Die Energiewende kann ohne Stromspeicher nicht funktionieren.
Nun scheitert mit der ausgerufenen H2-Technologie auch die letzte Hoffnung auf eine Lösung der Stromspeicherproblematik.
Das bedeutet nicht nur das Ende der Energiewende, es steht für die E-Mobilität auch kein CO2-freier Strom zur Verfügung, von der Rohstoffversorgung (Lithium, Cobalt) und dem Recycling abgesehen.
Aber auch die Umstellung der Verbrenner auf H2-Technologie führt zu einem unerträglichen Energieverbrauch.
Dennoch werden die Ökoideologen gegen alle Realitäten ihre seit Jahrzehnten propagierten Weltuntergangsszenarien weiter predigen, obwohl der Einfluss von CO2 auf das Klima marginal ist (die 2% Deutschlands am weltweiten CO2-Ausstoss ohnehin).
Ein Umlenken wird es erst nach den ohne Stromspeicher zwangsläufig auftretenden Stromstillständen mit Toten geben (siehe Australien).

Fazit

a)Leistungsaufwand Strom zur Lösung des Stromspeicherproblems über Wasserstoff

Um die Stromspeicherproblematik bei der Stromerzeugung mit Wasserstoff zu lösen, muss in 4 Stufen (Stromerzeugung über Wind+Sonne (Überschussstrom) – H2O-Elektrolyse – H2-Speicherung – H2-Verbrennung mit Rückverstromung) mit einem Gesamtwirkungsgrad von 40% (bewusst optimistisch angesetzt) spätestens in 2038 neben der normalen Stromleistung von etwa 69 Gigawatt (GW) die Leistung um 59 GW auf 128 GW angehoben werden mit einer erforderlichen täglichen Stromerzeugung von im Mittel 1660+1416 = 3078 GWh/Tag,  in 2050 auf insgesamt 69+75 = 144 GW bei einer Stromerzeugung von insgesamt 3460 GWh/Tag.

b) Leistungsaufwand Strom für die Umstellung der Verbrennungsmotoren auf Wasserstoff einschließlich des dabei anfallenden Stromspeicherproblems

Für die Umstellung der Verbrennungsmotoren auf H2-Technologie in 2050 – wenn man sich nach a) dieser Mühe noch unterzieht – muss im ersten Schritt Wasserstoff in 3 Stufen (Stromherstellung aus Wind+Sonne – H2O-Elektrolyse – H2-Speicherung) mit einem Gesamtwirkungsgrad von 63% hergestellt werden.
Ausgehend von einer täglichen Leistung von 38 GW und einer äquivalenten Stromerzeugung von 913 GWh/Tag für das Betreiben der Verbrennungsmotoren in Deutschland errechnet sich dann unter Berücksichtigung des genannten Wirkungsgrades eine erforderliche Stromleistung von 60 GW bei einer Stromerzeugung von 1440 GWh/Tag.
Aber bei der Stromerzeugung über Wind+Sonne ist auch hier durch ihre Fluktuation eine Stromspeicherung erforderlich, d.h. es muss abermals das bereits zitierte 4-Stufen-Verfahren bis zur H2-Verbrennung mit Rückverstromung mit einem Wirkungsgrad von 40% angewandt werden.
Das erforderliche Speichervolumen errechnet sich zu 30 GW, multipliziert mit dem bekannten Wirkungsgrad von 40% ergibt eine Leistungsanforderung  von 75 GW mit einer Stromerzeugung in 2050 von 1800 GWh/Tag für die Lösung des Speicherproblems bei der Umstellung von Verbrennern auf H2-Technologie.
Alleine für die Umstellung von Verbrennungsmotoren auf H2-Technologie ist dann eine Stromleistung von insgesamt
60+75 = 135 GW bei einer Stromerzeugung von 1440+1800=3240 GWh/Tag erforderlich.

c)    Summe a)+b)

Insgesamt wäre dann für die Lösung der Speicherproblematik bei der Stromerzeugung sowie für die Umstellung der Verbrenner auf H2-Technologie in 2050
– eine Stromleistung von 144+135 = 279 GW sowie
– eine Stromerzeugung von 3460+ 3240 = 6700 GWh/Tag erforderlich

Fazit:  Ein Energie-Irrsinn ungeahnten Ausmaßes, obwohl die Wirkungsgrade optimistisch angesetzt wurden.
Wie schrieb das BMWi im Juni 2020: „Der Stoff hat das Zeug zu einem Hollywoodstreifen“.

1. Einleitung und Aufgabenstellung

„In der Klimadebatte haben wir den Wandel von prominenten Wissenschaftlern zu Hohepriestern erlebt“ (Thea Dorn (1)) mit dem Ergebnis einer nicht funktionierenden Energiewende in Deutschland, da Wind und Sonne nicht gewillt sind, den erforderlichen Strom zu liefern.
Diese nicht funktionierende Energiewende sollte zunächst für eine Kugel Eis zu haben sein (Trittin), am Ende wiesen die letzten Kostenbetrachtungen Beträge von bis 6-7 Billionen € für die Sektorkopplung aus. (2-5)
Nun soll eine Wasserstoffstrategie her, u.a. um das ungelöste Problem der Energiewende – die Stromspeicherproblematik – zu lösen.
Insgesamt fördert der Bund die Wasserstofftechnologie über das neue Konjunkturprogramm mit 9 Milliarden €.
Ziele der neuen Wasserstofftechnologie sind u.a.:
1. Das Problem der Stromspeicherung zu lösen
2. Als Ersatz für fossile Gase
3. Wasserstoff soll in der Industrie, im Verkehr, in Gebäuden und in der Stromerzeugung genutzt werden mit dem Ziel der Klimaneutralität in 2050
4. Anstreben der Weltmarktführerschaft in der H2-Technologie

