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Elektrolyseur : Der Strom gibt Gas

Das Herz der Anlage: Im Stack des Elektrolyseurs sind plattenförmiger Zellen aneinandergereiht. Das ganze Paket ist etwa so groß wie ein Buffettisch. Bild: Hersteller

Wind und Sonne liefern Strom - der an guten Tagen keinen Abnehmer findet. Ein vielversprechender Ansatz ist, den Überschuss in Wasserstoff oder Methan umzuwandeln.

          Manche Halbwahrheiten sind nicht kleinzukriegen. Etwa dass Spinat gesund sei, weil er viel Eisen enthalte. Oder dass es bei einem Parkrempler reicht, seine Visitenkarte unter den Scheibenwischer zu klemmen. Und dass sich elektrischer Strom nicht speichern lässt. Zwar taugt das Leitungsnetz tatsächlich nicht zum Horten; es gibt aber durchaus Verfahren, wie sich Schwankungen in Verbrauch und Erzeugung puffern lassen. Strom aus Windkraft und Sonne stehen mal mehr, mal weniger zur Verfügung - ohne Speicher müssen Kapazitäten abgeregelt werden, wenn kein Bedarf ist. Rund 400 Gigawattstunden (GWh) Windenergie im Jahr werden so verschenkt.

          Lukas Weber

          Redakteur im Ressort „Technik und Motor“.

          Hoffnungsträger für die Umwandlung großer Mengen Überschussstrom in einen Energieträger, der sich lange lagern lässt, und Forschungsgegenstand in fast zwei Dutzend Projekten hierzulande ist eine Technik, die sich mangels eines deutschen Begriffs Power to Gas (PtG) nennt und den Einstieg in die Wasserstoffwirtschaft bringen soll. Beteiligt sind große Industrieunternehmen, Energieversorger, wissenschaftliche Institute und die Politik mit Forschungsmitteln. Die Vision: Aus Überschussstrom wird mittels Elektrolyse Wasserstoff (H2) erzeugt. Das Verfahren dient zugleich dem Netzmanagement, denn der Elektrolyseur kann Regelenergie (für die es einen eigenen Markt gibt) bereitstellen und so das Netz vor Überlastung schützen.

          Wie funktioniert der Elektrolyseur?

          H2 lässt sich für vielfältige Zwecke verwenden und wird in einer Menge von rund 520 Milliarden Kubikmeter im Jahr hergestellt. Allerdings bislang zum weitaus größten Teil aus Erdgas und als Nebenprodukt der chemischen Industrie, dabei fällt in großen Mengen das unerwünschte Kohlendioxid (CO2) an. Wasserstoff kann unter anderem Fahrzeuge antreiben, die aus Brennstoffzellen Strom gewinnen. Er kann wie Erdgas gespeichert und bei Bedarf wieder zu elektrischem Strom umgewandelt oder direkt ins Erdgasnetz eingespeist werden, das rund 230 Terawattstunden (TWh) aufnehmen kann - als Beimischung oder nach der Weiterverarbeitung zu Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases. Zum Vergleich: Der gesamte Jahresstromverbrauch Deutschlands liegt bei etwa 580 TWh.

          Wie funktioniert das? In der Schule hat der Chemielehrer Gleichstrom an zwei Elektroden angelegt, die in eine wässrige Lösung als Elektrolyt getaucht waren. An der Kathode bildet sich aus dem Wasser im darübergestülpten Reagenzglas H2, dessen Nachweis mit der Verbrennung und einem sanften Puff gelingt, an der Anode bildet sich Sauerstoff (O2). Das ist schon eine Weile her und war auch damals nicht neu. Tatsächlich datieren erste Versuche, aus Strom mittels Wasser-Elektrolyse H2 herzustellen, aus der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts. Schon ein paar Jahrzehnte später wurde erstmals eine Elektrolyse an ein Kraftwerk gekoppelt.

