28 Die letzten Stufen auf der Himmelsleiter?
Warum Ölmultis auf Gas stehen. Schiere Notwendigkeit zwingt zu teuren Problemlösungen für ein Leichtgewicht. Von der Gefahr, auf der letzten Stufe stehen zu bleiben. Verführerischer Wasserstoff: Ein Gas mit sehr kostspieligen Eigenheiten. Sich an unsichtbaren Flammen verbrennen? Das FreedomCAR darf nicht in die Garage.
Beim Verbrennen von Erdgas oder Öl wird nur halb so viel Kohlendioxid freigesetzt [wie bei Kohle], unverbranntes Erdgas ist aber als Treibhausgas fünfundzwanzigmal potenter als CO2. Schon ein kleines Leck würde den Vorteil von Gas zunichte machen. (J.Lovelock im 'Independent' am 24.05.2004)
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Für Menschen in der petrochemischen und in der Automobilindustrie besteht die Lösung des Klimaproblems darin, eine metaphorische Stufenleiter von Brennstoffen emporzusteigen, auf der der Kohlenstoffanteil mit jedem Schritt kleiner wird.
Gestern, so lautet das Argument, verbrannte man Kohle, heute Öl und morgen Erdgas; das Nirwana wird erreicht, wenn die Weltwirtschaft zum Wasserstoff übergeht, einem Brennstoff, der überhaupt keinen Kohlenstoff enthält.
Der Übergang von Öl zu Gas ist zwar in Gang gekommen, wird aber noch einige Zeit brauchen. Viele Jahre lang betrachteten die Ölgesellschaften Erdgas nur als flüchtiges Abfallprodukt, das man entweder abfackelte oder in die Erde zurückpumpte, um den Öldruck im Bohrloch zu erhöhen.74) Wegen des höheren Wasserstoffanteils verbrennt Erdgas heißer und sauberer als Öl, daher war es schon immer ein wertvoller Stoff, aber die Technologie, es sicher und billig zu transportieren, stand noch nicht zur Verfügung.
Zu den größten Nachteilen von Erdgas zählt seine geringe Dichte, es braucht viel Platz und entweicht leicht. Ein Gasvolumen von der Größe eines Hauses enthält dieselbe Energie wie ein Fass Öl, daher kamen Fässer — und sogar Tanker — für den Gastransport nie infrage. Pipelines lagen als Lösung auf der Hand, aber für Erdgas geeignete Rohrleitungen kosten rund 600.000 Dollar pro Kilometer, und deswegen brachte bis vor kurzem ein in Öl investierter Dollar doppelt so viel Profit wie ein in die Gasförderung gesteckter.75)
Technische Fortschritte beim Umgang mit Gas, hohe Ölpreise, die sich abzeichnende Ölknappheit und die Nachfrage nach einem saubereren Kohleersatz haben die Gaswirtschaft verändert, und heute sind damit gute Geschäfte zu machen. Der wichtigste technische Fortschritt bestand darin, das Gas so weit abzukühlen, dass es flüssig wird, was einen kostengünstigen Transport mit speziellen Gastankschiffen über große Entfernungen erlaubt. Da dank dieser Schiffe ein internationaler Gashandel möglich geworden ist und die größeren Gesellschaften bereit sind, die für Gaspipelines erforderlichen Milliarden zu investieren, scheint Gas zum beliebtesten Energieträger des 21. Jahrhunderts zu werden.76)
Gas ist zwar teurer als Kohle, hat ihr gegenüber aber viele Vorteile, die es zum idealen Rohstoff für die Stromerzeugung machen. Gasbetriebene Kraftwerke kosten nur halb so viel wie mit Kohle befeuerte, und man kann sie in ganz unterschiedlichen Größen bauen. Statt eines gigantischen in großer Entfernung stehenden Kohlekraftwerks kann man eine ganze Reihe kleiner, gasbetriebener Generatoren überall im Land verteilen und so die Übertragungsverluste minimieren. Gaskraftwerke lassen sich auch leicht hoch- und runterfahren, was sie zu einer idealen Ergänzung der periodisch schwankenden Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie macht.