Bis 2030 sollen 5 GW als „grüne“ Strommenge (durch H2O-Elektrolyse mit Hilfe von Wind und Sonne – Überschussstrom) erzeugt werden. Insgesamt erwartet die Regierung bis 2030 einen Wasserstoffbedarf von bis zu 110 TWh. Eine fehlende Differenz soll entweder importiert oder aus „nicht grünem“ Quellen gewonnen werden wie „blauem“ Wasserstoff aus Erdgas und „türkisem“ Wasserstoff aus Methan.
Nun wird auch die EU aktiv. Bis 2030 sollen in ganz Europa 13-15 Milliarden € in die Herstellung von H2 investiert werden, außerdem 50-100 Milliarden in die entsprechenden Wind- und Solarkapazitäten. Ziel ist der flächendeckende Einsatz von Wasserstoff mit der Klimaneutralität in 2050.

Viele Studien des BDI, der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (Acatech) oder der Deutschen Energieagentur (Dena) kommen zu dem Ergebnis, dass Klimaneutralität in 2050 nur mit Wasserstoff erreicht werden kann.

In einer früheren Arbeit war herausgestellt worden, dass bis zum Kohleausstieg in 2038 bzw. der Klimaneutralität in 2050 weder die erforderliche Stromspeicherkapazität beigestellt noch die hohen stündlichen Stromschwankungen über Gaskraftwerke ausgeglichen werden können. (6)

Im Folgenden sollen daher quantitative Energiebetrachtungen durchgeführt werden
a) für die Lösung der Stromspeicherproblematik durch den Einsatz von Wasserstoff bis zur ausschließlichen Stromerzeugung über die alternativen Energien in 2050
b) für die Umstellung aller Verbrennungsmotoren auf die Wasserstofftechnologie bis zur ausschließlichen Stromerzeugung über die alternativen Energien in 2050.

Sicherheitsfragen zur Handhabung des Wasserstoffes durch den hohen Zündbereich, die hohe Flammgeschwindigkeit und die hohe Detonationskraft werden nicht behandelt.
Neben dem CO2-Ausstoß über Industrie, Gebäude, etc. sind die hier behandelten Sektoren Energiewirtschaft (Stromerzeugung) und Verkehr mit über 50% die höchsten CO2-Emittenten (Bild 1). (6)

Bild 1: Entwicklung der CO2-Emissionen nach Kategorien

Das nationale Treibhausminderungsziel von mindestens 65% bis 2030 (Beschluss am 03.07.2020) und das Bekenntnis der Bundesregierung auf dem UN-Klimagipfel vom Herbst 2019, Treibhausneutralität bis 2050 zu verfolgen, ist Ziel der begonnenen H2-Technologie.

2. Berechnung des Energie- und Wasserstoffverbrauches für die Lösung des Stromspeicherproblems bis zur ausschließlichen Stromerzeugung über alternative Energien in 2050

Um den Wasserstoffverbrauch bis 2050 für die zwingend erforderliche Stromspeicherung berechnen zu können, wurde von den vorläufigen Verbrauchskennzahlen in 2019 nach AGEB ausgegangen und die mit fallender Stromerzeugung über Kohle und der erforderlichen zunehmenden Stromerzeugung über die alternativen Energien bis 2038 die Zunahme der notwendigen Stromspeicherkapazität errechnet – das gleiche gilt im zeitlichen Anschluss für die Herausnahme der fossilen Gase von 2038 bis 2050: Tafel 1; Bild 2. (vgl. auch (7))

Tafel 1

Dabei wird von einer gleichbleibenden Stromerzeugung von 606 TWh entsprechend 69,1 GW bis 2050 ausgegangen – einschließlich Exportüberschuss -, auch wenn weltweit bis 2040 von einer Steigerung des Energiebedarfes von 25% ausgegangen wird. Der Stromimportsaldo wurde nicht berücksichtigt.

Bild 2:  Stromerzeugungskapazitäten der verschiedenen Stromerzeuger 2019 bis 2050 (7)

In Bild 2 wird über den nicht fluktuierenden erneuerbaren Energien einschließlich der „Sonstigen“ zunächst die Stromerzeugungskapazität über Erdgas und Öl zuerst bis 2038 als konstant, um von 2038 bis 2050 im Sinne der ausgeglichenen CO2-Bilanz gegen Null angesetzt.

Darüber zeigt Bild 2 die Stromerzeugung über Kernkraft und Kohle, bis schließlich Wind und Sonne die in 2038 erforderliche Leistung (einschließlich der erforderlichen Stromspeicher) bis 69,1 GW abdecken, wobei gleichzeitig das Ausmaß der Fluktuation von Wind und Sonne sichtbar wird.
Für die Berechnung der zu installierenden Wind- und Solaranlagen wird von einem Nutzungsgrad von Wind+Sonne von 2019 ausgegangen: 17,6%.
Der Anteil der erneuerbaren Energien liegt in 2019 bei 38,8%.