          Heute sind die Verfahren ausgefeilter, das Prinzip bleibt gleich. Ein Elektrolyseur funktioniert wie eine Brennstoffzelle, nur läuft das Verfahren umgekehrt ab. Aus etwa fünf Kilowattstunden (kWh) wird so ein Normkubikmeter H2 (und O2, dessen Verwertung oft nicht lohnt). Wie in der Brennstoffzelle arbeiten im Elektrolyseur aneinandergereihte Einheiten (Zellen), die zu Stapeln (Stacks) zusammengefasst sind. Und wie dort gibt es verschiedene Typen, von denen in der Praxis zwei eine Rolle spielen und ein dritter gerade erprobt wird. Klassiker ist die alkalische Wasser-Elektrolyse, sie wird seit fast einem Jahrhundert angewendet. Elektrolyt ist in der Regel Kalilauge. Solche Anlagen sind vor allem dort im Einsatz, wo große Mengen günstiger Strom zur Verfügung stehen, etwa an Staudämmen. Der Wirkungsgrad wird mit 60 bis 70 Prozent angegeben.

          Mit Elektrolyseur aus H2 wieder Strom herstellen

          Der zweite Typ ist der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseur (PEM). Er hat eine protonenleitende Nafionmembran (eine Modifikation von Teflon), die H2 und O2 trennt. PEM-Elektrolyseure gibt es in kleinen Leistungsklassen ebenfalls schon lange, der Wirkungsgrad wurde bisher mit 40 bis 45 Prozent angegeben. Doch die Entwicklung geht weiter: Seit kurzem sind Einheiten mit bis zu zwei Megawatt (MW) Leistung auf dem Markt, die ähnliche Wirkungsgrade wie die alkalische Elektrolyse erreichen sollen, Hersteller sind unter anderen Siemens und Proton. Der dritte Typ ist die Hochtemperaturelektrolyse. Die erste Anlage ist vor kurzem in Dresden in Betrieb gegangen; sie arbeitet mit Temperaturen von rund 900 Grad Celsius und Zellen aus Keramik. In der Versuchsanlage von Sunfire wird aus dem H2 und CO2 synthetischer Treibstoff hergestellt. Da Wasserdampf statt Wasser verwendet wird, steigt der Wirkungsgrad, der Hersteller spricht von bis zu 90 Prozent. Für die reine H2-Produktion kann die Hochtemperatur-Elektrolyse genutzt werden, wenn aus anderen Prozessen viel Wärme zur Verfügung steht. Die keramische Zelle arbeitet in beide Richtungen - sie könnte aus H2 wieder Strom herstellen.

          Das ginge im Prinzip auch mit einem PEM-Elektrolyseur, sagt Klaus Scheffer von Siemens, wenn die gesamte Anlage entsprechend konzipiert wäre. Scheffer ist der Projektleiter des Unternehmens für den Energiepark Mainz, der jüngsten PtG-Anlage in Deutschland. Dort sind Windräder von viermal zwei MW Leistung an eine PEM-Elektrolyseanlage gekoppelt, die mit drei Einheiten von je zwei MW Spitzenleistung die größte PEM-Elektrolyse der Welt ist. Zusammen mit den Stadtwerken Mainz, der Hochschule Rhein-Main und dem Gasspezialisten Linde soll das Miteinander von Elektrolyse, Windanlage, Netzbetrieb und Wasserstoffverwendung erprobt werden.

          Noch Optimierungsbedarf

          Das zuvor gereinigte Wasser wird mit Druck in die Elektrolysezellen eingespeist. Dort baut sich durch die Gasbildung ein Druck bis zu 35 bar auf. Die ersten Kompressionsstufen für die Speicherung des H2 seien deshalb nicht mehr notwendig, sagt Scheffer. Linde verwendet Ionenverdichter, die mit Flüssigkeiten statt Kolben arbeiten, erklärt Stephan Metz, der die Entwicklung bei Linde betreut. Dadurch lasse sich vermeiden, dass der hochreine Wasserstoff durch Schmiermittel verschmutzt werde, außerdem sei der Energieverbrauch geringer. Für das Erdgasnetz und für die Tanks werden etwa 80 bar gebraucht, für den Transport in Lastwagen 200 bar. Derzeit gibt es 19 öffentlichen Wasserstofftankstellen, dort wird das Gas dann auf 700 bar komprimiert. Die gesamte Technik sei bewährt und sicher, sagt Metz.

