Im vergangenen November eröffnete Coop in Hunzenschwil (AG) die erste öffentliche Wasserstofftankstelle der Schweiz. Damit bekennt sich das Unternehmen tatkräftig zu einem Energieträger, dessen Zukunft massgeblich vom Aufbau einer noch nicht existierenden Infrastruktur abhängen wird.
Verfasst von Leonid Leiva
Wasserstoff hat zurzeit in vielen Kreisen Hochkonjunktur als Energieträger der Zukunft. Mit dem Markteintritt des Mirai (japanisch für Zukunft) hat Toyota den ersten in Serie gebauten Wasserstoff-Personenwagen auf die Strasse gebracht. Coop nimmt nun zeitgleich mit der ersten Wasserstoff-Tankstelle auch den weltweit ersten Wasserstoff-Lastwagen mit Anhänger sowie 12 Wasserstoff-Brennstoffzellenautos in die Firmenflotte auf. Für die Herstellung des Wasserstoffs hat der Detailhändler einen Technologiemix mit einem sehr geringen ökologischen Fussabdruck gewählt. Das Gas wird nämlich aus der Zerlegung von Wasser mittels Elektrizität in einem Elektrolyseur gewonnen. Dieser wiederum bezieht seine Energie aus einem naheliegenden Laufwasserkraftwerk.
Wasserstoff hat als Treibstoff eine Reihe von Vorteilen. Seine „Verbrennung“ produziert lediglich reinen Wasserdampf als „Abgas“. Damit wird die Luftqualität durch lokale Emissionen in Städten und Ortschaften nicht beeinträchtigt. Zudem ermöglicht Wasserstoff aufgrund seiner relativ hohen Energiedichte grössere Fahrzeug-Reichweiten als Elektroautos mit Batterie: In der Regel kommt ein Wasserstoff-Auto mit einer Tankfüllung schon heute 500 Kilometer weit. Auch der Tankvorgang läuft wesentlich schneller ab (rund 5 Minuten) als das Aufladen eines E-Autos.
Wohl noch wichtiger für das Gesamtenergiesystem in Zeiten zunehmend dezentraler, schwankender Stromproduktion aus Solar- und Windkraft ist die Rolle, die Wasserstoff als Energiespeicher zukommen könnte. Als Gas lässt sich Wasserstoff leichter speichern und transportieren als etwa Strom in einer Batterie. Durch den Prozess der Elektrolyse kann die bisweilen aus Sonne und Wind anfallende überschüssige elektrische Energie dazu verwendet werden, aus Wasser Wasserstoff (und Sauerstoff) zu gewinnen. Damit werden einerseits die Stromnetze entlastet. Andererseits geht die grüne Energie nicht verloren, denn der gespeicherte Wasserstoff kann später in einer Brennstoffzelle wieder verstromt werden, etwa um Autos anzutreiben oder Haushalte zu versorgen. Zudem dient Wasserstoff auch als Brennstoff in Brennstoffzellenheizungen, womit auch der Wärmemarkt seine CO2-Bilanz verbessern kann.
Das Konzept, Wasserstoff als chemischen Energieträger zur langfristigen Speicherung überschüssigen erneuerbaren Stroms zu benutzen, wird unter dem Namen Power-to-Gas gegenwärtig in Forschungs- und Entwicklungsprojekten vielen Ländern verfolgt – auch in der Schweiz. Untersucht wird dabei auch die Möglichkeit, den Wasserstoff unter Zugabe von CO2 – idealerweise aus Biomasse-Quellen – zu Methan (synthetischem Erdgas) weiter zu verarbeiten. Das würde zwar zusätzliche Energie kosten, hätte aber den Vorteil, dass das Methan in einem Land wie der Schweiz in grossen Mengen im bestehenden und gut ausgebauten Gasnetz gespeichert werden könnte. Damit könnte noch mehr sauberer Strom von der Sommer- in die Wintersaison hinüber gerettet werden, ohne zuerst grosse Investitionen in den Aufbau einer Speicher-Infrastruktur tätigen zu müssen.
Strom-, Wärme- und Verkehrssektor würden also mit Power-to-Gas vom flexibel einsatzbaren Energieträger Wasserstoff profitieren. Allerdings stimmt die Ökobilanz einer Wasserstoff-Wirtschaft nur dann, wenn der Wasserstoff selbst durch die genannte Elektrolyse unter Einsatz CO2-armer, erneuerbarer Energie hergestellt wird.