Aus den Angaben zum Kohleausstieg ergibt sich ein Kapazitätsabbau der sicheren Stromerzeuger einschließlich der Herausnahme der Kernkraft  in 2022 wie folgt: KKW -8,1 GW, BKK -2,8 GW, SKK -1,3 GW (Linearität unterstellt), zusammen rd. 12 GW (Bild 2).
Für die Berechnung der Stromspeicherkapazität muss immer wieder herausgestellt werden, dass die mittlere Stromleistung von 69,1 GW nur aufrecht erhalten werden kann, wenn der oberhalb dieses Mittelwertes anfallende Strom aus Wind+Sonne gespeichert und bei Stromleistungen über Wind+Sonne unterhalb dieses Mittelwertes wieder eingespeist werden kann. (Bild 2)
So müssen z.B. in 2038 durch die fluktuierende Stromerzeugung über Wind+Sonne der zwischen 291 GW und 69,1 GW anfallende Strom in Stromspeichern gesammelt werden, um ihn bei nicht ausreichender Stromleistung zwischen 22 GW und 69,1 GW wieder einzuspeisen.
Die dann erforderliche Speicherleistung liegt dann nach Bild 2
– in 2038 bei    (69,1-22)/2 = 23,6 GW entsprechend 567 GWh/Tag bei einer täglichen Erzeugung von 1660 GWh
– in 2050 bei    (69.1-10)/2 =  30 GW entsprechend 720 GWh/Tag
– bei möglichen täglichen Spitzenleistungen von 80 GW sogar bei 35 GW (vgl. auch (7)).

Ein Ziel der H2-Technologie ist es, die ausgewiesene erforderliche Stromspeicherleistung über Wasserstoff dergestalt zu decken, dass der über der mittleren Stromleistung von 69,1 GW anfallende Strom aus Wind+Sonne (Überschussstrom) in Wasserstoff umgewandelt wird, um ihn dann wieder zur Deckung der noch ungelössten Speicherproblematik in Strom umzusetzen.

Nun sollen nach dem Konzept der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ über die Herstellung von „grünem“ Strom aus Wind+Sonne die zitierten mittleren
–  23,6 GW  bzw. 567 GWh/Tag   in 2038  und
– 30 GW  bzw. 720 GWh/Tag    in 2050
über „grünen“ Wasserstoff nach der H2O-Elektrolyse abgedeckt werden.

Der Energieaufwand für die Wasserelektrolyse ist gewaltig.
Geht man von den thermodynamischen Daten der Wasserspaltung aus nach
H2O = H2+ 1/2 O2       -57810 kcal/kmol
errechnet sich für die Herstellung von einem Nm3 H2 ein Energieverbrauch von 3 KWh bzw. ein Energieverbrauch für
1 kg H2  von 33 KWh.
Da der energetische Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse bei etwa 70% und niedriger liegt, kann bei positiver Betrachtung von einem Energieverbrauch für die Herstellung von
1 kg H2 von etwa 47 KWh
ausgegangen werden.

4-Stufen-Plan zur Erzeugung von H2 mit anschließender Verstromung für die Lösung des Speicherproblems

Der notwendige Verfahrensweg der Stromherstellung über Wind und Sonne (Überschussstrom) über die H2O-Elektrolyse, die H2-Speicherung  bis zur H2-Verbrennung mit Rückverstromung sieht wie folgt aus:

–  Stufe 1: Stromerzeugung über Wind und Sonne (aus Überschussstrom)
– Stufe 2: H2O-Elektrolyse mit Wirkungsgrad 70%
– Stufe 3: H2-Speicherung in einem Netz mit Verlusten von 10%. Im
Erdgasnetz sind nur etwa 10% H2 zulässig.
– Stufe 4: H2-Verbrennung mit Rückverstromung, Wirkungsgrad 60%

Damit sind die aus dem Schrifttum bekannten Wirkungsgrade bewusst günstig angesetzt.
Bei den angesetzten Wirkungsgraden ergeben sich folgende Verluste:

– Stufe 2:   33/0,7 = 47 KWh/kg H2
– Stufe 3:   1×0,9 = 0,9 kg H2. Bedeutung für Stufe 2: 47/0,9 = 52 KWh/kg H2
– Stufe 4:   52 KWh/kg H2/0,6 = 87 KWh/kg H2

Wirkungsgrad der Stufen 1-4 damit:   33/87 bzw. 40 %
Laut einer Studie der Ludwig- Bölkow-Systemtechnik liegt der Wirkungsgrad dieses Verfahrensweges  bei 30-40%.
Bei dieser Betrachtung wurde nicht berücksichtigt, dass bei den ständigen Schwankungen der Stromerzeugung über Wind+Sonne zwischen praktisch null GWh (nachts bei Windstille) und der Stromerzeugung nahe der installierten Leistung immer wieder Leistungen abgeregelt werden müssen.
Diese Aussage hat umso mehr Gewicht, weil bereits bei den Wind- und Solarerzeugungsverhältnissen in 2019 die stündlichen Stromschwankungen bereits Werte  bis +/- 8 GW annehmen, in 2038 sogar bis +/- 22 GW je Stunde, die zwangsläufig abgeregelt werden müssen. (vgl. (7))

Diese Verlustbetrachtungen für dieses 4-Stufen-Verfahren von 40% bedeuten für die Berechnung der Energieaufwendungen für die Lösung des Stromspeicherproblems (immer auf Mittelwerte bezogen):

• in 2038: Zunahme von 567 GWh/Tag bzw. 23,6 GW auf 1418 GWh/Tag mit 59 GW
• in 2050: Zunahme von 720 GWh/Tag bzw. 30 GW auf 1800 GWh/Tag mit 75 GW

Das bedeutet für die zu erbringende Leistung der Wind- und Solaranlagen (gleiches Verhältnis wie 2019 unterstellt):

– in 2038: Zunahme von 47,3 GW (Tafel 1) + 59 GW  = 109 GW
– in 2050: Zunahme von 58,3 GW (Tafel 1)  + 75 GW  = 133 GW       (Bild 3)

Damit steigt die zu erzeugende tägliche Strommenge in 2050 auf
1660 GWh/Tag  +  1800 GWh/ Tag   auf 3460 GWh/Tag  –
ein nicht zu überbietender Wasserstoff-Albtraum, ohne auf all die damit verknüpften Probleme (z.B. Stromnetz) eingehen zu wollen.