Darüber hinaus wandeln mehrstufige Gaskraftwerke sehr effizient die im Gas enthaltene Energie in Strom; bei ihnen wird zunächst durch die Verbrennung eine Turbine direkt angetrieben, und dann werden die extrem heißen Abgase aufgefangen und dazu verwendet, noch mehr Strom zu erzeugen. Nutzt man ihre Abwärme dann auch noch für industrielle Prozesse oder Heizzwecke (Kraft-Wärme-Kopplung), erreichen sie einen Wirkungsgrad von 80 Prozent. Aufgrund all dessen sagt BP-Chef Lord Browne: »Ein heute in Gaskraftwerke investierter Dollar produziert drei- bis viermal mehr Elektrizität [als] derselbe in Kohlekraftwerke investierte Dollar.«77)
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Mehr als 90 Prozent der neuen Kraftwerke in den USA werden heute mit Gas betrieben, und überall auf der Welt wird Erdgas immer beliebter. Dennoch ist auch Gas nicht problemlos, wenn es um seine sichere Handhabung und die Möglichkeit von Terroranschlägen auf große Kraftwerke oder Pipelines geht. Und weil Methan ein gefährliches Treibhausgas ist, muss man dafür Sorge tragen, dass es nicht entweicht: Teile der Gasinfrastruktur — beispielsweise die alten Eisenrohre, mit denen das Gas in den Städten verteilt wird — sind mit Sicherheit leck.
Gas ist der dritte Schritt auf der Stufenleiter in den Klimahimmel, aber selbst wenn man sämtliche Kohlekraftwerke der Erde durch gasbetriebene ersetzte, würde das die Kohlenstoff-Emissionen weltweit um nur 30 Prozent reduzieren.
Würden wir auf dieser Stufe der Energieleiter stehen bleiben, drohte uns trotz dieser Einsparungen noch immer ein massiver Klimawandel. Angesichts dieser Aussichten wäre ein Übergang zum Wasserstoff dringend nötig; aber wie wahrscheinlich ist dieser?
In den siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts prägte der australische Elektrochemiker John Bockris den Begriff »Wasserstoffwirtschaft«, und seither gilt bei vielen Menschen Wasserstoff als Wundermittel gegen das Fieber der globalen Erwärmung. »Auf den kleinsten Nenner gebracht«, schrieb Bockris, »bedeutet <Wasserstoffwirtschaft>, dass Wasserstoff dazu verwendet wird, Energie aus erneuerbaren Quellen (nuklearen oder solaren) über große Entfernungen zu transportieren und in großen Mengen einzulagern (zur Versorgung von Städten).«78)
Wie bei so vielen Wundermitteln steckt jedoch der Teufel im Detail.
Das Kraftwerk der Wasserstoffwirtschaft ist die Brennstoffzelle, bei der es sich im Grunde genommen um einen Kasten ohne bewegliche Teile handelt, in dem Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft in Wasser und Elektrizität umgewandelt werden. Das klingt zwar nach Hexerei, ist im Prinzip aber gar nicht neu: Die erste Brennstoffzelle, genannt »Gas-Voltabatterie«, baute Sir William Grove in den dreißiger Jahren des 19. Jahrhunderts. Seine Zelle glich insofern einer üblichen Bleisäurebatterie, als Schwefelsäure als Elektrolyt verwendet wurde, statt Bleielektroden kamen aber solche aus Platin zum Einsatz, was die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff beschleunigt, woraus die Elektrizität gewonnen wird.
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Ein so teurer Katalysator bremste die Weiterentwicklung der Technologie, heute gibt es aber verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die mit anderen Materialien arbeiten. Aber wie auch immer ihre Zusammensetzung sein mag, aus wirtschaftlicher Sicht kann man Brennstoffzellen in zwei Typen einteilen: stationäre zur Stromerzeugung und andere zu Transportzwecken.
Am besten scheinen sich zur stationären Stromerzeugung die Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen zu eignen, die mit geschmolzenem Kaliumcarbonat statt Schwefelsäure und Nickel statt Platin arbeiten. Ihre Betriebstemperatur liegt bei 650 °C, und sie sind zwar höchst effizient (ihr Wirkungsgrad liegt um die 50 Prozent), brauchen aber lange, bis sie diese Temperatur erreicht haben. Außerdem sind sie groß — ein 250-Kilowatt-Modell hat das Format eines Güterwaggons —, was den mobilen Einsatz ausschließt.
Mehrere auf dieser Technologie basierende Demonstrationsanlagen gibt es bereits, und eine kommerzielle stationäre Brennstoffzelle (die mit einer älteren Technik arbeitet) ist in den USA seit 1999 in Betrieb. Man glaubt, eine Großserienproduktion könnte die Kosten so weit senken, dass Brennstoffzellen immer mehr Verbreitung finden würden.79) Das stellt zwar einen riesigen technischen Fortschritt dar, senkt aber nicht unmittelbar unsere heutigen CO2-Emissionen, denn der dabei eingesetzte Wasserstoff wird mittels eines Umwandlungsprozesses aus Erdgas gewonnen, und weil ein Teil der im Gas enthaltenen Energie für diese Umwandlung verwendet wird und das gesamte dabei freigesetzte CO2 in die Atmosphäre entweicht, wäre in klimatischer Hinsicht die Welt besser dran, wenn man das Gas direkt zur Stromerzeugung verbrennen würde.
