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Hype um Wasserstoff
Wasserstoff- und Brennstoffzellenautos werden massiv gefördert. Das US-Energieministerium hat sie zum zentralen Schwerpunkt seiner Bemühungen um saubere Energie gemacht. Der Bundesstaat Kalifornien hat angekündigt, in den nächsten Jahren eine Wasserstoffautobahn mit Wasserstofftankstellen alle 20 Meilen entlang der Hauptautobahnen zu bauen. General Motors gibt mehr als ein Viertel seines Forschungsbudgets für Brennstoffzellenfahrzeuge aus und Larry Burns, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung und Planung von GM, sagte im Februar, dass das Unternehmen bis 2010 über ein kommerziell rentables Brennstoffzellenfahrzeug verfügen wird.
Trotz all dieses Hypes werden Wasserstoffautos wahrscheinlich den besten Benzin-Elektro-Hybridfahrzeugen wie dem Toyota Prius in praktisch jeder Hinsicht - Kosten, Reichweite, jährliche Tankrechnung, Komfort und Sicherheit - bis mindestens 2030 unterlegen bleiben. Der Prius werden bei vielen Schadstoffen insgesamt sogar niedrigere Emissionen haben als Autos, die mit Wasserstoff betrieben werden, der voraussichtlich auf absehbare Zeit an Tankstellen verfügbar sein wird. Und ein vorzeitiger Vorstoß in Richtung Wasserstoffautos würde die Bemühungen untergraben, die wärmespeichernden Kohlendioxidemissionen zu reduzieren, die den globalen Klimawandel verursachen.
Damit Wasserstoffautos sowohl aus Verbrauchersicht praktisch als auch aus Umweltsicht wünschenswert werden, sind mindestens drei große technologische Durchbrüche erforderlich. Darüber hinaus muss das Land seine Energiepolitik drastisch auf erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie umstellen.
Versteh mich nicht falsch. Ich bin ein starker Befürworter von Wasserstoff als möglichen Kraftstoff der Zukunft. Tatsächlich half ich während eines Großteils der 90er Jahre mit, das Programm des Energieministeriums für saubere Energie, einschließlich Wasserstoff, zu überwachen – während dieser Zeit haben wir die Mittel für Wasserstofftechnologien verzehnfacht. Ich glaube, dass die kontinuierliche Erforschung von Wasserstoff aufgrund seines Potenzials, nach 2030 einen schadstofffreien Ersatz für Öl zu bieten, wichtig bleibt.
Aber an diesem Punkt über Forschung und Entwicklung hinauszugehen, um die Wasserstoffinfrastruktur tatsächlich aufzubauen – wie viele befürworten – ist sowohl ungerechtfertigt als auch unklug. Wie Peter Flynn, Professor für Ingenieurwissenschaften an der University of Alberta, 2002 in einer Studie über die Bemühungen um die Kommerzialisierung von Erdgasfahrzeugen schlussfolgerte: Übertriebene Behauptungen haben die Glaubwürdigkeit alternativer Kraftstoffe für den Transport beschädigt und die Akzeptanz insbesondere bei großen kommerziellen Käufern verzögert.
Schauen wir uns kurz an, warum Wasserstoffautos noch lange nicht sinnvoll sind.
Es ist teuer
In einer Wasserstoffwirtschaft wäre der Hauptenergieträger Wasserstoff, der aus schadstofffreien Energiequellen hergestellt wird. Dieses Ziel ruht auf zwei Säulen: einer schadstofffreien Quelle für den Wasserstoff und einer Vorrichtung zur sauberen Umwandlung dieses Wasserstoffs in nutzbare Energie (die Brennstoffzelle).
Wasserstoff ist keine leicht zugängliche Energiequelle wie Kohle oder Wind. Es ist fest in Molekülen wie Wasser (H20) und Erdgas (hauptsächlich bestehend aus Methan oder CH4) gebunden, so dass es teuer und energieintensiv zu gewinnen und zu reinigen ist. Mehr als 95 Prozent des US-amerikanischen Wasserstoffs werden heute aus Erdgas hergestellt, weil dies die billigste Methode ist. Doch Wasserstoff aus Erdgas in nutzbarer Form in den Tank eines Brennstoffzellen-Autos zu bringen, kostet bei gleicher Energiemenge viermal so viel wie Benzin. Noch teurer ist Wasserstoff aus schadstofffreien Quellen wie erneuerbaren Energien. Eine Wasserstoffinfrastruktur, die auf bestehenden oder nahezu kommerziellen Technologien aufgebaut ist, würde laut der umfassendsten Version mehr als 600 Milliarden US-Dollar kosten lernen durchgeführt, vom Argonne National Laboratory.
