Wasserstoff als Energiespeicher
Aufgrund der starken Verschiebung von Angebot und Nachfrage von Solarenergie im Jahresverlauf aber auch innerhalb eines Tages, stellt sich die wichtige Frage, ob und wie die gewonnene und zunächst nicht verwendete elektrische Energie effizient gespeichert werden kann, um in einer Phase des Bedarfs darauf zugreifen zu können. Chemische Batterien kosten im Jahr 2023 deutlich über \(1000\,€\) pro \(kWh\), was bedeutet, dass bei einem Durchschnittsbedarf einer Familie von \(15\,kWh\) pro Tag, eine Investition von ca. \(20000\,€\) nötig wäre, um den Strombedarf eines Tages zu speichern. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass sich der Speicher während eines Tages leert, falls die Sonne nach dem Aufladen der Batterien nur spärlich scheint. Insgesamt müsste man bei einem Strompreis von \(30\,Cent\) pro \(kWh\) den Speicher ca. \(4500\) Mal \((20000\,€/(15\cdot 0,30\,€))\) komplett leeren, bis sich die Investition in die Batterien amortisiert hat. Angesichts der geringen Solarstromerzeugung in den Wintermonaten, der starken Abhängigkeit der Speicherung und Entladung von zufälligen Gegebenheiten sowie des Ressourcenverbrauchs und der Entstehung umweltschädlicher Stoffe bei der Herstellung chemischer Batterien, drängt sich die Frage auf, ob die Speicherung von Wasserstoff (auch für Windenergie) eine wirtschaftlich und ökologisch bessere Alternative darstellen könnte. Die Abbildung unten zeigt die Energiewandlungskette bei der Verwendung von Wasserstoff als Speicher.
Abbildung: Energiewandlungskette für Wasserstoff als Energiespeicher
Die Wirkungsgrade der heute verwendeten Elektrolyseure, die das Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen, liegen um die \(75\,\%\).
Die anschließende Speicherung kann im flüssigen Zustand bei unter \(-250\,°C\) erfolgen oder in Druckspeichern bei Normaltemperatur. Die Verflüssigung ist technisch aufwendiger, führt aber zu einer etwa fünf Mal höheren Energiedichte, die dann aber immer noch ungefähr um einen Faktor vier kleiner ist, als bei fossilen Energieträgern. Beide Speicherverfahren haben gemeinsam, dass während der Speicherung Verluste durch Undichtigkeiten und Diffusion auftreten, die auf die geringe Größe der Wasserstoffmoleküle zurückzuführen sind. Für eine grobe Abschätzung der gesamten Energiewandlungskette nehmen wir hier Verluste von \(25\,\%\) an.
Um die im Wasserstoff gespeicherte chemische Energie wieder in elektrische Energie umzuwandeln gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten: Einem Verbrennungsmotor mit angeschlossenem Generator wird Wasserstoff an Stelle eines flüssigen Treibstoffs zugeführt, ein wasserstoffbetriebener Dampferzeuger treibt eine Dampfturbine mit einem Generator an oder eine Brennstoffzelle (Gasbatterie) wandelt den Wasserstoff unter Zuführung von Sauerstoff in Wasser um und erzeugt dabei auf direktem Weg elektrische Energie. Jedes der drei Systeme hat Vor- und Nachteile bezüglich der Kosten und Wirkungsgrade. Wärmekraftmaschinen besitzen Wirkungsgrade von ca. \(35\,\%\), wohingegen herkömmliche Brennstoffzellen, die jedoch kostenintensiver sind, etwa \(40\,\%\) der chemischen Energie in elektrische Energie umwandeln.
Der Anteil, der nach der Speicherung verwendbaren Energie beträgt somit etwa \(0,75 \cdot 0,75 \cdot 0,35 = 0,20 = 20\,\%\). Nur ein Fünftel der an der Solarzelle oder am Windrad erzeugten elektrischen Energie kann also in einer Bedarfsphase genutzt werden und das nur unter Einsatz komplizierter und teurer Technik. Auch der immense Auwand beim Ausbau eines Wasserstoffnetzes und die mit dem Einsatz von Wasserstoff einhergehende Versprödung der Leitungen, Pumpen usw. treiben die Kosten weiter in die Höhe.