Aber ziehen wir nun Wasserstoff als Transportenergie in Betracht.
Eine Reihe von Automobilherstellern, unter anderem Ford und BMW, planen Autos mit wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren auf den Markt zu bringen, und die Regierung Bush will mit 1,7 Milliarden Dollar den Bau eines mit Wasserstoff fahrenden »FreedomCAR« fördern. Dessen ungeachtet ist aber der Einsatz von Wasserstoff als Transportenergie noch in einem weit früheren Entwicklungsstadium als die Technologie stationärer Brennstoffzellen.80)
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Für Transportzwecke sind Brennstoffzellen mit so genannten Protonenaustausch-Membranen am besten geeignet. Dieser Typ ist viel kleiner als die Schmelzcarbonat-Zelle und arbeitet bei rund 66 °C, ist also kurz nach dem Einschalten betriebsbereit. Allerdings erfordern diese Zellen sehr reinen Wasserstoff. Bei den gegenwärtigen Prototypen wird dieser von einem eingebauten »Reformer« erzeugt, der ihn aus Erdgas oder Benzin gewinnt, was abermals bedeutet, dass es in klimatischer Hinsicht besser wäre, wenn wir die Energieträger zur Kraftgewinnung direkt verbrennen würden. Der Wirkungsgrad der besten Protonenaustausch-Brennstoffzellen liegt bei 35 bis 40 Prozent — ungefähr genauso hoch wie der eines gewöhnlichen Verbrennungsmotors.
Fahrzeughersteller hoffen, irgendwann auf den im Auto eingebauten Reformer, den die Prototypen noch brauchen, verzichten zu können, und denken daran, die Fahrzeuge an Tankstellen direkt mit Wasserstoff zu versorgen. Das könnte auf unterschiedliche Weise geschehen. Dem heutigen System des Tankens kommt am nächsten, dass der Wasserstoff irgendwo an zentraler Stelle erzeugt und an die Abfüllstationen verteilt wird; und hier stellt sich das große Problem, einen Brennstoff mit so geringer Dichte zu verfrachten.
Ideal wäre der Transport in Tanklastwagen; dazu müsste der Wasserstoff bei -253 °C verflüssigt werden, doch das Gas so weit herunterzukühlen ist ein wirtschaftlicher Albtraum. Mittels Wasserstoffenergie ein Kilogramm des Gases zu verflüssigen, verbraucht 40 Prozent seines Brennwerts. Würde man Netzstrom dafür verwenden, brauchte man zwölf bis 15 Kilowattstunden Elektrizität, und das würde im Fall des amerikanischen Stromnetzes beispielsweise zehn Kilogramm CO2 in die Atmosphäre freisetzen. Rund 3,5 Liter Benzin enthalten genauso viel Energie wie ein Kilo Wasserstoff. Sie zu verbrennen setzt genauso viel CO2 frei, wie die Verwendung von Netzstrom zur Verflüssigung des Wasserstoffs, also sind die Auswirkungen von verflüssigtem Wasserstoff als Energieträger auf den Klimawandel genauso schlimm wie das Herumfahren mit einem normalen Auto.
Eine andere Lösung wäre, den Wasserstoff nur so weit zu komprimieren, dass dafür nur 15 Prozent seines Brennwerts aufgewandt werden müssen; dann müssten auch die Transportbehälter dafür nicht so aufwendig gebaut sein.
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Aber selbst mit verbesserten Hochdruckbehältern könnte ein Vierzigtonner nur 400 Kilogramm komprimierten Wasserstoff ausliefern, was heißt, man brauchte 15 solcher Lastwagen, um dieselbe Energie zu verteilen, die heute ein Benzintanklastwagen von 26 Tonnen transportiert. Und wenn diese Vierzigtonner den Wasserstoff über 500 Kilometer verfrachten, verschlingt das so viel Energie, wie 40 Prozent des transportierten Brennwerts entspricht.