Der Plan der „H2-Strategie“ sieht vor, in 2030  5 GW „grünen“ Strom anzubieten. Aus Bild 2 wird deutlich, dass bereits in 2030 alleine eine Stromspeicherung über „grünen“ Wasserstoff von über 20 GW von Nöten wären zur Lösung des Speicherproblems.

Bild 3: Aufzubringende Stromleistung über Wasserstoff zur Lösung des Speicherproblems bei der Stromerzeugung sowie der Umstellung der Verbrenner auf H2-Technologie.

3. Berechnung des Energieverbrauches für die Umstellung von Verbrennungsmotoren auf Wasserstofftechnologie

Unterzieht man sich nach diesen Ausführungen dennoch der Mühe, eine quantitative Energiebetrachtung der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf H2-Technologie anzustellen, so wird das Unternehmen H2-Technologie noch abenteuerlicher:
In einer früheren Arbeit (8) war die zu erbringende Stromerzeugung bei einer Umstellung von 45 Mio. Verbrennungsmotoren für PKW sowie diversen Nutzfahrzeugen und Bussen errechnet worden: 337 000 GWh/a bei einer gleichmäßigen Aufladung über 24 Stunden entsprechend 38 GW im Jahre 2050.
Der Hype der Umstellung von Verbrennungsmotoren auf E-Mobilität fußte auf der Vorstellung, dass
a) die Energiewende funktioniert und der Strom ausschließlich über regenerative Energien CO2-frei bei einem gelösten Speicherproblem hergestellt werden kann
b) die Anforderungen an den überhöhten Abbau des CO2-Ausstoßes über Verbrennungsmotoren je Flotte nur mit einem hohen Anteil an E-Autos erfüllt werden können.
Aber der Hype um die E-Mobilität lässt nach, da
a) CO2-freier Strom über die Energiewende ohne die genannten Stromspeicher nicht erzeugt werden kann
b) nach den zuletzt veröffentlichen Studien der „CO2-Rucksack“, der bei der Batterieherstellung anfällt, erst nach einer Fahrleistung von 219 000 km ein elektrisches Auto der Golfklasse ein entsprechendes Auto mit Dieselmotor im Hinblick auf seinen CO2-Ausstoß schlägt. Die durchschnittliche Lebenserwartung eines PKW liegt in Deutschland bei 180 000 km. (vgl. auch FAZ, 10.01.2020)
c) die Versorgung der Batterien mit Lithium, Cobalt, etc. einschließlich der Entsorgung der Batterien mit unübersehbaren Problemen behaftet ist.

Nun soll nach dem Konzept der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ u.a. auch der Verkehr in die H2-Technologie einbezogen werden. Es gilt dann in 2050:

337 000 GWh/a    entsprechen 913 GWh/Tag (38 GW)

3-Stufen-Erzeugung von Wasserstoff für die Umstellung der Verbrenner auf Wasserstoff

Wie bereits in Kapitel 2 ausgeführt, müssen in den ersten 3 Stufen 52 KWh je kg H2 aufgebracht werden, was einem Wirkungsgrad von 33/52 bzw. 63% entspricht.
Das bedeutet, dass täglich anstelle von 913 GWh/Tag (38 GW)      1440 GWh/ Tag (60 GW) aufgebracht werden müssen. (Bild 3)

4-Stufen- Erzeugung von Wasserstoff für die Lösung des Speicherproblems bei der Umstellung von Verbrennern auf Wasserstoff

Bei der Stromerzeugung ausschließlich über Wind+Sonne  wird naturgemäß erneut durch die Fluktuation von Wind+Sonne eine Stromspeicherung erforderlich.
Da dieser Verfahrensschritt bis zur Rückverstromung des Wasserstoffes zum Ausgleich der Stromspeicher erfolgen muss, gilt auch hier die 4-Stufen- Erzeugung:
–  in 2050 müssen dann 60/2 = 30 GW gespeichert werden, für die
– 75 GW bereitgestellt werden müssen entsprechend einer Stromerzeugung von 1800 GWh/Tag  (Bild 3).

Damit ist in 2050 für die Umstellung der Verbrenner auf H2-Technologie ausschließlich über Wind+Sonne insgesamt folgende Leistung erforderlich:

• H2-Technologie                                                            60 GW
• Abdeckung Leistung für Stromspeicher               75 GW
                                              Summe                              135 GW

–    mit einer erforderlichen Stromerzeugung von 3240 GWh/Tag (Bild 3).

Insgesamt in 2050 erforderliche Installation an Wind -und Solaranlagen zur Lösung des Speicherproblems bei der Stromerzeugung und bei Umstellung der Verbrenner auf H2-Technologie

GW                 GW inst.                GWh/Tag

– Stromerzeugung
aus Wind+Sonne                  58,3(Tafel1)   331 (Tafel 1)           1400
– Stromspeicherung H2      75                    426                          1800
– Umstellung Verbrenner    60                    340                          1440
– Ausgleich Stromspeicher
bei Umstellung
auf Verbrenner                       75                    426                           1800

– Summe                                 268                1523                          6440

Aus 58,3 GW Stromleistung über Wind+Sonne in 2019 werden 268 GW in 2050 (Nutzungsgrad 17,6% – Kapitel 2), aus 331 GW zu installierende Wind-+Solaranlagen in 2019 werden 1523 GW, aus 1400 GWh/Tag werden 6440 GWh/Tag – ein Energie-Irrsinn.

Flächenbedarf

Die Installation von 1523 GW über Wind- und Solaranlagen erfordert die Belegung einer nicht unerheblichen Fläche.
Setzt man den Flächenbedarf einer 3 MW- Windanlage mit nur 0,1 km2 an und das Verhältnis von Wind- und Solarleistung mit 73:27 an (Tafel 1), so ergibt sich ein Flächenbedarf von
1523 x 0,73 x 0,1/3  = 37 000 km2,
ohne die Fläche der Solaranlagen, die mit 10 km2/ GW angegeben werden.
Die Fläche Deutschlands beträgt 357 000 km2, davon 182 000 km2 Landwirtschaft, 111 000 km2 Wald, 50 000 km2 Siedlung und Verkehrsfläche, etc.  – wo auch immer die Windräder stehen sollen.

