Unser Alltag basiert auf der Nutzung von Strom. Ob im Haushalt, im Verkehr, auf Arbeit oder in der Freizeit: überall begleiten uns Geräte und Hilfsmittel, die per Stromkabel oder Batterie betrieben werden. Um eine fortwährende Versorgung mit Elektrizität zu gewährleisten, verfügen wir in Deutschland über eine Vielzahl von Kraftwerken und dezentralen Erzeugungsanlagen für Erneuerbare Energie. Der dort erzeugte Strom wird über 1,8 Millionen Kilometer Stromnetz an uns Verbraucher verteilt.
Wichtig ist, dass der Strom immer in dem Moment der Erzeugung auch verbraucht wird bzw. im Moment des Verbrauchs erzeugt wird – er fließt extrem schnell und kann in seiner natürlichen Form nicht gelagert werden. Zur Speicherung muss er umgewandelt werden, z. B. elektrochemisch in Batterien und Akkus, thermochemisch in Wärmeträgern oder indem mithilfe des Stroms ein lagerbarer Energieträger erzeugt wird. Das beste Beispiel dafür ist die künstliche Erzeugung von Wasserstoff und Methan, auch bekannt unter dem Begriff Power-To-Gas.
Warum Wasserstoff?
Bereits im 18. Jahrhundert erfolgten vielfache Experimente rund um Wasserstoff und die Wirkung von Brennstoffzellen. Wasserstoff etablierte sich daraufhin sowohl für die Erzeugung von Strom als auch als Grundlage für den Betrieb von Heißluftballons und Zeppelinen – der Umstieg auf Helium war dann aber mit dem Desaster rund um den Hindenburg-Zeppelin besiegelt. Die hohe Energiedichte und Brennbarkeit des Wasserstoffs galten verständlicherweise als nicht zu bändigendes Sicherheitsrisiko.
Seit den 1970er Jahren wurde wieder intensiv an der mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle geforscht und das Konzept des Brennstoffzellen-Autos gewann an Bedeutung. Da der Wasserstoff zu diesem Zeitpunkt ausschließlich flüssig getankt wurde, war die gesamte Infrastruktur mit sehr hohem Aufwand verbunden – Wasserstoff wird nämlich erst bei etwa -250 °C flüssig. Richtig etablieren konnte sich die Brennstoffzelle als Alternative zum Benzin/ Diesel daher nicht. Später einigten sich die Autohersteller und Betreiber von Wasserstofftankstellen auf die Betankung gasförmigen Wasserstoffs, der unter weniger Aufwand transportiert, gelagert und getankt werden kann. Moderne wasserstoffbetriebene PKW kommen mit einer Tankfüllung auf eine Reichweite von 500 bis 800 Kilometer.
Darüber hinaus sind Brennstoffzellen eine sehr gute Grundlage für den Betrieb kleiner Blockheizkraftwerke. Sogenannte Mini-BHKW können im Keller den Energieverbrauch eines Mehrfamilienhauses oder ganzen Quartiers übernehmen und werden bestmöglich mit regenerativen Brennstoffen wie Holzpellets oder einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betrieben.
Wasserelektrolyse
Jetzt stellt sich natürlich noch die Frage, wie man an den Wasserstoff kommt. Es handelt sich dabei schließlich um das häufigste chemische Element im Universum. Allein unsere Sonne besteht zu knapp drei Vierteln aus Wasserstoff – aber da kommt man nur schwer ran. Also, wie stellt man Wasserstoff her?
Der entsprechende Prozess nennt sich Wasserelektrolyse. Dabei wird Wasser (H2O) in seine molekulare Bestandteile zerlegt: Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Dafür wird das Wasser durch Zugabe weiterer Stoffe besonders leitend gemacht und unter Strom gestellt. Dafür bilden eine negativ und eine positiv geladene Elektrode ein elektrisches Feld. In der anschließenden Reaktion entstehen die gewünschten Wasserstoffmoleküle.
Der energetische Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse liegt bei über 70 Prozent und kann in speziellen Anlagen auf über 80 Prozent steigen. Der Energiebedarf – der Strom für das elektrische Feld – ist dabei so hoch, dass der gesamte Prozess nur dann wirklich wirtschaftlich durchgeführt werden kann, wenn es sich um überschüssige Strommengen handelt. Wir verfügen durch den Zubau von Solar- und Windkraftanlagen immer wieder über Strom, der in diesem Moment nicht gebraucht wird. Dieser überschüssige Strom entsteht zu großen Teilen in den Offshore-Windkraftanlagen in der Nordsee, sodass einige große und besonders effiziente Elektrolyse-Anlagen an der Nordseeküste aufgebaut wurden.
Wasserstoff zu Methan
Das Power-to-Gas-Konzept hört an dieser Stelle aber noch nicht auf. Deutlich vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten bietet die Weiterverarbeitung des Wasserstoffs zu künstlichem Methan.
Bei der sogenannten Methanisierung wird Wasserstoff mit Kohlenstoff angereichert. Der so entstehende Kohlenwasserstoff Methan (CH4) entspricht in seiner Beschaffenheit weitestgehend dem natürlichen Erdgas. Das künstliche Methan kann nach eventueller Anreicherung direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden. Dieses Netz umfasst über 500.000 Kilometer Leitungen und ist damit bereits ein riesiger Speicher – das Gas kann dort schließlich einfach lagern. Darüber hinaus kann das Methan natürlich in Gaskraftwerken verfeuert werden, allerdings ist der Wirkungsgrad der Rückverstromung vergleichsweise niedrig.
Das gesamte Konzept lohnt sich daher nur, wenn der zugrunde liegende Strom tatsächlich überschüssig produziert ist und das methanisierte Gas besonders effizient verwendet werden kann.