Weitere Probleme ergeben sich bei der Bevorratung im Auto. Ein Wasserstoff-Spezialtank, der 5000 psi beziehungsweise 350 bar aushält (fast die heutige Obergrenze für Druckbehälter) wäre nötig, und er müsste zehnmal so groß sein wie ein Benzintank. Selbst mit den besten Tankanlagen gingen wahrscheinlich noch rund vier Prozent des Brennstoffs täglich durch Verdampfung verloren. Ein gutes Beispiel für den Wasserstoffschwund ist immer zu beobachten, wenn die NASA das Spaceshuttle wieder befüllt. Sein Haupttank fasst 100 000 Liter Wasserstoff, aber bei jedem Auffüllen müssen 45 000 Liter zusätzlich angeliefert werden, um die Verdampfungsrate auszugleichen.81
Pipelines sind eine weitere Möglichkeit, Wasserstoff zu transportieren, aber wie schon beim Erdgas sind sie teuer — sie müssen groß und aus Materialien gebaut sein, die Wasserstoff standhalten (Stahl macht er beispielsweise sehr spröde). Sie müssen auch von allerbester Qualität sein, weil Wasserstoff so leicht leckt. Selbst wenn man das bestehende Netz von Erdgasleitungen zum Transport von Wasserstoff umbauen könnte, wären die Kosten für den Unterhalt eines Verteilungssystems von zentralen Produktionsstätten zu den Abfüllstationen astronomisch.
Vielleicht könnte man Wasserstoff an den Tankstellen aus Erdgas gewinnen. Damit wären die Transportprobleme beseitigt, aber bei diesem Verfahren werden 50 Prozent mehr CO2 produziert als beim Direktbetanken der Fahrzeuge mit Erdgas. Theoretisch könnte man Wasserstoff auch zu Hause mit Hilfe des Netzstroms produzieren, aber der Preis der Elektrizität für den Hausgebrauch und die hohen Kosten für die Geräte zur Wasserstofferzeugung und -reinigung würden das Verfahren wirtschaftlich untragbar machen.
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Darüber hinaus wird der Netzstrom in Ländern wie beispielsweise den USA größtenteils aus fossilen Brennstoffen erzeugt, also würde die häusliche Produktion von Wasserstoff unter heutigen Umständen zu einem massiven Anstieg der CO2-Emissionen führen. Anders sähe es erst aus, wenn die Elektrizität zur Wasserstoffgewinnung aus erneuerbaren Energien erzeugt würde, etwa mittels Solarzellen.
Die häusliche Wasserstoffproduktion würde noch weitere Gefahren bergen. Das Gas ist geruchlos, entweicht leicht, entflammt leicht und verbrennt mit unsichtbarer Flamme. Feuerwehrleute werden darauf trainiert, Wasserstoffbrände mit Hilfe von Strohbesen zu entdecken: Wenn das Stroh in Flammen aufgeht, hat man den Brand gefunden.
Wir wollen uns jedoch einen Moment lang vorstellen, dass all die mit Wasserstoff verbundenen Transportprobleme überwunden werden und Sie am Steuer Ihres neuen, wasserstoffbetriebenen Allradfahrzeugs sitzen. Ihr Tank ist riesig und kugelförmig, weil Wasserstoff bei Zimmertemperatur rund dreitausendmal mehr Raum einnimmt als Benzin. Nun denken Sie daran, dass vielleicht auf Ihrem Mobiltelefon ein Gespräch eingeht, beim Rutschen über den Autositz statische Elektrizität entsteht oder in anderthalb Kilometern Entfernung ein Gewitter tobt: In jedem Fall entstünde genügend elektrische Ladung, um eventuell ausgetretenen Wasserstoff zu zünden. Unter dem Aspekt ist der Gedanke an einen Unfall mit einem Wasserstoffauto kaum zu ertragen. Selbst Ihr neues Auto in die Garage zu stellen, wäre schwierig. Die momentanen US-Vorschriften zur Wasserstofflagerung sind schwer zu erfüllen, unter anderem verlangen sie eine aufwendige Entlüftung und eine explosionssichere Ausrüstung.82 Das heißt, solange die Vorschriften nicht gelockert werden, müssten Unmengen Infrastrukturen von Garagen bis hin zu Straßentunneln umgebaut werden.
Doch selbst wenn man die Verwendung von Wasserstoff absolut sicher machen könnte, bliebe immer noch das Problem einer kolossalen CO2-Umweltverschmutzung, die genau das Gegenteil von dem wäre, was man erreichen wollte. Die Wasserstoffwirtschaft könnte beim Kampf gegen den Klimawandel einzig und allein dann helfen, wenn der Netzstrom voll und ganz aus kohlenstofffreien Ressourcen erzeugt würde. Von der Solar- bis zur Nuklearenergie gibt es dafür eine Reihe von Technologien, in die aber investiert und die akzeptiert werden müssten.
Seltsamerweise haben weder die US-Regierung noch die Automobilhersteller großes Interesse daran gezeigt, die Basis für diese entscheidende Voraussetzung zum Übergang in die Wasserstoffwirtschaft zu schaffen.
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