken lässt.

Steffen Klatt: Ist das wissenschaftliche Träumerei oder machbar?

Andreas Züttel: Das ist machbar. Heute ist man dabei aber auf Materialien beschränkt, die relativ schwer sind. Damit wird der geamste Speicher schwer. Ziel ist es, leichte Elemente zu finden, die viel Wasserstoff speichern können. Wir arbeiten heute an Materialien, die bis zu 20 Prozent% ihres Ggewichtes Wasserstoff enthalten . Damit sind sie in der Dichte vergleichbar mit den Kohlenwasserstoffen, die wir heute einsetzen.

Steffen Klatt: Wie lange dauert es, bis daraus Massenprodukte werden können?

Andreas Züttel: Das hängt von vielen Faktoren ab. Das ist nicht nur ein technische, sondern auch ein wirtschaftliche Frage. Das hängt auch davon ab, wie schnell der Ölpreis wieder nach oben geht und wie lange Öl noch verfügbar ist. Von der Technologie her kann man heute viel machen. Wirtschaftlich wird das aber erst interessant, wenn man nicht mehr die billigen fossilen Energieträger zur Verfügung hat.

Steffen Klatt: Sie haben Batterien zur Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien erwähnt. Gibt es einen Wettlauf zwischen der Batterieforschung und der Wasserstoffforschung?

Andreas Züttel: Das bezweifle ich. Es ist eine naïve Vorstellung, grosse Mengen von Energie in Batterien speichern zu wollen. Die geringe Energiedichte von Batterien hat zur Folge, dass man viel Material mitführen muss, um eine gewisse Menge an Energie zu transportieren. Das ist aber auch ein Ressourcenproblem: Ich muss sehr viel Ressourcen einsetzen, um diese kleine Energiemenge zu speichern. Deshalb denke ich nicht, dass Batterien eine ernsthafte Konkurrenz für zukünftige Energieträger sein können. Batterien werden auch in Zukunft eine gewisse Rolle spielen für Anwendungen wie Handys und andere kleine Geräte, die wenig Energie brauchen. Sie werden aber, meiner Ansicht nach, nie eine Rolle spielen, wenn es um den Energiebedarf geht, den wir heute mit fossiler Energie decken.

Steffen Klatt: Könnte als das Auto, das heute mit Benzin oder Diesel fährt, morgen mit einer Form von festem Wasserstoff fahren?

Andreas Züttel: Das kann ich mir durchaus vorstellen. Wir sind heute nicht am Ende der Erforschung von Wasserstoff als Energieträger, auch wenn wir bereits viel gelernt haben. Wir sind aber noch weit von den idealen Hydriden entfernt. Seit vergangenem Herbst arbeiten wir daran, Wasserstoff an das CO2 aus der Luft zu binden und damit einen synthetischen Kohlenwasserstoff herzustellen. Damit hätten wir wieder einen Energieträger, mit denen wir Autos betanken könnten, wie wir das heute machen.

Steffen Klatt: Wäre die CO2-Bilanz dann Null, wenn dieser Energieträger wieder verbrannt wird, um unsere Autos anzutreiben?

Andreas Züttel: Das ist richtig. Das ist auch deshalb wichtig, weil wir dann eine echte CO2-Senke hätten (mit der Produktion des synthetischen Kohlenwasserstoffs wird der CO2-Gehalt in der Luft gesenkt, stk.). Dem Klimawandel können wir nur begegnen, wenn wir es schaffen, das CO2 wieder aus der Luft zu holen.

Steffen Klatt: Kann Wasserstoff als Energieträger auf eine ähnliche Infrastruktur zurückgreifen wie heute die fossilen Energieträger? Oder braucht es den Aufbau einer völlig neuen Infrastruktur?

Andreas Züttel: Das hängt davon ab, wie Sie „ähnlich“ definieren, und wie Wasserstoff schliesslich gespeichert wird. Wenn Wasserstoff wie eben gesagt an CO2 zu einem Kohlenwasserstoff gebunden wird, dann kann die genau gleiche Infrastruktur verwendet werden. Wenn Wasserstoff an andere Materialien gebunden wird, dann muss die Infrastruktur modifiziert werden. Ich halte das  aber nicht für ein grosses Problem. Wir haben es ja auch geschafft, die ganze Welt innerhalb von hundert Jahren auf fossile Energieträger umzustellen. Das macht der Markt automatisch, sobald ein Bedarf an diesen Energieträgern da ist. Sobald der Markt den Wasserstoff verlangt, wird auch die entsprechende Infrastruktur aufgebaut. Für die eigentliche Herstellung der neuen Energieträger wird es eine neue Infrastruktur brauchen, egal, wie er dann gespeichert wird.

Steffen Klatt: Liegt unsere energetische Zukunft im Wasserstoff, hergestellt aus erneuerbare Energien?

Andreas Züttel: Ja. Wasserstoff wird eine ganz wesentliche Rolle spielen. Die Frage ist nur, woran er schliesslich gebunden wird. Schon die fossilen Energieträger enthalten mehr als die Hälfte Wasserstoff. Es gibt auch nicht viele Alternativen. Denn die Atmosphäre erlaubt nicht beliebig viele Stoffe. Sie transportiert nur Stickstoff, Sauerstoff, Wasser und CO2.

Zur Person:

Andreas Züttel ist Abteilungsleiter Wasserstoff und Energie der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf. Der 1963 geborene Berner ist gleichzeitig Titularprofessor für Physik der Universität Freiburg i.Ue. Züttel hat in Freiburg Physik studiert und bei Dow Chemical im niederländischen Terneuzen und in den AT&T Bell Labs in New Jersey geforscht. Er war Vizepräsident der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft und ist Präsident von Hydropole, der Schweizerischen Wasserstoff-Vereinigung.