Am 11. und 12. Februar 2004 fand in Essen der zweite Internationale Deutsche Wasserstoff Energietag statt, ausgerichtet vom Deutschen Wasserstoffverband, der Landesinitiative Zukunftsenergien NRW und der E-World-of- Energy. Das komplette Programm steht unter www.H2Congress.de im Netz; Hintergrundmaterial findet sich unter www.itsHYtime.de. – Der Tagungsleiter, Professor Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter* (ENERGON Carl-Jochen Winter GmbH**, Überlingen) stellte dem VWEW-Newsletter "Wasserstoff + Brennstoffzellen" den Vorabdruck seines Vortrags exklusiv zur Verfügung.

Prof. Dr. Carl-Jochen Winter

Die Meilensteine der Wasserstoffenergiewirtschaft
„Wasserstoff - der unverzichtbare Energieträger!”

Einführung

Viele Wege führen nach Rom; viele Wege führen zum Wasserstoff als Energieträger. Sie sind durch Meilensteine gekennzeichnet, solche der längst am Markt etablierten Wasserstoffwirtschaft, die hinter uns liegen, und solche der bevorstehenden Wasserstoffenergiewirtschaft, ihnen bevorzugt widmet sich dieser Beitrag.

Wasserstoff geht auf Antoine Lavoisier (1743 - 1794) und Henry Cavendish (1731 - 1810) zurück. Sie beschrieben Wasserstoff unabhängig voneinander erstmals im ausgehenden 18. Jahrhundert. Eine Generation später, 1839, veröffentlichte William Grove (1811 - 1896) seine Arbeiten zur Brennstoffzelle, die Wasserstoff (und Sauerstoff) elektrochemisch in Strom und Wärme umwandelt. Sie wird eines der Kernelemente der Wasserstoffenergiewirtschaft werden. Es ist hier und da zu lesen, die Brennstoffzelle sei kein Carnotischer Energiewandler (Sadi Carnot, 1796 - 1832). Das ist nicht richtig, wiewohl sie keine Wärmekraftmaschine ist, folglich nicht auf hohe Temperaturen und hochtemperaturfeste, teure Werkstoffe angewiesen ist, um hohe energetische Wirkungsgrade zu erzielen: Ds ist einer ihrer entscheidenden Vorteile!

Wieder, wie bei jeder Innovation, kommt es auf die Triade Forschung & Entwicklung (F&E), Wirtschaft und Politik an. Folglich gibt es auf dem Weg in die Wasserstoffenergiewirtschaft technische, industrielle und politische Meilensteine. Sie sind interdependent, ihre relative Bedeutung wechselt mit der Zeit. Die technische Entwicklung stand bisher im Vordergrund. Nach Jahrzehnten der modernen Wasserstoff - F&E ist jetzt die Zeit der Unternehmer da. Sie müssen auf förderliche gesellschaftspolitische, entwicklungspolitische, industriepolitische und, für Deutschland mit einem Energieimportanteil von drei Vierteln seines Bedarfs lebenswichtig, kluge außenwirtschaftspolitische Rahmenbedingungen bauen können.

Bei allem: Energie braucht Zeit! Auch die Wasserstoffenergiewirtschaft hat Ihre Jahrzehnte vor sich, selbst wenn alles gut geht. Folglich ist es hohe Zeit zu beginnen – it's HYtime! – , eigentlich ist es ohnedies immer zu spät. J.A.Schumpeter (1883 - 1950) gilt unverändert: "Innovationen tragen die Konjunkturen!"