Heutzutage ist das nicht selbstverständlich, denn rund 95 Prozent der weltweiten Wasserstoff-Produktion basiert auf fossilen Energieträgern. Das meist gebrauchte Verfahren zur Wasserstoffgewinnung wird als Dampfreformierung bezeichnet. Dabei wird ein Kohlewasserstoff, in der Regel Erdgas, unter Zugabe von Wasserdampf in ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt. In einem zweiten Schritt wird aus dem Kohlenmonoxid noch Wasserstoff und Kohlendioxid gewonnen. Der Prozess geht aber mit einem grossen Energieaufwand und erheblichen CO2-Emissionen einher.
Deutlich umweltfreundlicher ist die Wasserstoff-Herstellung durch Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarem Strom. Die Elektrolyse ist an und für sich keine neue Technologie. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts gab es auf der Welt mehr als 400 Elektrolyse-Anlagen industriellen Massstabs. Doch aus Kostengründen ist der Anteil der Elektrolyse an der globalen Wasserstoff-Produktion klein geblieben und liegt derzeit bei nur rund 4 Prozent. Als vorherrschende Technologie haben sich sogenannte Alkali-Elektrolyseure etabliert.
Coop setzt auf eine weniger ausgereifte, dafür aber zukunftsweisende Elektrolyse-Technik: die sogenannte PEM-Elektrolyse. PEM steht für proton exchange membrane, zu deutsch: Protonenaustausch-Membran. Namensgebend ist die in PEM-Elektrolyseuren eingesetzte Kunststoff-Membran. Sie ermöglicht den Ablauf der elektrochemischen Reaktionen im Elektrolyseur, indem sie die dafür nötigen Wasserstoffatomkerne (Protonen) durchlässt. Gleichzeitig verhindert sie, dass sich die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff vermischen und unkontrolliert – im schlimmsten Fall explosiv – miteinander reagieren. Gegenüber Alkali-Elektrolyseuren haben die PEM-Anlagen den Vorteil der höheren Energieeffizienz: Der PEM-Elektrolyseur braucht weniger Strom, um die gleiche Menge Wasserstoff zu erzeugen. Hinzu kommt, dass PEM-Elektrolyseure sehr schnell auf Leistungsschwankungen reagieren können. Mit anderen Worten: PEM-Elektrolyseure eignen sich besser für das Auffangen von steilen Stromspitzen, wie sie etwa zur Mittagszeit an sonnigen Tagen von Photovoltaik-Anlagen verursacht werden. Der PEM-Elektrolyseur kann dann innerhalb von Millisekunden die Wasserstoff-Produktion aus dem Überschussstrom anwerfen bzw. anpassen.
Durch den Einsatz eines mit heimischer Wasserkraft versorgten PEM-Elektrolyseurs hat sich Coop für eine Variante entschieden, die bei der Wasserstoffproduktion eine minimale Umweltbelastung verursacht. Allerdings bleiben grundsätzliche Nachteile der PEM-Elektrolyse noch zu überwinden. In den Katalysatoren des PEM-Elektrolyseurs kommt zum Beispiel das Edelmetall Platin zum Einsatz. Dieses ist nicht nur teuer und belastet somit die Wirtschaftlichkeit der Technologie. Platin ist auch entlang seiner Wertschöpfungskette vom Abbau über den Transport bis hin zur Entsorgung mit Umweltbelastungen verbunden. Hoffnung lässt sich aber aus jüngsten Forschungsergebnissen schöpfen, die darauf hinweisen, dass sich Platin im Elektrolyseur durch billigere und potenziell umweltschonendere Metalle wie Eisen und Nickel ersetzen liesse.
Alles in allem bleibt die PEM-Elektrolyse eine vielversprechende Technologie, die gepaart mit Power-to-Gas eine gangbare, umweltfreundliche Lösung zum Problem der Energiespeicherung im Energiesystem der Zukunft darstellen könnte.
Als Mitarbeiter der Faktor Journalisten (bis Januar 2019 ) verfasste Leonid Leiva zahlreiche Beiträge für Energie-Experten. Heute ist er Kommunikationsspezialist am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon.
