Energiewende Wasserstoff als Energieträger – macht Forschung aus Jena ihn zukunftsfähig?
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18. Oktober 2021, 11:40 Uhr
Um Wasserstoff gibt es seit einiger Zeit einen richtigen Hype: Er wird von vielen gefeiert als DER Energieträger der Zukunft. Doch immer wieder gibt es auch andere Stimmen, die vor allem warnen: Wasserstoff ist knapp und teuer in der Herstellung und deshalb so gar kein grüner, zukunftsfähiger Energieträger. Forschung aus Jena könnte das ändern.
Seit fast 50 Jahren berät der Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) die Bundesregierung in Fragen der Umweltpolitik. Jetzt hat sich die auch als Umweltrat bekannte Institution mit einer Stellungnahme zum ersten Mal in die Diskussion um Wasserstoff als Energieträger der Zukunft eingebracht. Der Zusammenschluss von renommierten Wissenschaftlern sagt: Klasse statt Masse. Wasserstoff spielt eine Rolle für den Klimaschutz, aber nur eine Nebenrolle. Die Begründung steht am Anfang des im Berichts.
Die Herstellung von grünem Wasserstoff erfordert große Mengen an erneuerbarem Strom und beansprucht damit indirekt Flächen, Rohstoffe und Wasser. Daher sollte Wasserstoff nur dort eingesetzt werden, wo es keine effizienteren Optionen für Klimaschutz gibt.
Fehlinvestitionen im Bereich Wasserstoff vermeiden
Wasserstoff erscheint auf den ersten Blick umweltfreundlich und vielversprechend, daher laufe man gerade jetzt Gefahr, sich zu verrennen, sagt Umweltrats-Mitglied Claudia Kemfert, Wirtschaftswissenschaftlerin und Leiterin der Abteilung Energie, Verkehr und Umwelt am Deutschen Institut für Wirtschaftsforschung. Denn die blumigen Reden in Regenbogenfarben würden nur verschleiern sollen, "dass wir entweder fossile Energie, Atomenergie oder andere Umweltrisiken, soziale Risiken damit verbinden", so Kemfert.
Die Bundesregierung, auch die EU-Kommission gibt im Moment sehr viel Geld aus für Wasserstoff. Und deswegen ist es so wichtig, da jetzt nicht in Richtung Fehlinvestitionen zu planen, sondern ganz gezielt in grünen Wasserstoff für Projekte zu investieren.
Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen herzustellen sei ein totaler Irrweg, so die Stellungnahme der Sachverständigen. "Damit würde in Technologien und Infrastrukturen investiert, die in einer treibhausgasfreien und umweltfreundlichen Wirtschaft keinen Platz mehr haben", sagt Professorin Kemfert. "Statt teurer Brückentechnologien brauchen wir Investitionen in die Zukunft."
Warum grüner Wasserstoff (noch) nicht die Lösung ist
Aber wie ist bei grünem Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie hergestellt wird? Auch hier droht eine Fehlentwicklung so die Bewertung des Umweltrates. Nicht überall, wo grüner Wasserstoff und synthetische Energieträger eingesetzt werden könnten, sei dies ökonomisch und ökologisch sinnvoll. Wenn grüner Strom direkt genutzt werden könne – wie durch das E-Auto im Straßenverkehr oder die Wärmepumpe in der Wärmeversorgung –, sei das in der Regel preiswerter und umweltfreundlicher.
Das Hauptproblem ist die Energiebilanz. Grüner Wasserstoff muss per Elektrolyse mit hohem Energieaufwand hergestellt werden. Deshalb sei der Einsatz nur in Teilen der Industrie sowie im internationalen Schiffs- und Flugverkehr sinnvoll, so der Bericht. In diesen Bereichen spielen Wasserstoff und synthetische Energieträger nach derzeitigem Wissensstand eine wichtige Rolle, um die Klimaziele zu erreichen.
Was, wenn die Natur hift, Wasserstoff herzustellen?