Meilenstein 1: Wasserstoffproduktion aus Kohle

50 Millionen Tonnen Wasserstoff werden jährlich weltweit gehandelt sowie ein Mehrfaches davon in Raffinerien produziert und gleich wieder vor Ort zu reformulierten Benzinen und zur Dieselentschwefelung weiter verarbeitet (captive hydrogen), ohne in den Handel zu kommen. Der Zuwachs beträgt 10 %/a. - Weitaus überwiegend stammt Handelswasserstoff aus der Wasserdampfreformierung von Erdgas oder der partiellen Oxidation schwerer Ölfraktionen; wenige Prozent sind elektrolytischer Wasserstoff, er setzt billigen Strom voraus. Wasserstoff aus erneuerbarem Strom (solarer Wasserstoff) ist das klimaökologische Wunschziel der Wasserstoffenergiewirtschaft, nicht jedoch ihre Voraussetzung! Bis das Wunschziel erreicht ist, wird Wasserstoff aus fossilen Primärenergien vorherrschen, wiewohl unter der unabdingbaren Bedingung der Sequestrierung von Kohlendioxid!

Wasserstoff aus Kohle hat Tradition und ist unter ernsthafter Neubewertung des außenwirtschaftspolitisch sowie umwelt- und klimaökologisch verantwortbaren Energiemix' der Zukunft unverzichtbar: Verfügbarkeit von Kohle steht über Jahrhunderte außer Frage; Kohle ist ubiquitär, sie wird in jedem Kontinent der Erde gewonnen, folglich erscheint eine "OPECisierung" höchst unwahrscheinlich. Wasserstoff verschafft Kohle zwei Zukunftschancen: Er lässt das CO₂-freie Kohlekraftwerk möglich werden, und er eröffnet Kohle durch die Teilnahme am boomenden Gasemarkt den Wiederzutritt zu den beiden Bereichen Hausenergieversorgung und Transport, aus denen sie sich mit dem Aufkommen von Öl und Gas zurückzog: Eine Renaissance!

    Meilenstein 1
Wasserstoff aus Kohle
• hat Tradition
• hat eine statische Reichweite von Jahrhunderten
• ist unverzichtbar, weil zur Energieversorgungssicherheit beitragend
• ist schwerlich "OPECisierbar", weil ubiquitär
• ermöglicht das CO₂-freie Kohlekraftwerk
• verschafft Kohle den Zutritt zum boomenden Gasemarkt
muss der Bedingung der CO₂-Sequestrierung genügen

Prinzipielle Voraussetzung ist die Sequestrierung des mitproduzierten CO₂ und seine für die Atmosphäre schadlose Nutzung oder Endlagerung. Mit der Mineralisierung von CO₂ oder seiner Lagerung in ausgekohlten Öl- oder Gaslagerstätten wird experimentiert.

Meilenstein 2: Der Kraftstoff Wasserstoff im Transport

Materielle Mobilität für Menschen und Güter wird gewährleistet durch weltweit zurzeit nahezu eine Milliarde Fahrzeuge, Flugzeuge oder Schiffe; ihre jährliche Reproduktionsrate beträgt 60 bis 70 Millionen; Kohlenwasserstoffe als Kraftstoffe sind die Regel. Umweltökologische Neutralität bei Landfahrzeugen mit EUR IV Zertifikation (ab 2009 EUR V) wird bis nahe an die Messbarkeitsgrenze auch mit Kohlenwasserstoffen im Tank gewährleistet und ist bei Luft- und Seefahrzeugen technisch möglich. Klimaökologische Neutralität aber ist selbst bei Verbrauchsreduzierung Illusion, weil die Disloziertheit der Emittenten das Einsammeln von CO₂ unmöglich macht.
Hier setzt Wasserstoff als Kraftstoff an, gleich ob Wasserstoff aus erneuerbarem Strom oder aus fossiler Energie mit CO₂-Sequestrierung, und gleich ob im Tank eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor oder mit Brennstoffzelle unter der Haube. Immer geht es letztlich um klimaökologische Neutralität über die gesamte Länge der Energiewandlungskette, well-to-wheel.