Brennstoffzellen sind kleine, modulare, elektrochemische Geräte, die Batterien ähnlich sind, aber kontinuierlich betankt werden können. Eine Brennstoffzelle nimmt Wasserstoff und Sauerstoff auf und gibt Strom und Wärme ab; seine einzigen Emissionen sind Wasser. Das klingt nach einem Energie-Allheilmittel – aber heute, mehr als 160 Jahre nach dem Bau der ersten Brennstoffzelle und nach mehr als 15 Milliarden US-Dollar an öffentlichen und privaten Ausgaben, hat die Brennstoffzellentechnologie immer noch keinen großen kommerziellen Erfolg erzielt.
Die technischen Herausforderungen sind enorm. Im September 2003 berichtete ein Panel des US-Energieministeriums über den Bedarf an Grundlagenforschung für die Wasserstoffwirtschaft unter dem Vorsitz des MIT-Professors für Physik und Elektrotechnik Mildred Dresselhaus, dass Brennstoffzellen für den Verkehr 100-mal teurer sind als Verbrennungsmotoren. Die ausgereiftesten Wasserstoffspeichersysteme, die Ultrahochdruck verwenden, enthalten sieben- bis zehnmal weniger Energie pro Volumeneinheit als Benzin und benötigen eine beträchtliche Menge an Kompressionsenergie. Erst letzten Monat kam ein renommiertes Gremium der National Academy of Sciences zu dem Schluss, dass eine solche Speicherung wenig Aussicht auf langfristige Praktikabilität hat. Und ein diesen Monat von der American Physical Society veröffentlichter Bericht kam zu dem Schluss, dass ein neues Material entdeckt werden muss, um das Speicherproblem zu lösen.
Das Gremium des Energieministeriums stellte fest, dass die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff um den Faktor vier gesenkt werden müssten, um Wasserstoff mit den heutigen fossilen Brennstoffen wirtschaftlich wettbewerbsfähig zu machen. Große Fortschritte wären auch bei der Wasserstoffinfrastruktur und -sicherheit erforderlich. Das Panel kam zu dem Schluss, dass diese Lücken nicht durch schrittweise Fortschritte des gegenwärtigen Stands der Technik geschlossen werden können, sondern revolutionäre konzeptionelle Durchbrüche erfordern.
Wenn sich das so anhört, als würde es lange dauern, bis wir ein kommerziell tragfähiges Produkt auf dem Markt sehen, sollte das keine Überraschung sein. Durchbrüche, die die Energietechnik revolutionieren, sind selten. Es dauerte etwa 20 Jahre, bis sich die Preise für Windkraft und Solarenergie verzehnfacht hatten, nachdem große staatliche und private Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie in den Einsatz getätigt wurden – und sie machen immer noch deutlich weniger als ein Prozent der US-Stromerzeugung aus.
Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoffen (AFVs) stellen eine größere Herausforderung dar, da sie eine Billionen-Dollar-Investition in die Infrastruktur für die Benzinbetankung bewältigen müssen. Zwei große Bemühungen um die Kommerzialisierung von AFVs in den letzten zwei Jahrzehnten – Elektrofahrzeuge und Erdgasfahrzeuge – scheiterten beide, obwohl Strom und Erdgas weithin verfügbar und kostengünstig sind. Wasserstoff hingegen ist kaum nirgendwo verfügbar und relativ teuer. Unsere Autos und unsere Tankinfrastruktur sind auf flüssige Kraftstoffe ausgelegt, die eine hohe Energiedichte aufweisen und einfacher zu handhaben sind als diffuse Gase wie Wasserstoff.
Aufgrund meiner Gespräche mit Experten im ganzen Land halte ich es für unwahrscheinlich, dass Wasserstoffautos bis 2030 auch nur einen Marktanteil von fünf Prozent erreichen werden. Aber wir sollten es nicht eilig haben, Wasserstoffautos einzusetzen.
Es ist nicht unbedingt sauber
Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Wasserstoff von Natur aus gut für die Umwelt ist. Tatsächlich ist Wasserstoff jedoch nicht umweltfreundlicher als die zu seiner Herstellung verwendeten Energieträger. Wie das Gremium der National Academy feststellte, ist es sehr wahrscheinlich, dass fossile Brennstoffe für mehrere Jahrzehnte die Hauptquellen für Wasserstoff sein werden. Jeder vorzeitige Vorstoß in Richtung Wasserstoffautos würde unweigerlich bedeuten, dass der Wasserstoff aus der billigsten Quelle von heute, Erdgas, stammt. Angesichts der Beschränkungen bei der nordamerikanischen Gasversorgung würden wir jedoch nur importiertes Gas gegen importiertes Öl eintauschen.
Noch wichtiger ist, dass ein Brennstoffzellenauto, das mit Wasserstoff aus Erdgas betrieben wird, keine signifikanten Treibhausgaseinsparungen im Vergleich zu fortschrittlichen Hybridfahrzeugen mit Öl bietet – als 2003 MIT study abgeschlossen. Die besten neuen Hybriden haben ihren Kraftstoffverbrauch und damit die Treibhausgasemissionen stark reduziert. Der Prius von 2004 wird mit schwefelarmem Benzin betrieben und produziert 90 Prozent weniger Auspuffemissionen als ein durchschnittlicher Neuwagen.