Aber was wäre, wenn man grünen Wasserstoff deutlich günstiger herstellen könnte? Genau das wird in einem Forschungsprojekt an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena untersucht. Dort blickt man, wenn es um die Gewinnung von Wasserstoff geht, in erster Linie auf die Natur. Denn da gibt es Mikroorganismen, die Wasserstoff produzieren. Der chemische Prozess, der sich dabei abspielt, ist ein sogenannter "katalytischer", erklärt Forschungsleiter Wolfgang Weigand. Er geht schneller und ist im Vergleich zur Elektrolyse mit weniger Energieaufwand verbunden. Denn jede Reaktion müsse über einen sogenannten Reaktionsberg, so Chemie-Professor Weigand, und ein Katalysator macht diesen Berg niedriger. Weigand erklärt das am Beispiel der Alpen.
Wenn Sie zum Beispiel, sagen wir mal, von Garmisch-Partenkirchen nach Bozen gehen, dann können sie über die Dreitausender gehen. Dies ist aber mit mehr Energie verbunden, als wenn sie zum Beispiel über den Brenner fahren, weil das niedriger ist. Aber sie kommen auch zum Ziel.
Mit den elektrolytischen Verfahren, die in der Industrie zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden, nimmt man also meist den Fußweg über die Dreitausender. Das katalytische Verfahren wird in der Industrie aber auch verwendet, ergänzt Wolfgang Weigand. "Das sind dann eben Katalysatoren aus Platin. Und das ist ein sehr teures Metall. Und man möchte natürlich von diesen teuren Katalysatoren weg von Platin." Und da kommt sie wieder ins Spiel – die Natur.
Die Natur macht das ganz preiswert, die arbeitet mit Eisen in bestimmten Verbindungen. Und das ist natürlich das Ziel, was man möchte. Man möchte einerseits das katalytisch machen, aber weg vom Platin, hin zu preiswerten und auch umweltfreundlichen Metallen. Und das ist zum Beispiel Eisen.
An diesem Verfahren, in dem Mikroorganismen dank spezieller Enzyme, den sogenannten Hydrogenasen, Wasserstoff produzieren, forschen Wissenschaftler bereits seit mehr als 20 Jahren. Doch dem Forscherteam um Wolfgang Weigand ist es nun gelungen, den Prozess in einem künstlich nachgestellten System in jedem Schritt einzeln aufzuklären. "Und das ist wichtig", so Weigand, "wenn man solche Modelle designt, um sie dann später eventuell Wasserstoffproduktion zu verwenden." Bis es soweit ist, muss noch viel geforscht werden. Vor allem weil es sich bei den Experimenten und Untersuchungen momentan noch um elektrochemische Prozesse handelt.
Das Ziel ist dann, diese Ergebnisse anzuwenden und weiter zu verwenden, um dann Photokatalysatoren auf der gleichen Basis zu erstellen. Sodass wir im Endeffekt dann mit Sonnenlicht Wasserstoff produzieren können.
Wolfgang Weigand ist sich sicher, dass dieses Verfahren in einigen Jahren kommen wird. Auch er glaubt – genau wie die Wissenschaftler des Umweltrates: Nur ohne den Umweg über fossile Brennstoffe und energieintensive Verfahren kann Wasserstoff zum umweltfreundlichen und damit zukunftsfähigen Energieträger werden.
Zum Nachlesen
Den Bericht des Umweltrates "Wasserstoff im Klimaschutz: Klasse statt Masse" finden sie auf der Seite des Rates auch als pdf zum Donwload.
Die Forschungsarbeit der Uni Jena gemeinsam mit der Universität Mailand-Bicocca wurde im Fachmagazin ACS Catalysis veröffentlicht.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Jena arbeiten an den katalytischen Verfahren, mit denen Sonnenstrahlung in chemische Reaktivität umgewandelt wird, nicht allein. Die Arbeit wird über den Sonderforschungsbereich CATALIGHT international koordiniert.
(au/gp)
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