    Meilenstein 2
Kraftstoff Wasserstoff im Transport
• ist die Kraftstoff - ultima ratio
• erlaubt Reformer-freie Automobile
• garantiert umwelt- und klimaökologische Sauberkeit
verlangt den Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur

Es ergibt sich so, dass in den Labors von Industrie und Forschung nicht nur mit dem Brennstoffzellenbrennstoff Wasserstoff experimentiert wird, sondern mit einer ganzen Reihe von Kohlenwasserstoffen. Das hat zwei grundsätzliche Konsequenzen: Wasserstoff an Bord schafft das "einfachere" Fahrzeug, weil der Reformer fehlt; nur die Entscheidung über Hochdruck - Wasserstoff oder flüssigen Wasserstoff samt zugehöriger Tanks an Bord steht noch aus. Die Neuinvestition der Wasserstoffinfrastruktur in Produktion, Speicherung und Verteilung ist unentbehrlich. – Und die andere Konsequenz: Kohlenwasserstoffe an Bord machen nur unerhebliche Anpassungen der gewachsenen stationären Infrastruktur nötig, erzwingen aber den Bord-Reformer, dessen Temperaturdynamik sowie dessen Arbeitsverfügbarkeit bei Außentemperaturen zwischen -40 und +50 Grad Celsius noch nicht letztlich verstanden sind; zudem bringt der Reformer Gewicht und Volumen an Bord. – Bei aller Vielfalt des Experimentierens: Da Fahrzeuge ja auch exportiert und über die Grenzen betrieben werden sollen, verlangt weltweite Mobilität letztlich nur einen umwelt- und klimaökologisch neutralen Kraftstoff, er wird – vielleicht nach einer Phase der Weichenstellung – Wasserstoff sein müssen.

Meilenstein 3: Die exergetisch effiziente Brennstoffzelle als Heizkesselersatz

Deutschland betreibt ca. 15 Millionen Heizkessel mit Heizöl oder Erdgas, wenige mit Schweröl. Die Zahl der Brennwertkessel, welche die Kondensationswärme kondensierbarer Bestandteile im Abgas nutzen, nimmt zu. Die energetischen Nutzungsgrade sind exzellent, sie liegen nahe bei 100 Prozent; die exergetischen Nutzungsgrade in der Bereitstellung technischer Arbeitfähigkeit (Exergie) aber (Energie = Exergie + Anergie) sind mit wenigen Prozent miserabel, es ist eben thermodynamisch absurd, 1000 Grad Celsius Feuerungstemperatur zu erzeugen, nur um 70 Grad Celsius Vorlauftemperatur für die Radiatoren zu gewührleisten. Hier, bei der exergetisch effizienten Energiewandlung, setzen Brennstoffzellen an. Sie liefern mit einem exergetischen Nutzungsgrad von 35 bis 40 Prozent Strom, reine Exergie, und die Restwärme deckt einen Großteil des Wärmebedarfs. Der Strom wird am Ort der Aufstellung genutzt, Restmengen werden ins Netz eingespeist. Die Brennstoffzelle ist leise, ohne bewegte Teile, wenn mit Wasserstoff betrieben umwelt- und klimaökologisch sauber, und sie hat die gute Chance, bei marktgerechten Stückzahlen von einigen hunderttausend pro Jahr in den Kostenbereich der Heizkessel zu kommen. Werden nicht Wasserstoff, sondern Kohlenwasserstoffe eingesetzt, sind brennstoffspezifische stationäre Reformer nötig. Das Gewichts- oder Volumenproblem stellt sich hier nicht.

    Meilenstein 3
Die exergetisch effiziente stationäre Brennstoffzelle
• dezentralisiert
• exergetisiert
• schafft virtuelle Kraftwerke
verlangt die Professionalisierung des Endes der Energiewandlungskette

