Der Speicherung von Strom in Form von Wasserstoff wird eine tragende Rolle in der Energiewende zukommen. Eine Studie zeigt die Probleme, die noch zu lösen sind.
Eine aktuelle Studie der Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie Baden-Württemberg (e-mobil BW) zeigt die Bedeutung von Wasserstoff in der Energiewende. Vor allem die Power-to-Gas-Technologie wird hier eine tragende Rolle spielen. Denn Wasserstoff wird in Zukunft einer der wichtigsten Langzeitspeicher sein, wenn der Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung zunimmt. Dann werden Großspeicher und neue Speichertechnologien notwendig, um die Schwankungen der Stromeinspeisung aus erneuerbarer Energiequellen auszugleichen. „Mit der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie haben wir den Schlüssel, Energie bedarfsgerecht zu speichern und gleichzeitig Wertschöpfung und Arbeitsplätze im Land zu sichern“, erklärt Helmfried Meinel vom Umweltministerium in Baden-Württemberg bei der Vorstellung der Studie.
Drei Technologien auf dem Vormarsch
Vor allem die alkalische Wasserelektrolyse ist die Technologie der Gegenwart. Sie sind bereits als großtechnische Anlagen im Einsatz und industriell verfügbar. Ihre Leistung beträgt zwischen einem und fünf Megawatt. Der Wirkungsgrad inklusive sämtlicher Hilfsaggregate wie Pumpen, Lüfter und Steuerung liegt derzeit bei 60 bis 70 Prozent, betonen die Autoren der Studie. Entscheidender ist aber, dass die alkalischen Elektrolyseure in einem Bereich zwischen 20 und 100 Prozent ihrer Nennlast gefahren werden können. Damit können sie sich gut auf die fluktuierende Stromerzeugung aus Photovoltaik- und Windenergieanlagen einstellen. In Zukunft werden aber die Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure zunehmend die alkalische Elektrolyse ablösen. Denn diese Geräte sind noch flexibler und können in einem Bereich von null bis 100 Prozent ihrer Nennlast betrieben werden. Sogar ein Überlastbetrieb ist kurzzeitig möglich und die elektrochemischen Vorgänge in der Zelle laufen nahezu verzögerungsfrei ab. Innerhalb von Millisekunden können die Elektrolyseure auf Schwankungen des Stromangebots reagieren. Allerdings sind die derzeit kommerziell verfügbaren Anlagen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent noch zu schlecht, um im großen Stil im Stromnetz eingesetzt zu werden. Noch im Forschungsstadium befindet sich die Technologie der Hochtemperaturelektrolyse. Die Anlagen arbeiten bei Temperaturen von 800 bis 1.000 Grad Celsius. Durch die Elektrolyse des heißen Wasserdampfes braucht der Elektrolyseur weniger Strom, um die Wasserstoff- von den Sauerstoffatomen zu trennen. Die Autoren der Studie gehen davon aus, dass die ersten kommerziellen Anlagen bis 2016 zur Verfügung stehen.
Die Lösung heißt Forschung
Dazu müssen die Hersteller aber noch viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit leisten. So sind für die Hochtemperaturelektrolyse noch diverse materialtechnische Probleme zu lösen. „Um Wasserelektrolyseure in energietechnischen Systemen mit fluktuierender Einspeisung erneuerbarer Energien zu koppeln, sind besondere Anforderungen an den Anlagenbetrieb zu berücksichtigen“, betonen die Autoren in ihrer Studie. „Dies gilt vor allem für die Dynamik, das An- und Abschaltverhalten und den Stand-by-Betrieb der Elektrolyseure.“ Außerdem müssen die Elektrolyseure in den Power-to-Gas-Anlagen billiger und leistungsstärker werden, wenn sie großtechnisch funktionieren sollen. Große Kostensenkungspotenziale sieht die Branche in der Serienproduktion im Rahmen der Kommerzialisierung der Systeme.
Die Kunden im Blick
Die Branche hat auch schon die Kundenschaft im Blick. „Während die Energiewende als Treiber das Thema voranbringen kann, wird der Einsatz im Verkehrssektor die schnellste wirtschaftliche Nutzung von Wasserstoff ermöglichen. Für die Energiewende bedarf es neben einer Stromwende auch einer Verkehrswende“, sagt Ulrich Bünger, Koordinator der Studie. „Bereits heute ist zu beobachten, dass die Industrie europaweit die Errichtung einer Wasserstoffinfrastruktur vorbereitet und sogar mit der Umsetzung begonnen hat“, ergänzt Franz Loogen, Geschäftsführer der e-mobil BW.
Rahmenbedingungen müssen stimmen
Mit der Entwicklung ist es aber noch nicht getan. Die Technologien brauchen die Unterstützung der Politik, die geeignete Rahmenbedingungen zur Markteinführung schaffen muss. „So sei es die Aufgabe der Industrie, die Serienherstellung voranzutreiben und das Thema zu bewerben. Die Rolle der Politik sehen die Autoren bei ordnungs- und umweltpolitischen Maßnahmen. Eine hohe Kontinuität an Aktivitäten in Industrie und Politik sei grundlegend für eine erfolgreiche Markteinführung von Brennstoffzellen und Power-to-Gas in der Energiewende. (Sven Ullrich)