4. Schlussbetrachtung

Nicht unerwähnt soll die mögliche Weiterverarbeitung des Wasserstoffes zu Methan nach dem Power-to-Gas-Verfahren bleiben, den sog. E-Fuels. Schließlich läge der Vorteil in der Nutzung der bestehenden Infrastruktur (Fahrzeuge, Tankstellen, Erdgasnetz, etc.).
Der unüberbrückbare Nachteil dieses Verfahrens liegt jedoch bei einem hoffnungslosen Wirkungsgrad in der Größenordnung von deutlich unter 30%.
Hinzu kommt, dass bei der bisherigen Betrachtung von durchschnittlichen täglichen Kennzahlen in 2019 bzw. in 2050 ausgegangen wird. Es können jedoch im Winter sog. Windflauten von z.B. 14 Tagen auftreten, in denen praktisch weder Wind noch Sonne Strom erzeugen können.
Um derartige Zeiträume zu überbrücken, müssten gigantische Kapazitäten an H2-Speichern geschaffen werden mit gigantischen Verlusten und Kosten.
Im Übrigen gelten die hier durchgeführten Betrachtungen nur für die Sektoren Stromerzeugung und Verkehr, die nur für etwas mehr als 50% des CO2-Ausstosses verantwortlich zeichnen. (vgl. Bild 1)
Nun hat das Kabinett zusammen mit der Industrie am 15.07.2020 das „Handlungskonzept Stahl“ beschlossen, die Herstellung von „grünem“ Stahl.
Die Stahlkocher stehen für ein Drittel aller Treibhausgasemissionen der deutschen Industrie.
Nun sollen die Anlagen für die Stahlerzeugung von Kokskohle auf CO2-frei produzierten Wasserstoff umgerüstet werden, also auf „grünen“ Wasserstoff.
Industrievertreter veranschlagen Investitionen von 30 Milliarden €, davon 10 Milliarden € bis 2020.
Für die Umstellung auf „grünen“ Stahl ebenso wie die Umstellung der Chemieindustrie , etc. auf eine „grüne“ Produktion sind große Bedenken für die aufzubringende Energie angebracht. Der hier optimistisch angesetzte Wirkungsgrad von 63% für die Herstellung des Wasserstoffes bzw. der Energieverlust von mindestens 37% stellt gemessen am Einsatz des Kohlenstoffes vor allem im Stahlbereich eine hoffnungslose Belastung dar, von den verfahrenstechnischen Schwierigkeiten abgesehen.
Im Übrigen schätzt der Branchenverband VCI, dass sich der Strombedarf der chemischen Industrie von Mitte der 2030er Jahre an auf 628 Terawattstunden mehr als verzehnfachen würde, das wäre mehr als die gesamte Stromproduktion in Deutschland im Jahre 2018 (9), ein weiteres hoffnungsloses Unterfangen für den Ausbau der alternativen Energien oder gar die Wasserstofftechnologie.

Nun scheitert der letzte Anker zur Rettung der Energiewende durch die ausgerufene H2-Strategie hoffnungslos.
Summiert man all die deutschen ideologischen Vorstellungen der letzten Jahrjahrzehnte wie die Vorstellung vom Weltuntergang durch höhere CO2-Gehalte in der Atmosphäre, die daraus resultierende, auf der Welt einzigartige Energiewende bis hin zur Rettung der Energiewende durch die nun ausgerufene H2-Strategie, so scheint der letzte Schritt für das Ende der Erfolgsgeschichte der deutschen Industrie nun eingeläutet zu sein.
Schließlich werden Realitäten in Deutschland durch eine weitgehende grün-rote Ideologie in fast allen Parteien verdrängt, unterstützt von den Nutznießern dieser ideologischen Vorstellungen bis hin zu den Klimawissenschaftlern, die zu diesem geistigen Fundament massiv beigetragen haben.
Die deutsche Intelligenz schaut ohne Gegenwehr zu, wie Ökoideologen mit jahrelanger Propaganda den Weltuntergang durch CO2 zur Meinungshoheit hochstilisiert haben, was letztlich in dem hier beschriebenen Energie- Irrsinn mündete.
Wie schrieb kürzlich Frau Thea Dorn (1) über diese Klimawissenschaftler: „ Nicht predigen sollt ihr, sondern forschen“.

5. Quellen
   „Zeit“, 24/2020
   2. Düsseldorfer Institut für Wettbewerbsökonomik: vgl. M. Limburg: EIKE, 10.10.2016
   3. Wissenschaftsakademien Leopoldina, Acatech und Union. FAZ 15.11.2017
   4. Wissenschaftsakademien Leopoldina, Acatech und Union: Rechnungen zur Sektorkopplung
   5. Beppler, E.: „Bevor der Planet kollabiert, versinkt Deutschland in Stromausfällen“, EIKE,23.08.2019
   6. Umweltbundesamt
   7. Beppler, E.: „Der industrielle Niedergang Deutschlands wird nun durch den Beschluss des Bundestages zum Kohleausstieg besiegelt, obwohl die Wirkung von CO2 auf den sog. Treibhauseffekt marginal ist“; EIKE,26.03.2020
   8. Beppler, E.: „Der Kohleausstieg ist im Sinne einer Absenkung des CO2-Ausstosses ein Flop – und nun wird auch noch der Hype um die E-Mobilität zum Flop – quo vadis Industrieland Deutschland“; EIKE, 06.05.2019
   9. FAZ, 21.07.2020

Der einzige und vermeintliche Vorteil einer solchen Technik ist, dass kein CO₂beim Einsatz entsteht, was den geltenden Klimadogmen sehr entgegen kommt. CO₂ist bekanntlich ein Molekül von ca. 0,1 mm Größe (Greta Thunberg kann, qualitätsjournalistisch bestätigt, CO₂-Moleküle mit bloßem Auge sehen, was nach ophthalmologischen Erkenntnissen auf diese Größe schließen lässt), das bei zunehmender Konzentration in der Luft aufgrund der Zusammenstöße mit dem Kopf schwere Schädel-Hirn-Traumata auslösen kann, die sich in manischer Klimahysterie äußern.