          In wechselnden Betriebsarten soll untersucht werden, wie sich die Anlage verhält und wie das Zusammenspiel von Strombezug und Elektrolyse optimiert werden kann, erklärt Scheffer. Erprobt wird zugleich - wie in anderen Projekten -, wie sich Wasserstoff ins Erdgasnetz einspeisen lässt. In Mainz ist das Netz ein geschlossenes System, was daran hängt, sei im Prinzip bekannt, sagt Jonas Aichinger, der das Projekt für die Stadtwerke Mainz koordiniert. In früheren Zeiten, als es noch Stadtgas gab, lag der H2-Anteil darin über der Hälfte. Jetzt sollen fünf und später bis zu zehn Prozent eingespeist werden. Problem seien die Endgeräte, erklärt Aichinger, man müsse testen, welchen Anteil sie vertrügen. Vor allem die mit Erdgas betriebenen Autos tolerieren nur höchstens zwei Prozent H2-Beimischung.

          Audi produziert schon Methan für Gas-Autos

          Auf die PEM-Elektrolyse setzen die Entwickler große Hoffnung. Sie habe gegenüber der alkalischen Elektrolyse den Vorteil, dass sie auf Lastschwankungen in Millisekunden reagieren könne, erklärt Alexander Tremel, der Elektrolyse-Experte in der zentralen Siemens-Forschung. Damit ließen sich Druckunterschiede leichter beherrschen als mit dem flüssigen alkalischen Elektrolyten. Deshalb kann Primärregelenergie zur Verfügung gestellt werden. Die alkalische Elektrolyse hat dagegen eine Reaktionszeit von einigen Minuten, das reicht für Sekundärregelenergie. Die 6 MW-Anlage von Audi in Werlte ist vor einigen Tagen entsprechend zertifiziert worden, dort wird aus dem H2 Methan für Gasautos produziert, weil die Infrastruktur für deren Betrieb schon vorhanden ist. Audi habe sich wegen der niedrigeren Investitionskosten und der bewährten Technik für eine drucklose alkalische Elektrolyse entschieden, erklärt Hermann Pengg, der dort für die erneuerbaren Energien zuständig ist.

          Bei entsprechender politischer Weichenstellung (und ohne die EEG-Umlage auf die Elektrolyse) könne mit großen Anlagen in fünf bis zehn Jahren Methan zu den Kosten von Biogas (6 bis 8 Cent je kWh) hergestellt werden. Die reine Betrachtung der Wirkungsgrade beider Typen hält auch Tremel nicht für zielführend. Der Wirkungsgrad sei von der Auslastung abhängig, mit entsprechender Dimensionierung könne also ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden - allerdings bei höheren Investitionskosten. Die PEM sei wartungsärmer, aber derzeit noch teurer als die alkalische Elektrolyse. Tremel sieht, wie viele andere Fachleute, den Zukunftsmarkt der Elektrolyse vor allem in der Bereitstellung von Wasserstoff für die Mobilität. Die Konkurrenzfähigkeit der Elektrolyse gegenüber der konventionellen Herstellung aus Erdgas sei abhängig von den Bezugskosten von Strom und Gas, sie beginne bei 20 bis 40 Euro je MWh (ohne Berücksichtigung der Umweltbelastung durch CO2).