Ein Gedankenspiel sagt, dass 15 Millionen dezentrale Brennstoffzellen à 5 Kilowatt ein virtuelles elektrisches Kraftwerk entstehen lassen, dessen Leistung von 75 000 Megawatt der derzeitigen Anschlussleistung in Deutschland von etwa 100 000 Megawatt nahe kommt. – Gedankenspiele müssen nicht Realität werden, ein wahrer Kern jedoch steckt meist in ihnen. Hier sind es zwei Kerne: Die Brennstoffzelle exergetisiert das gewachsene Energiesystem, sie macht mehr technische Arbeitsfähigkeit aus Energie, sie schafft Effizienzgewinne, die einer Energienachfragereduktion der Volkswirtschaft gleichkommen – ein eminent wichtiges Element für eine Volkswirtschaft, die – wir sagten es – zu drei Vierteln ihres Bedarfs auf Energieimporte angewiesen ist! — Und der zweite Kern: Die Lebensdauerstatistik des deutschen Kraftwerksparks und das politisch beschlossene Ausphasen der Kernkraftwerke auf Null verlangen innerhalb weniger Jahrzehnte die Neuinvestition von ca. 40 000 Megawatt. Ein Gutteil dieser Leistung durch Brennstoffzellen-BHKWs bei hoher Stromzahl mit Energieausnutzungsgraden zwischen 80 und 90 Prozent zu erbringen, ist energiewirtschaftlich nur vernünftig. - Gewiss werden die dezentralen Energiewandler zunächst mit Erdgas aus dem bewährten flächendeckenden Netz versorgt werden, im Übergang zur Wasserstoffenergiewirtschaft mit einem Verschnitt von Erdgas und 10 bis 15 Prozent Wasserstoff, schließlich an der auch hier zu erwartenden Weichenstellung mit Wasserstoff: Denn Millionen Erdgas-BHKWs, ausgerüstet selbst mit höchsteffizienten Brennstoffzellen, werden niemals klimaökologisch neutral sein, das millionenfache Einsammeln von Treibhausgasen wird sich als unmöglich erweisen.

Meilenstein 4: Wasserstoff- und Brennstoffzellen-induzierter Industriestrukturwandel

• Wie Strom, der eine Sekundärenergieträger, wird auch der andere - Wasserstoff - aus allen denkbaren Primärenergien hergestellt werden, klimaökologisch neutral aus operationell kohlenstofffreien erneuerbaren Primärenergien oder aus fossilen Energien mit klimaökologisch neutralisierender Sequestrierung der Treibhausgase.
• Wieder wie bei Strom verlangt die zentrale Produktion von Wasserstoff und seine dezentrale Nutzung Leitungsgebundenheit.
• Dezentrale Nutzung von Wasserstoff durch Brennstoffzellen schafft virtuelle elektrische Kraftwerke, die mit den Kraftwerken zentraler Organisation in Wettbewerb treten. Welche Kilowattstunde wird die wirtschaftlichere sein?
• Die präsumtive Ablösung des stationären oder mobilen Verbrennungsmotors durch die Brennstoffzelle lässt die Märkte der Schmiedewerke für Kurbelwellen, Pleuelstangen oder Nockenwellen und dergleichen sowie diejenigen der Aluminiumgießerein für Motor- und Getriebegehäuse schrumpfen, diejenigen für Brennstoffzellen-Stacks oder -Membranen wachsen.

    Meilenstein 4
Wasserstoff- und Brennstoffzellen – induzierter Industriestrukturwandel
• initiiert den Wettbewerb zwischen dezentralen virtuellen
  Kraftwerken und der angestammten Kraftwerkswirtschaft
• setzt elektrochemische Energiewandlung an die Stelle von   Energiewandlung durch   Wärmekraftmaschinen
• lässt Brennstoffzellen an die Stelle von Verbrennungsmotoren
  treten
• oder Brennstoffzellen an die Stelle von Batterien
verlangt die frühzeitige Vorbereitung auf diesen Strukturwandel

• Mit dem Aufkommen des einen Sekundärenergieträgers - Strom - an der Wende vom 19. in das 20.Jahrhundert wurde in Deutschland die Allgemeine Electricitäts-Gesellschaft (AEG) gegründet, in den USA die General Electric (GE); jetzt, mit dem Aufkommen des anderen Sekundärenergieträgers – Wasserstoff – entstand in den USA bereits die General Hydrogen (GH), wann wird es zur Gründung der Allgemeinen Wasserstoff Gesellschaft (AWG) kommen?
• Das Ende der Energiewandlungskette, dort wo Endenergie in Nutzenergie und weiter in Energiedienstleistungen umgewandelt wird, nimmt deutlich an Bedeutung zu, es gehört, wie der Kettenanfang, in die Hände von Fachkundigen, es kann nicht in den Händen von 80 Millionen Laien bleiben: Professionalisierung tut Not! Zumal hier, am Ende der Energiewandlungskette, nicht mehr nur an ihrem Anfang, der Schlüssel liegt, denn jede wegen professioneller Handhabung hier nicht auf dem Markt nachgefragte Kilowattstunde Energiedienstleistung, erübrigt – bei einem nationalen Energienutzungsgrad von ca. 30 Prozent – drei Kilowattstunden Primärenergierohstoffe am Kettenanfang in die Energiewirtschaft einzuführen: "Ende gut, alles gut!"

