Ist Wasserstoff die Lösung?

Als ich heute meinen Lieblingspodcast (Methodisch inkorrekt) gehört habe, wurde die Frage erörtert, wie viel Süßwasser braucht es eigentlich, um die für Verkehr und Heizen theoretisch benötigte Menge Wasserstoff herzustellen. Dabei bin ich hellhörig geworden, als erzählt wurde, dass aus einem Liter Wasser 0,9l Wasserstoff entstehen würden. Das ist falsch und war vermutlich ein Versprecher. Richtig muss es heißen, dass aus 9l Wasser = 9kg, 1kg Wasserstoff erzeugt werden kann. Warum in kg? Naja, Wasserstoff ist schlecht in Litern zu fassen, denn dafür müssen die Umgebungsparameter, wie Temperatur und Druck verändert werden. Bevor ich im Folgenden ein paar Berechnungen anstelle, sei dem geneigten Wasserstofffan noch gesagt, dass der Einsatz von Wasserstoff im Auto mit einer Brennstoffzelle dazu führt, dass das Tempolimit automatisch eingehalten wird, denn der Umwandlungsprozess kann nur relativ kontinuierlich passieren, so dass das Betätigen des Beschleunigungspedals nicht viel bringt, bzw. nur über den Umweg über einen Akku funktioniert. Oder man begibt sich wieder in die Verbrennung, hat dann aber viel höhere Verluste und kommt nicht weit.

Berechnungen

Im Jahr 2020 wurden weltweit 88 Millionen Barrel Rohöl gefördert. Ein Barrel sind 159 Liter. Damit wurden jeden Tag 13.992.000.000 l Öl gefördert, bzw. im Jahr 5.107.080.000.000 l. Anders ausgedrückt 5 Billionen Liter. Der Energiegehalt von Rohöl sind etwa 11kWh. Das heißt, es handelt sich um eine Energiemenge von 56.177.880.000.000 kWh jährlich. Davon werden ca. 70% für Transport, also Benzin, Diesel, Kerosin, … und Heizen verwendet. Das ergibt 39.324.516.000.000 kWh Energie, die wir durch Wasserstoff ersetzen müssten.

1kg Wasserstoff besitzt die Energie von etwa 33kWh. Damit würden 1.191.652.000.000 kg Wasserstoff benötigt. Nun wollen wir ja ökologisch sein und den Wasserstoff durch Elektrolyse herstellen. Dabei treten Verluste in Höhe von 60% auf. Nicht eingerechnet Verluste durch Transport, Kühlung, Kompression, … Damit brauchen wir

  1. 98.311.290.000.000 kWh Strom zur Herstellung (das entspricht 9000 durchschnittlichen Kernkraftwerken)
  2. 10.724.868.000.000 l reines Wasser (Süßwasser)

Das sind ziemlich große Zahlen. Meine Photovoltaikanlage erzeugt etwa 240kWh Strom pro Zelle und Jahr. Heute sind die Zellen noch besser, bzw. können noch besser sein, je nachdem wie viel Geld man ausgeben möchte. Rechnen wir einfach mal mit 300kWh / Jahr. Dann brauchen wir 327.704.300.000 Solarzellen für die Stromproduktion. Sofern wir davon ausgehen, dass die Herstellung der Solarzellen auch mit Solarstrom erfolgt und das alles CO2 neutral ist. Eine Solarzelle ist etwa 0,8m2 groß. Damit brauchen wir eine Fläche von 262.163.440.000m2, was 262.163km2 sind. Immerhin könnten wir in Deutschland 1% des Weltbedarfs mit Dachflächen abdecken, was in etwa dem Bevölkerungsanteil entspricht. Leider verbraucht Deutschland aber das 4-Fache.