          Dass sich angesichts der niedrigen Preise für Erdgas die Einspeisung von grünem Wasserstoff ins Gasnetz mit anschließender Rückverstromung wirtschaftlich nicht lohnt, meinen auch die Kritiker des Gesamtkonzepts. Genüsslich rechnen sie vor, wie in der gesamten Kette die Wirkungsgrade zusammensinken. Nach angenommenen jeweils 70 Prozent in Elektrolyse und Brennstoffzelle zur Rückverstromung bleibt nur noch die Hälfte der eingesetzten Energie übrig. Weitere Verluste entstehen, weil das Wasser gereinigt und unter Druck in den Elektrolyseur geführt wird.

          Kostenproblem

          Der Wasserstoff muss anschließend getrocknet und verdichtet werden. Da ein Kubikmeter Wasserstoff mit rund drei kWh nur etwa ein Drittel des Energiegehalts von Erdgas hat, sinkt außerdem der Gesamtenergiegehalt des Speichers - seien es Tanks, das Gasnetz oder Salzkavernen. Den Wasserstoff zu Methan umzuwandeln (oder zu anderen Kohlenwasserstoffen, was unter dem Stichwort Power to X diskutiert wird), reduziert den Wirkungsgrad weiter. Denn die Methanisierung ist ein katalytischer Prozess, der unter Druck bei hohen Temperaturen abläuft. Wenn die Wärme nicht anderweitig genutzt werden kann, geht dabei etwa ein Fünftel der Energie verloren. Weiters wird dafür CO2 benötigt, das bereitgestellt werden muss, etwa aus den Abgasen von Kohlekraftwerken (an anderen Verfahren wird geforscht, etwa der Methanisierung durch Mikroben). Dass die Angaben zum Gesamtwirkungsgrad auseinandergehen, ist da nicht verwunderlich; je nach Art der Rückverstromung (Brennstoffzelle, Gasturbine, Blockheizkraftwerk) werden etwa vier bis fünf kWh benötigt, damit daraus wieder eine kWh wird.

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          Zweites Problem sind die Kosten. Zur Amortisation der Investitionen müsste eine möglichst hohe Auslastung der Anlagen angestrebt werden, also lange Laufzeiten. Dem steht das Bestreben gegenüber, billigen Überschussstrom zu nutzen und negative Regelenergie (also Stromaufnahme) zur Stabilisierung der Netze bereitzustellen - so kann es zu Stillstandszeiten oder kurzfristiger Nutzung der Spitzenlast kommen. Das verkraftet die PEM, aber der Wirkungsgrad sinkt.

          Erfolg ist abhängig vom Umweltnutzen

          Das alles sei Gegenstand der Erprobung, sagt Scheffer, auch Rückverstromung und Methanisierung könnten in Mainz zu einem späteren Zeitpunkt getestet werden. Die PEM-Elektrolyse könne mit steigenden Stückzahlen billiger werden. Siemens rechnet vor, dass 2018 Preise von deutlich unter 1000 Euro je installierter kWh erreicht sein werden. Dann sollen die Elektrolyseure der dritten Generation bis zu 100 MW stark sein. Für Linde steht die Herstellung von hochreinem grünen Wasserstoff für Industriekunden und Verkehr im Vordergrund, erklärt Metz. Den Gesamtwirkungsgrad bis zum Rad des Autos beziffert er mit knapp 30 Prozent. Das sei freilich immer noch effizienter als die gesamte Kette mit einem Verbrennungsmotor. Die Diskussion führe aber in die Irre, schließlich werde Strom verwendet, der sonst keinen Abnehmer finde.

          Ob sich die Elektrolyse lohnt, ist am Ende davon abhängig, wie der Umweltnutzen bewertet und welche anderen Verfahren zur sauberen H2-Erzeugung es geben wird. Es ist wohl die einzige Möglichkeit, große Mengen Strom über längere Zeit zu speichern. Die Frage ist, ob man das braucht - Erdgas ist viel günstiger, allerdings ein fossiler Energieträger. Für die kurzfristige Speicherung von elektrischem Strom zur Stabilisierung des Netzes gibt es auch andere Optionen. Mit denen werden wir uns in einem späteren Beitrag befassen.

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