Meilensteine 5 und folgende: Politische Rahmenbedingungen

• Wasserstoff ist nicht schlicht ein weiterer Energieträger im ansonsten unverändert gelassenen Mix. Hingegen: Die Einführung der Wasserstoffenergiewirtschaft wird die Weltenergiewirtschaft von Grund auf verändern, vergleichbar etwa mit der Einführung der Stromwirtschaft an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. Die wesentlichen Argumente: Wasserstoff speichert und transportiert erneuerbare Energien und bietet ihnen damit überhaupt erst die Chance, am Weltenergiehandel teilzunehmen; Wasserstoff entcarbonisiert die fossilen Energien und macht sie so Kioto-fest; Wasserstoff dezentralisiert das Energiesystem und eröffnet der Volkswirtschaft somit bisher unausgeschöpfte virtuelle Exergiepotentiale am Ende der Wertschöpfungskette; im Gegensatz zum energierohstoffgeführten gewachsenen Energiesystem ist die Wasserstoffenergiewirtschaft zu großen Teilen technikgeführt: Energiepolitik wird Technologiepolitik. – Alles dies verlangt die Aufnahme der Wasserstoffenergiewirtschaft in den Zielkatalog der politischen Klasse: Die Wasserstoffenergiewirtschaft darf ihre Agenda nie mehr verlassen. Zwei oder drei Generationen werden mit dem Aufbau der Wasserstoffenergiewirtschaft befasst sein. Wasserstoff verlangt Kontinuität! Wie dies jede bisherige Energie verlangte, die dem Mix hinzugefügt wurde.
• Der Kioto-Prozess ist Teil internationaler Nachhaltigkeitspolitik, er setzt auf die Reduktion von Treibhausgasen, die mit der Nutzung der fossilen Energierohstoffe mitproduziert werden, sie sind überwiegend kohlenstoffhaltig. Hydrogenisierung des Energiesystems und damit Entcarbonisierung und – als Folge – Entmaterialisierung sind die Schlüssel. Energetische Nachhaltigkeit ohne Wasserstoff ist irrational!
• Es hat sich geschichtlich so ergeben, dass die Energieimportländer Primärenergierohstoffe importieren und die potentiellen Schadstoffe immer gleich mit. Es obliegt dem Energiekäufer, sie zu entfernen und für Umwelt und Atmosphäre schadlos zu nutzen oder endzulagern. Die aufkommende Wasserstoffenergiewirtschaft bietet die Chance zu entscheiden, ob es nicht wirtschaftlicher ist, Schadstoffe und Treibhausgase gleich am Ort der Energierohstoffgewinnung durch den Energieverkäufer zu beseitigen und nur mehr sauberen Wasserstoff zu handeln: Eine außerordentliche Herausforderung für kluge Außenwirtschaftspolitik!

    Meilenstein 5
Politische Rahmenbedingungen für planungssichere Investitionen
• ergänzen die angestammte Energie(rohstoffversorgungs-)politik
  durch Wasserstoff- relevante Technologiepolitik
• fördern Exergiepolitik
• unterstützen den Kioto-Prozess
• verfolgen kluge Außenwirtschaftpolitik mit dem Ziel der Erweiterung
  der Lieferregionen und der CO₂ - Sequestrierung durch die
  Energielieferer
• setzen auf Kontinuität über Jahrzehnte
• fixieren temporäre Steuerfreiheit für Wasserstoff als Energieträger
verlangen die Aufnahme der Wasserstoffenergiewirtschaft in die politische Agenda und machen sie zu einem unverbrüchlichen gesellschaftlichen Ziel