Nun die Korrekturen, weil es nicht ganz so schlimm ist. Für den Verkehr werden etwa 50% des Öls verwendet, also 28.088.940.000.000 kWh pro Jahr. Wenn wir aber elektrisch fahren, dann spart das zumindest im PKW Bereich 2/3 ein, weil die Autos viel weniger Verluste haben und dementsprechend weniger Energie verbrauchen. Wir sind ja optimistisch und rechnen das hoch und bekommen einen Verbrauch von 9.269.350.200.000 kWh. Das ergibt noch immer 77.244.585.000 Solarzellen, aber es sind nur noch 61.796qkm Fläche. Das ist 1,5 Mal die Schweiz.

Wenn wir nur mit Batterien fahren, dann reduzieren sich die Verluste, so dass am Ende nur noch etwa 1/3 herauskommt, also die halbe Schweiz. Zudem würde die Wasserstoffherstellung 11 km3 (Kubikkilometer) Wasser benötigen, welches wir erstens der Trinkwasserversorgung entnehmen würden und zweitens zusätzlich in die Luft bringen würden, was vermutlich nicht so viel ist, aber trotzdem nicht gut im Zusammenhang mit den Klimaveränderungen ist.

Ganz anders sieht es im Bereich Zwischenspeicher im häuslichen Bereich aus, wo es einen Kreislauf von Elektrolyse und Brennstoffzelle geben kann. Hier gibt es nur einen einmaligen Wasserbedarf.

Fazit

Öl (und wir haben hier noch nicht das Thema Erdgas beleuchtet) durch Wasserstoff zu ersetzen bringt nicht wirklich Vorteile. Das, was die Autofahrer sich durch das schnelle Tanken erhoffen, wird durch eine geringe Reichweite und fehlende Fahrdynamik wettgemacht. Außerdem muss ein hoher technischer Aufwand betrieben werden, der nicht so schnell umsetzbar ist. Es gibt Einsatzgebiete für Wasserstoff (Ersatz von Erdgas), die sehe ich aber nicht im Transportwesen und auch nicht in der Gebäudetechnik. Eigentlich wäre die optimale Lösung die Carrerabahn, so dass die Fahrzeuge keine schweren Akkus mehr mitschleppen müssten, aber das ist sicher nicht realisierbar. Auch das autonome Auto bringt beim Verbrauch nicht wirklich etwas, denn die Leute wollen ja trotzdem von a nach b kommen und das autonome Auto muss sich dann auch noch zu den Leuten hinbewegen. Das autonome und geteilte Auto bringt dafür viel bei der Ressourceneinsparung in Herstellung, Platzbedarf, Wartung, …

Die Bedeutung für Deutschland ist, dass die Dachflächen mit Windkraft zusammen reichen würde, um den Energiebedarf zu decken, wenn wir keinen Wasserstoff zum Verfahren verwenden, denn bei den obigen Zahlen sind ja nur die Solarzellen berücksichtigt worden, aber die Windkraft hat ja einen aktuell noch größeren Anteil an der Ökostomerzeugung. Außerdem spart die nicht Verwendung von Öl auch Energie ein, so dass noch weniger als angenommen benötigt wird.

AddOn

So gerne ich lieber gestern als heute auf das Erdöl verzichten würde, muss beachtet werden, dass Erdöl auch in vielen anderen Bereichen, wie Kunststoffe, Medizin, Strassenbau, … eingesetzt werden. Dafür muss entsprechender Ersatz gesucht werden, bzw. die chemischen Prozesse müssen so angepasst werden, dass in der Übergangszeit die Bestandteile, die heute verbrannt werden, auch für sinnvolle Dinge genutzt werden.

Anmerkung

Ein weiteres Lieblingsthema von vielen technikaffinen Menschen ist Stromerzeugung durch Kernfusion.. Hier möchte ich folgendes anmerken:

  1. Wir haben schon ein kostenloses Fusionskraftwerk. Wir sollten dieses nutzen.
  2. Selbst wenn das mit der Kernfusion klappt, braucht es noch viele Jahre, bis es eine Lösung gibt.
  3. Auch eine Kernfusion braucht Treibstoff. Wo soll der denn herkommen?

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