Elementarer Wasserstoff hat allerdings den Nachteil, dass das nächste natürliche Vorkommen ca. 150 Millionen Kilometer oder 8,3 Lichtminuten entfernt ist und eine Temperatur von 5.500°C aufweist, was Gewinnung und Transport etwas problematisch machen. Wasserstoff muss folglich auf der Erde aus anderen Stoffen produziert werden.

Stand heute

Das und der technisch nicht gerade unheikle Umgang mit elementarem Wasserstoff haben seinen Einsatz bislang auf wenige industrielle Bereiche beschränkt, aber das soll ja anders werden. Man produziert ihn derzeit hauptsächlich durch thermische Formierung von Erdgas (Methan) mit Wasser oder partielle Oxidation von Erdgas, wobei Wasserstoff und CO₂entstehen, alternativ auch durch Zersetzung von Methan im elektrischen Lichtbogen, wobei neben Wasserstoff elementarer Kohlenstoff anfällt. Da Erdgas bei unter 4 ct/kWh liegt, die Verluste erträglich sind und man bei den Produktionsprozessen bislang auf nichts Rücksicht nimmt, ist das ökonomisch in Ordnung. Aus klimadogmatischer Sicht müsste das CO₂der ersten Verfahren abgeschieden und gelagert werden, was den Wirkungsgrad unter 50% treiben würde, und da der Kohlenstoff des letzten Verfahrens, in dem fast die Hälfte der Energie steckt, ebenfalls unbrauchbar wäre, landet man auch da bei der gleichen Wirkungsgradhausnummer. Zudem widerspricht der Einsatz von Erdgas Ressourcendogmen.

Wasserstoff aus Wind und Sonne

Dogmatisch korrekt und obendrein effizienter wäre eine komplett CO₂-freie Produktion durch die Elektrolyse von Wasser, bei der immerhin ca. 85% der eingesetzten Energie im Wasserstoff landen würde. Dazu braucht man Strom. Den könnte man aus AKWs beziehen, Kosten z.Z. ca. 4 ct/kWh, langfristige Tendenz: abnehmend. Würde man das machen, wären bei einem Grundpreis von knapp 5 ct/kWh nachfolgende Verluste je nach Anwendung vermutlich kein großes Problem.

Will man aber nicht (Kein-AKW-Dogma). Es muss alles mit Windkraft oder Fotovoltaik gemacht werden, Kosten ca. 12 ct/kWh, Tendenz langfristig eher zunehmend. Da in Summe ohnehin nicht genügend Wind und Sonne zur Verfügung steht, zeitweise aber manchmal zu viel, will man diesen zeitweisen Überschuss für die Wasserstoffproduktion nutzen. So weit die offizielle Version, die bereits daran hapert, dass es nicht genügend Wind- und Sonnenstrom für alle Anwendungsgebiete gibt und geben wird. Aber das verschweigt man besser.

Die Niederländer wollen nun im Groninger Land einen neuen riesigen Windpark bauen. Der sollte zunächst soundsoviel Wohnungen versorgen können, falls der Wind weht, und ansonsten Wasserstoff produzieren. Inzwischen haben die Niederländer nachgerechnet: das mit den Wohnungen lohnt irgendwie nicht, also planen sie jetzt, nur Wasserstoff aus dem Windstrom zu produzieren. So um die 800.000 to/a sind geplant und irgendwie soll der Wasserstoff dann auch zu den Industrien an Rhein und Ruhr und zu Verbrauchern anderswo kommen. Die Niederländer meinen, das lohnt sich (für sie). Schauen wir uns das mal genauer an.

Ein paar Eckdaten

Im weiteren schauen wir auf ein paar Zahlen. Manche sind problemlos in Tabellenwerken zu finden, bei anderen ist das weniger einfach. Doch zunächst einmal zu den einfachen Sachen: Wasserstoff ist ja fürchterlich energiereich. Pro Kilogramm liegt er im Vergleich mit anderen Energieträgern deutlich an der Spitze, wobei wir hier die Verbrennungsenthalpie bei vollständiger Verbrennung betrachten.

Diese Werte werden gerne verkauft, um dem Betrachter den Wasserstoff schmackhaft zu machen. Für den Transport ist aber das Volumen interessanter als das Gewicht, und da sieht die Bilanz für den Wasserstoff weniger brillant aus:

Egal wie man es betrachtet, Steinkohle liegt volumenmäßig an der Spitze. Aufgelistet ist der Energieinhalt bei Normaldruck/Temperatur als Gas und sowie als Flüssiggas. Wenn man Gas komprimiert, liegt man irgendwo dazwischen. NPT-Wert * Druck in bar = Energieinhalt. Auch als Flüssiggas bringt Wasserstoff gerade einmal 70 kg/m³ auf die Waage und hat dann eine Temperatur von -252°C, die Alkane wiegen immerhin schon um die 500 kg/m³ (bei -160°C und 0°C), Kohle bei ca. 2,5 to. Solche Daten, die für den Transporteur interessanter sind, muss man allerdings selbst ausrechnen.