• Der Weg in die Wasserstoffenergiewirtschaft bestätigt erneut, dass Energiepolitik zunehmend Technologiepolitik werden wird: Die Aufgabe für Industrieländer. Effiziente Wasserstoff-gestützte Brennstoffzellen schaffen Effizienzgewinne, die reduzierter Energienachfrage gleichkommen; oder, sauberer Wasserstoff aus Kohle verlangt die Techniken der Sequestrierung und Endlagerung; oder, solarer Wasserstoff setzt effiziente und bezahlbare Energiewandler erneuerbarer Energien voraus – der Beispiele gäbe es mehr. Immer kommt technisches Wissen um die Energiewandler Energie gleich, besonders auch technisches Wissen um den Energieträger Wasserstoff und seine Anlagen.
• Wie bei der Einführung erneuerbarer Energien, wie bei Biomasse oder der Wärmekraftkopplung von BHKWs kleiner bis mittlerer Leistung geschehen, wird sich die Einführung von Wasserstoff und seiner Anlagentechnik auf temporäre Steuerbefreiung verlassen müssen, um die Anfangsnachteile nicht marktgerechter Mengen und kleiner Losgrößen zu kompensieren. Bedenken wir: Wasserstoff als Kraftstoff hat es umso schwerer, den Wettbewerb aufzunehmen, je höher die Steuerbelastung konventioneller Kraftstoffe ist, die in Deutschland inzwischen auf drei Viertel des Tankstellenpreises anwuchsen! Klar ist: Fördermittel der öffentlichen Hände sind willkommen, als Impulse manchmal unerlässlich, aber nicht entscheidend; sie werden an den für den Aufbau der Wasserstoffenergiewirtschaft erforderlichen Trillionen immer nur einen verschwindend kleinen Anteil haben. Unabdingbar hingegen ist Investitionssicherheit durch den weithin erkennbaren politischen Willen, den Weg in die Wasserstoffenergiewirtschaft zu gehen und ihn über Jahrzehnte nicht mehr zu verlassen: Energie braucht Kontinuität, nicht Aufs und Abs; Unternehmer brauchen Planungssicherheit.

* Professor Dr.-Ing. Carl-Jochen Winter studierte und promovierte in den 1950er Jahren im Maschinenbau in Darmstadt, er arbeitete als junger Ingenieur bei Dornier in Friedrichshafen und leitete dort die Versuchsabteilung. Es schlossen sich 15 Jahre als Vorstandsmitglied des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt an, er war verantwortlich für die beiden Forschungsbereiche Werkstoffe und Bauweisen sowie Energetik. Gelerntes aus der Luft- und Raumfahrt-Energetik wurde unter seiner Ägide „auf den Boden zurückgeholt”: Energie- und vor allem Exergieeffizienzgewinne, alle Arten von erneuerbaren Energien und Wasserstoff als Energieträger. Projekte wie die Plataforma Solar de Almeria, HYSOLAR, HYFORUM 2000 in München oder HYFORUM 2004 in Beijing/China entstanden in seiner Zeit. Er war Gründungsvorstand des ZSW – Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung in Baden-Württemberg. Er initiierte das Forum für Zukunftsenergien in Berlin und war 13 Jahre lang dessen stellvertretender Vorstandsvorsitzender. Heute dient er als Vice President for Europe – The International Association for Hydrogen Energy.

** Winter ist geschüftsfährender Gesellschafter der ENERGON Carl-Jochen Winter GmbH, Überlingen. Geschäftsinhalte sind Konzepte, Studien und Beratungsleistungen zur nachhaltigen Energiewirtschaft. Carl-Jochen Winter war in seiner aktiven Zeit seit 1983 Professor in der Energietechnik der Universität Stuttgart. Er ist Autor und Herausgeber zahlreicher Bücher und schrieb ca. 300 Fachartikel aus den genannten Fachgebieten.

- und merke:         It's HYtime!