Die Effizienz einer Wasserstoffwirtschaft

Der Sekundärenergieträger Wasserstoff ermöglicht eine einfache, effiziente und dezentrale Herstellung von Strom mittels Brennstoffzellen. Dabei entsteht bei nahezu jedem Endverbraucher ein Überschuss an Strom. Infolge des hohe Stromüberschusses kommt es auf den elektrischen Wirkungsgrad nicht an. Da ein Wirkungsgrad an Verluste denken lässt, sollte man besser vom Stromanteil sprechen, denn bei der Stromherstellung entstehen keine Verluste. Bezieht man die Effizienz auf die chemische Energie (also auf den Heizwert) des Wasserstoffs, dann kann der Wirkungsgrad auch mehr als 100% erreichen, wenn der gebildete Wasserdampf kondensiert. In Deutschland ist das unter dem Begriff Brennwerttechnik bekannt. Um die Gesamteffizienz einer Wasserstoffwirtschaft zu ermitteln, muss der Herstellprozess des Wasserstoffs einbezogen werden. Es sollen hier zwei Beispiele kurz dargestellt werden.

Wasserelektrolyse

Der oben dargestellte Wirkungsgrad von 80% gilt heute als Ziel der Entwicklung. Da in einer Wasserstoffwirtschaft Wärme so hochwertig ist wie Strom, lässt sich für die Wärme am Elektrolyseur voraussichtlich ein Nutzer finden.

Thermochemische Vergasung von Biomasse

An diesem vereinfachten Beispiel sieht man, das die eingespeiste Stromenergie zu 99% genutzt werden kann. Davon ca. 5% am Standort der Elektrolyse und 94% beim Endkunden. Der Wert kann 100% nicht übersteigen, wenn nur auf den Strom bezogen wird. Betreibt man den Elektrolyseur mit geringer Stromdichte, würde er abkühlen. In diesem Fall muss man Wärme zuführen. Der energetische Stromwirkungsgrad ist dann über 100%. In Deutschland wird der Wirkungsgrad jedoch auf den Heizwert (Hu) bezogen, genutzt (und abgrechnet) wird aber der Brennwert (Ho). Infolge der Kondensationswärme des gebildeten wasserdapf ist dieser höher. Im gezeigten Beispiel ist der energetische Wirkungsgrad 80*1,18 = 94,4%.

Auf den ersten Blick mag die Umwandlung von hochwertigen Strom in 50% Wärme und 50% Strom als unsinnig erscheinen. Auf den zweiten Blick ist jedoch zu erkennen, dass es nur auf die Erzeugung und Nutzung von Energie ankommt. Strom gibt es in einer Wasserstoffwirtschaft ohnehin mehr als heute nachgefragt wird.

An diesem vereinfachten Beispiel sieht man, dass der Heizwert der Biomasse zu 107% (8+99) genutzt werden kann. Richtgröße ist hier der Brennwert der Biomasse. Dieser beträgt 107%. Die Ursache solch hoher Effizienz liegt in der Natur des Vergasungsprozesses. Es handelt sich um einen endothermen Vergasungsprozess, bei dem alle zugeführte Energie in Form von Wasserstoff freigesetzt wird. Mit höheren Investitionskosten in die Vergasung kann der Anteil der Energie, die beim Endverbraucher landet, zu Lasten des Wärmeanfalls an der Vergasungsanlage erhöht werden.

Die Art des eingesetzten Energieträgers hat auf die Höhe der Effizienzkette nur einen geringen Einfluss. Ungefähr die gleiche Effizienz erreicht man auch für Kohle oder Erdgas.

Bei der thermochemischen Vergasung von Biomasse ist Wasser ein wichtiger Input, denn der überwiegende Teil des gebildeten Wasserstoffs stammt aus dem zugeführten Wasser. Bei trockener Biomasse ist also Brunnenwasser zuzuführen. Das Wasser kann aber auch in feuchter Biomasse enthalten sein. Bei allothermer Vergasung würde ein Wassergehalt von ca. 50% die Effizienz der Vergasung nicht schmälern, bei autothermer Vergasung (mit Sauerstoff) sind es ca. 40%.

Das ist bei Kraftwerken ganz anders. Hier würde ein Wassergehalt von 50% den Strom-Wirkungsgrad mehr als halbieren.

Würdigung der Energieketten-Effizienz

Solange Niedertemperaturwärme, beispielsweise für Raumwärme und Warmwasser genutzt werden kann, ist die Gesamteffizienz höher als 100%. Beim Modellfall 70% Biomasse und 30% EE-Strom beträgt sie theoretisch 104%. Bei Industrieprozessen, die hohe Temperaturen erfordern, lässt sich Niedertemperaturwärme nicht immer unter Kostengesichtspunkten nutzen. Dafür sind Brennstoffzellen vom SOFC-Typ erforderlich, die Wärme auf einem Temperatuniveau von ca. 900°C bereitstellen können. Auch eine Stromheizung wirkt sich auf die Gesamteffizenz nicht schädlich aus, wenn andernorts mehr Wärme als Strom nachgefragt wird. Auf der anderen Seite gibt es viele Möglichkeiten mit niedrigen Temperaturen mittels Wärmepumpen Umgebungswärme nutzbar zu machen. Auch der Verkehrsbereich erfordert eine differenzierte Betrachtung. Mit einem Mix aus Batterie- und Brennstoffzellenantrieben ist eine Effizienz von 100% durchaus möglich. Als Mittelwert über alle Anwendungen könnte eine heizwertbezogene Gesamteffizienz von 87% für das Jahr 2030 erreicht werden (Abbildung unten). Durch die eingeleiteten Energiesparmaßnahmen und eine Effizienzsteigerung durch den Stromüberschuss, wird für Deutschland erwartet, das sich die erforderliche Nutzenergie von 4,6 EJ auf 3 EJ reduziert.

Das nebenstehende maßstäblich gezeichnet Sankey-Diagramm vergleicht die deutsche Energiewirtschaft aus dem Jahre 2007 (letze amtliche Erhebung) mit einer Wasserstoffwirtschaft im Jahre 2030.   Dieser Zeitpunkt ist auch für die Abschätzung des Biomasse-Potenzial maßgebend, weil erst dann das volle Potenzial bereitstehen muss.

Die stoffliche Nutzung fossiler Energieträger wurde in dieser Darstellung nicht dargestellt. Eine angemessen detaillierte Betrachtung würde den Rahmen dieser Website sprengen. Im Prinzip ist es so, dass früher fast alle chemischen Produkte aus Kohle über Synthesegas (notwendige Vorstufe von Wasserstoff) hergestellt wurden. Heute ist es vorwiegend Öl und Erdgas, morgen wird es Biomasse sein.

Vergleich der historisch gewachsenen Energiewirtschaft mit einer Wasserstoffwirtschaft

Man erkennt, das die eingesetzte Primärenergie in einer Wasserstoffwirtschaft um den Faktor Vier kleiner ist als in der historisch gewachsenen Energiewirtschaft. Das bedeutet, dass die Energiekosten mindestens um den Faktor Vier kleiner sind, Wahrscheinlich sogar mehr als der Faktor Vier, weil die Primärenergie (Biomasse) schon heute billiger ist als die fossilen Energieträger im Mittel und die Infrastruktur einer Wasserstoffwirtschaft einfacher ist. Die hohe Effizienz hat auch Auswirkungen auf das verfügbare Potenzial. Das Potenzial der Biomasse wird außerdem dadurch erhöht, dass Biomasse aller Art genutzt werden kann.

aktualisiert: 26.11.2013

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