Erneuerbare Energien produzieren zunehmend mehr Strom, als wir zu einem bestimmten Zeitpunkt verbrauchen können. An sonnigen oder windigen Tagen entstehen Überschüsse, während abends oder im Winter ein Defizit auftritt. Genau hier kommt die Energiespeicherung mittels Wasserstoff ins Spiel; sie wird zunehmend nicht mehr als technologische Kuriosität betrachtet, sondern als tragfähiger Bestandteil des zukünftigen Energiesystems.
Wasserstoff löst zwar nicht jedes Problem, aber er bietet eine Lösung für eine ganz bestimmte Herausforderung: die Frage, wie man große Energiemengen über lange Zeiträume speichern kann, ohne sie sofort verbrauchen zu müssen. Dies ist eine völlig andere Aufgabe als die herkömmlicher Batterien. Genau deshalb taucht dieses Thema heute in Diskussionen über die Energiewende so häufig auf.
Was ist Wasserstoffspeicherung?
Die Speicherung von Wasserstoffenergie basiert auf einem einfachen Prinzip: Elektrische Energie wird in die chemische Energie von Wasserstoff umgewandelt und bei Bedarf wieder in elektrische oder thermische Energie zurückverwandelt. Dies geschieht in der Regel durch die Elektrolyse von Wasser, bei der ein elektrischer Strom H₂O-Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet.
Entscheidend ist, dass Wasserstoff sich zunehmend zu einem Energieträger entwickelt und nicht mehr nur als Kraftstoff dient. Er kann gespeichert, transportiert und an einem anderen Ort und zu einem anderen Zeitpunkt genutzt werden als dort, wo die Energie erzeugt wurde. Dadurch ist das Energiesystem nicht mehr ausschließlich von den aktuellen Wetterbedingungen und dem momentanen Bedarf abhängig.
Warum erlebt Wasserstoff gerade jetzt im Energiesektor ein Comeback?
Wasserstoff ist keine neue Entdeckung. Die Industrie nutzt ihn bereits seit Jahrzehnten, vor allem als chemischen Ausgangsstoff. Der Unterschied besteht darin, dass heute zunehmend von sogenanntem „grünem Wasserstoff“ die Rede ist, also von Wasserstoff, der mithilfe erneuerbarer Energien und ohne Kohlendioxidemissionen hergestellt wird.
Durch den Ausbau erneuerbarer Energiequellen ist das Problem nicht mehr die Energieerzeugung an sich, sondern vielmehr der Ausgleich des Angebots. Wind- und Solarparks erzeugen Energie in unregelmäßigen Abständen, und die Stromnetze sind nicht immer in der Lage, diese aufzunehmen. Durch die Speicherung in Form von Wasserstoff lässt sich überschüssige Energie in eine Ressource umwandeln, die später – sogar noch nach mehreren Wochen – genutzt werden kann.
Die Elektrolyse als zentraler Bestandteil des gesamten Systems
Das Herzstück jedes Wasserstoffspeichersystems ist der Elektrolyseur. Dieses Gerät bestimmt die Effizienz, die Kosten und die Flexibilität der gesamten Lösung. Die gängigsten Typen sind Alkali- und PEM-Elektrolyseure, die sich in ihrer Funktionsweise und ihrer Reaktion auf Lastschwankungen unterscheiden.
Die Elektrolyse ist kein vollkommen effizienter Prozess. Ein Teil der Energie wird immer in Wärme umgewandelt, und der Wirkungsgrad des gesamten Prozesses hängt von der Qualität der Materialien, der Temperatur und den Steuerungssystemen ab. Dennoch sind Elektrolyseure zunehmend in der Lage, in verschiedenen Betriebsmodi zu arbeiten. Dies ist von großer Bedeutung, wenn sie in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen eingesetzt werden.