Die Frage wäre dann: Gas oder Flüssiggas? Die Russen liefern ihr Erdgas durch Röhren zu uns, die US-Amerikaner verflüssigen es und liefern es per Tanker. Ziemlich leicht lässt sich ermitteln, womit man bei Flüssiggas zu rechnen hat:

Verflüssigung kostet recht viel Energie, was einer der Gründe ist, weshalb das US-Gas auch teurer ist als das russische, aber das nur nebenbei. Bei Erdgas (Siedepunkt -161°C) hält sich das trotzdem noch in Grenzen, Wasserstoff mit einem um fast 100°C niedrigeren Siedepunkt ist aber ein echtes Problem: In Houston eingeschifft wäre in Rotterdam weniger als die Hälfte übrig. Was für die Niederländer auch gelten würde, wie wir gleich sehen werden.

Die Logistik der Niederländer

Für die niederländische Wasserstoffproduktion kommt ein anderes Problem hinzu, das sie praktisch auf einen Stand mit Wasserstoff aus Houston setzen würde, würden sie auf Flüssigwasserstoff setzen: mit einem Atomkraftwerk könnte man den Wasserstoff „just-in-time“ in der Menge produzieren, in der er benötigt wird, die Niederländer müssen aber so produzieren, wie der Wind weht. Nimmt man Stromleistungen aus Wind und Leistungsbedarf der Kunden als Vorbild für eine Wasserstoffwirtschaft, bedeutet das über den Daumen gepeilt, dass von den 800.000 to/Jahr über den Daumen gepeilt ein Drittel bis zur Hälfte längere Zeit gelagert werden müsste. Nach Elektrolyse, Verflüssigung, Transport und Lagerung kämen noch bestenfalls 35% der Energie an, was mit allem Drumherum bereits zu einem Preis von knapp 50 ct/kWh ab Tank führen würde.

Das Mittel der Wahl ist somit der Transport von Wasserstoff als Gas durch Pipelines, weil die üblichen Druckgasflaschen mit 50 l Inhalt,  300 bar Fülldruck und 50 kg Gewicht wohl kaum  lukrativ sind. Auch in Pipelines muss das Gas allerdings komprimiert werden. Bei AKW-Wasserstoff käme man vermutlich mit den üblichen 16 bar aus. Bei den großen Mengen, die bei Windkraftproduktion zwischengespeichert werden müssten, müsste man aber auch Gaskavernen, in denen das Erdgas zwischengespeichert wird, einsetzen und bei höheren Drücken arbeiten. Wenn man Gas komprimiert, muss Volumenarbeit geleistet werden, außerdem erhitzt sich Gas bei Kompression. Da weder die Temperatur in den Leitungen/Speichern gehalten werden kann noch an der Verbraucherseite die mechanische Energie bei der Entspannung genutzt wird, handelt es sich um reine, bei größer werdendem Druck steigende Verluste. Die sind zwar nicht so spannend wie bei der Verflüssigung, aber bei ca. 80 bar bleiben ohne Berücksichtigung anderer Verluste wie beispielsweise Erzeugen und Halten des Kissendrucks in den Kavernen oder Druckerhöhungen in längeren Leitungen vom Windstrom noch ca. 60% übrig. Beim Verbraucher dürften also auch hier nur knapp über 50% ankommen.

Solche Zahlen sind übrigens schon nicht mehr ganz einfach zu ermitteln. Zum einen redet man ungern über Verluste, zum anderen werden alle möglichen Schönrechnungsfaktoren eingerechnet. Wir kommen später noch darauf zurück. Solche Transportverluste entstehen zwar auch beim Erdgas, aber beim Wind-Wasserstoff müssen wir mindestens vom 5-fachen des Grundpreises von Erdgas ausgehen und dieser Faktor findet sich in allen Zahlen wieder. Zudem spielen auch noch weitere individuelle Randbedingungen mit. Als Kunde ahnt man vermutlich so ganz langsam, wohin sich die Abrechnung für die Heizung bewegt, wenn statt Erdgas niederländischer Wasserstoff eingesetzt wird.

Power-2-Gas

Die Pipeline-Version hat allerdings die Nebenbedingung, dass man auch Pipelines zur Verfügung hat. Wenn genügend vorhanden sind, kann man Erdgaspipelines außer Betrieb nehmen und umwidmen, ansonsten müsste man neue bauen. Das Gleiche gilt für Speicherkavernen. Als Alternative zum Wasserstofftransport bietet sich Power-2-Gas an, wobei man den Wasserstoff gar nicht erst transportiert, sondern mit CO₂zu Methan umwandelt. Da die Reaktion zwischen Wasserstoff und CO₂in der Gesamtbilanz exotherm ist, sieht das gar nicht so schlecht aus, wenn man die Abwärme nutzen kann.

Hier dreht allerdings die Schönfärberei voll auf. Realistisch betrachtet kommen von der Windkraft vermutlich ca. 60% im Methan an, das dann dem normalen Erdgas untergemischt werden kann. Spezialisten rechnen das unter Hinzuziehen aller möglichen Nebenbedingungen und theoretischer Optionen auf Werte nahe 100% hoch, also Wind=Gas. Eine der Mogelpackungen, die drinstecken: Wo bekommt man das CO₂her? Richtig, aus CO₂-Abscheidung aus anderen Prozessen. Das kostet ebenfalls wieder Energie, die bezahlt werden muss, was letztlich auch den Preis für das künstliche Erdgas weiter aufbläht. Die Kreuz- und Querrechnung ist ohne viel Aufwand kaum zu durchschauen und ob wirklich alle theoretischen Effekte auch in der Praxis genutzt werden können, ist fraglich. Man liegt sicher nicht weit daneben, wenn man unterstellt, dass bei P2G in der Gesamtbilanz ungefähr 40% des primären Windstroms ankommen. Mit entsprechenden Auswirkungen auf die Preise.