Der billigste Wasserstoff ist jedoch schmutzig. Basierend auf den von Royal Dutch/Shell vorgeschlagenen Wasserstofftankstellen würden die Gesamtemissionen von Stickoxiden aus einem Brennstoffzellenfahrzeug verdreifachen das der besten Neuwagen.
Ebenso wichtig wäre, dass eine solche Strategie Erdgas einer Vielzahl von besseren Verwendungszwecken entziehen würde. Während Fahrzeuge, die mit erdgasbasiertem Wasserstoff betrieben werden, im Vergleich zu den besten benzinbetriebenen Hybridfahrzeugen keine signifikanten Treibhausgaseinsparungen erzielen, kann eine Umstellung auf Erdgas die Emissionen von Stromerzeugungsanlagen erheblich reduzieren. Ein kohlebefeuerter Generator gibt pro produzierter Megawattstunde Strom mehr als 1.000 Kilogramm Kohlendioxid in die Luft ab. Die besten Gaskraftwerke setzen dagegen nur etwa 350 Kilogramm Kohlendioxid pro erzeugter Megawattstunde frei.
Ebenso würde eine Megawattstunde Strom aus erneuerbaren Energien bei der Herstellung von Wasserstoff für ein Brennstoffzellenfahrzeug rund 230 Kilogramm Kohlendioxid im Vergleich zu einem benzinbetriebenen Prius einsparen. Das sind rund 770 Kilogramm weniger als die Einsparungen durch die Verdrängung von Kohlekraft – und diese Einsparungen können erreicht werden, ohne Hunderte Milliarden Dollar für Brennstoffzellenfahrzeuge und Wasserstoffinfrastruktur auszugeben. Wie David Keith von Carnegie Mellon und Alexander Farrell von der University of California, Berkeley, im Juli 2003 in einer Analyse in Wissenschaft Magazin: Bis die CO2-Emissionen aus der Stromerzeugung praktisch eliminiert sind, wird es weitaus kostengünstiger sein, neuen CO2-neutralen Strom (z.
Der US-Kongress wird jedoch kein Gesetz verabschieden, das im Jahr 2020 auch nur 10 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Energien vorschreibt. Dies bedeutet, dass Wasserstoffautos bis nach 2030 keinen wirklichen Wert als globale Erwärmungsstrategie haben werden. Eine Analyse des Pacific Northwest National Laboratory aus dem Jahr 2004 kam zu dem Schluss, dass Wasserstoff selbst mit technologischen Durchbrüchen und einem großen Vorstoß zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen nicht in den Verkehr eindringt Sektor bis nach 2035 maßgeblich.
Im Moment ist die Lieferung von erneuerbarem Wasserstoff in nutzbarer Form an ein Auto unerschwinglich teuer – das Äquivalent zu Benzin mit 6 bis 10 US-Dollar pro Gallone. Wir brauchen einen großen Durchbruch bei der CO2-neutralen Wasserstoffproduktion sowie deutliche Fortschritte bei Brennstoffzellen und Wasserstoffspeicherung, bevor Wasserstoffautos zu plausiblen Konkurrenten werden.
Während wir in den nächsten zwei Jahrzehnten Forschung und Entwicklung betreiben, müssen wir, um eine katastrophale Erderwärmung zu vermeiden, neuen CO2-neutralen Strom zu unserer obersten Priorität machen. Ein März 2003 Analyse von einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Ken Caldeira vom Lawrence Livermore National Laboratory und veröffentlicht in Wissenschaft Magazin, kam zu dem Schluss, dass, wenn die Klimasensitivität in der Mitte des derzeit prognostizierten Bereichs liegt, selbst eine Stabilisierung bei einer Erwärmung von 4 °C die Installation von 410 Megawatt CO2-freier Energiekapazität pro Tag erfordern würde – das Fünffache der üblichen Prognose.
Während Wasserstofffahrzeuge in stark verschmutzten Städten vor 2030 möglicherweise nur einen begrenzten Wert haben, um mit Dieselmotoren betriebene Flotten zu ersetzen, ist es unwahrscheinlich, dass Brennstoffzellenautos bis dahin einen Massenmarkterfolg erzielen werden. Weder Regierungspolitik noch Unternehmensinvestitionen sollten auf der Überzeugung basieren, dass Wasserstoffautos kurz- oder mittelfristig einen bedeutenden kommerziellen Erfolg haben werden.
Joseph J. Romm war während der Clinton-Administration stellvertretender Energieminister für Energieeffizienz und erneuerbare Energien. Dieser Artikel basiert auf Material aus seinem Buch Der Hype um Wasserstoff: Fakt und Fiktion im Wettlauf um die Rettung des Klimas , veröffentlicht diesen Monat von Island Press. Weitere Informationen zum Buch finden Sie unter www.coolcompanies.org .