Wasserstoffspeicherung – gasförmig, flüssig oder als chemische Verbindung
Der Wasserstoff selbst muss jedoch noch irgendwo gelagert werden. Die einfachste Methode besteht darin, das Gas unter hohem Druck zu lagern, was jedoch mit Kosten und Sicherheitsauflagen verbunden ist. Eine Alternative ist die Verflüssigung des Wasserstoffs, wodurch sich sein Volumen verringert, wofür jedoch sehr niedrige Temperaturen erforderlich sind.
Immer mehr Studien befassen sich zudem mit der Speicherung von Wasserstoff in festen Materialien oder chemischen Verbindungen, in denen der Wasserstoff gebunden und kontrolliert freigesetzt wird. Diese Lösungen befinden sich zwar noch im Entwicklungsstadium, zeigen jedoch, dass die Speicherung von Wasserstoffenergie nicht auf einen einzigen technologischen Ansatz beschränkt sein muss.
Energiegewinnung und tatsächlicher Wirkungsgrad
Wenn Energie benötigt wird, kann Wasserstoff in Brennstoffzellen oder Gasturbinen genutzt werden. Brennstoffzellen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad und einen leisen Betrieb aus, sind jedoch teuer und empfindlich gegenüber Schwankungen in der Brennstoffqualität. Turbinen sind weniger effizient, lassen sich jedoch leichter in die bestehende Energieinfrastruktur integrieren.
Es muss klargestellt werden, dass der Gesamtwirkungsgrad des Strom-Wasserstoff-Strom-Kreislaufs geringer ist als der von Batterien. Die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff kann kurzfristig nicht mit Batterien konkurrieren. Ihr Vorteil kommt dort zum Tragen, wo es darauf ankommt, Energie über lange Zeiträume und in großem Maßstab zu speichern.
Wo ist die Speicherung von Wasserstoffenergie heute am sinnvollsten?
Das größte Potenzial von Wasserstoff liegt in Systemen, bei denen der Energieverbrauch saisonal ausgeglichen werden muss. Im Sommer erzeugen wir mit Solaranlagen einen Energieüberschuss, im Winter benötigen wir hingegen mehr Energie. Batterien bieten keine kosteneffiziente Lösung für dieses Problem, während Wasserstoff eine praktikable Alternative darstellt.
Der zweite Bereich sind groß angelegte Industrie- und Netzanlagen, in denen Wasserstoff als Energiespeicher dienen kann. Auch über den Einsatz in der Schwerindustrie und im Verkehrswesen wird zunehmend gesprochen, was die Argumente für den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur weiter untermauert.
Technologische Herausforderungen und die Grenzen der Rentabilität
Die Speicherung von Wasserstoffenergie ist nach wie vor kostspielig und komplex. Elektrolyseure, Speicheranlagen und Sicherheitssysteme erfordern erhebliche Investitionen. Hinzu kommen Energieverluste in jeder Phase des Prozesses.
Andererseits sinken die Kosten dieser Technologie allmählich, während der Druck zur Emissionsreduzierung zunimmt. Wasserstoff ist zwar keine Patentlösung, entwickelt sich jedoch zu einem wichtigen Teil eines größeren Puzzles, in dem sich verschiedene Technologien ergänzen, anstatt miteinander zu konkurrieren.
Zusammenfassung
Die Speicherung von Wasserstoff ist zwar kein Allheilmittel für alle Probleme des Energiesektors, bietet jedoch Lösungen für Herausforderungen, mit denen andere Technologien zu kämpfen haben. Sie ermöglicht die langfristige Speicherung von Energie, die Einbindung erneuerbarer Energiequellen und eine größere Flexibilität des Energiesystems.
Wenn die Energiewende auf nationaler Ebene gelingen soll, braucht es Instrumente, um die Energieversorgung zeitlich und räumlich auszugleichen. Wasserstoff erweist sich zunehmend als ein solches Instrument, vorausgesetzt, er wird sinnvoll eingesetzt und sein Potenzial sowie seine Grenzen werden realistisch eingeschätzt.