Wasserstoffträger

Besonders im Zusammenhang mit dem immer mehr platzenden E-Mobilitätstraum werden dem Publikum gerne flüssige organische Wasserstoffträger verkauft (dass Wasserstoffgas an Tankstellen eine dumme Idee sein könnte, scheint selbst Grünen ohne Knallgasreaktion einzuleuchten). Der Wasserstoff wird hierbei bei erhöhten Temperaturen chemisch in ein Molekül eingebaut und aus diesem bei noch höheren Temperaturen wieder freigesetzt. Handelsüblich sind etwa 150°C und höherer für Schritt 1 sowie 300°C für Schritt 2, jeweils in Gegenwart bestimmter Katalysatoren. Schritt 1 ist exotherm, wobei man versuchen kann, die Verluste durch Nutzen der Abwärme zu minimieren, Schritt 2 endotherm, d.h. es muss auf jeden Fall Energie zugeführt werden. Es ist etwas schwierig, an Daten zu gelangen, aber Wirkungsgrade bis zu 70% scheinen halbwegs realistisch zu sein. Die Datenlage ist deshalb schwierig, weil die den Wasserstoff nutzenden Brennstoffzellen einen höheren Wirkungsgrad als Benzinmotoren aufweisen, was sich propagandistisch besser macht als die Einzelwerte. Vermutlich sieht die Gesamtbilanz ohne alles Schönen kaum anders aus als bei Benzin.

Wieviel Wasserstoff kommt dabei zusammen? Nehmen wir als Rechenbeispiel einmal Toluol (verwendet werden andere verwandte Verbindungen, aber Toluol, ein Benzolabkömmling, war mal ein Kandidat), das bei einer Molmasse von 92 g/mol insgesamt 3 mol = 6 g Wasserstoff reversibel binden kann. Pro Kubikmeter kann Toluol bei einer Dichte von 0,87 g/cm³ umgerechnet ca. 14 kg Wasserstoff speichern, was einem Energieinhalt von 4*10⁶ kJ entspricht. Das ist gerade einmal 1/5 dessen, was ein LNG-Erdgasfahrzeug im gleichen Volumen mit sich führt. Nicht gerade der Renner. Bei der Untersuchung anderer Möglichkeiten, Wasserstoff an irgendetwas zu binden, findet man kein wirklichen Unterschiede zu diesen Werten.

Zum Transport von Wasserstoff eignen sich organische Wasserstoffträger somit eher nicht, und auch für die Mobilität kommen neben dem relativ geringen Energieinhalt und der damit notwendigen Tankstellendichte andere Probleme hinzu. An der Tankstelle muss man erst die alte Flüssigkeit ablaufen lassen, bevor man den Tank neu füllen kann, und auch der Tankwagen fährt voll wieder zurück und nicht leer. Auch mit AKW-Wasserstoff stellt sich die Frage, ob das wirklich die Technik der Zukunft ist, mit dem Preisgefüge, das sich aus Windkraft-Wasserstoff ergibt, braucht man diese Frage allerdings gar nicht erst zu stellen.

Strom-Speicher

Die Gastechniken werden auch als Energiepuffer für windschwache Zeiten gehandelt, d.h. man macht aus dem Gas in einem Kraftwerk wieder Strom, wenn kein Wind weht. Wäre genügend Strom vorhanden, wären Gasspeicher als solche vermutlich im Gegensatz zu allen anderen Ideen tatsächlich skalierbar, d.h. man könnte möglicherweise genügend Kavernen als Puffer bauen. Dummerweise landen wir bei P-2-G-2-P bei Wirkungsgraden um die 30%, d.h. in Überschusszeiten muss der Wind 3 kWh Überschussstrom produzieren, um in Mangelzeiten 1 kWh wieder zurück gewinnen zu können. Wir können uns die weiter Diskussion vermutlich sparen.

Außer Spesen nichts gewesen

Wie schon erwähnt, war es teilweise nicht ganz einfach, realistische Zahlen aus dem üblichen Mogelwerk heraus zuziehen und ich erhebe keinen Anspruch, wirklich die letzten technischen Details berücksichtigt zu haben. Wer in den Zahlen einen Rechenfehler findet, darf ihn auch gerne behalten. Aber auch Korrekturen dürften die Bilanzen nur unwesentlich ändern. Technisch ist alles machbar, großenteils auch vom Standpunkt eines Ingenieurs hochinteressant, aber bezüglich der Dogmenbefriedigung, unter der alles firmiert, skaliert mal wieder nichts. Da die große Stromwende einschließlich der Elektromobilität aus einer ganzen Reihe von Gründen nicht funktioniert und das selbst dem grünen Ideologieapparat auffällt, verkauft man dem Volk nun die nächste Technik ausgerechnet auf Basis des Nichtfunktionierenden nach dem Motto „wenn etwas nicht funktioniert und obendrein zu teuer ist, propagiere ich eben etwas, was überhaupt nicht funktioniert und noch teurer ist“. Und keiner lacht.

Über den Autor
Prof. Dr. Gilbert Brands hatte eine Professur an der FH Emden im FB Elektrotechnik + Informatik, Lehr- und Arbeitsgebiete Kryptologie, IT-Sicherheit, Programmierung, Mathematik, Quanteninformatik und anderes Hardcorezeug aus der Informatik. Davor selbständig, angefangen 1982 mit der Entwicklung eines Systems zur zeitgleichen Leistungserfassung für die RAG. Vom Studium her ist er Physikochemiker.

Der Beitrag erschien zuerst am 20.3.20 hier bei EIKE