Man muß nicht alles wissen, nur, wo es steht

Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft

Herbert Diess von Volkswagen hat gerade erst nochmals bekräftigt, dass er die Zukunft des Antriebs für PKW`s bei der Batterie sieht. Für Brennstoffzellen-Antriebe fehlt es an ausreichend günstigen Systemen und vor allem einer ausreichenden Infrastruktur. Mit dieser Meinung steht er nicht alleine da – nicht umsonst entsteht in Europa gerade die größte Dichte an Gigawatt-Fabriken für Lithium-Ionen-Batterien.

Doch es gibt andere Bereiche des Verkehrs, die durchaus die Möglichkeit haben, von einer Wasserstoff-basierten Antriebstechnologie zu profitieren. Erst Anfang 2020 wurde für Schiffs-Treibstoffe verbindlich ein verringerter Schwefelgehalt vorgeschrieben, um die Anreicherung von Schwefeldioxyd in der Atmosphäre zu reduzieren. Doch dies ist nur ein Teil des Problems, denn noch immer werden für den Antrieb der weltweiten Flotte gigantische Mengen verbrannter Erdöl-Produkte in die Atmosphäre geblasen. Inzwischen sind es über eine Milliarde Tonnen CO2 jährlich.

Anders wie bei PKW`s ist der Einsatz von alternativen Treibstoffen in der Schifffahrt möglich. Denn hier gibt es nicht den beengten Bauraum, der bei einem Wasserstoff-Auto die mitgeführte Menge Wasserstoff auf unter 10 kg drückt. Doch Wasserstoff ist schwierig zu handhaben. Nicht nur wegen seiner hohen Entzündbarkeit und der Möglichkeit, Knallgas zu bilden. Wasserstoff lässt Metalle verspröden und diffundiert leicht durch Dichtungen hindurch. Der Aufwand, tiefgekühltes oder hoch-komprimiertes Wasserstoff-Gas auf Schiffen zu transportieren ist ungleich höher wie bei den bislang verwendeten Brennstoffen. Diese sind nur sehr schwer entflammbar und daher vergleichsweise einfach zu lagern.

Doch es deutet sich eine mögliche Alternative an. Eine, die mit regenerativer Energie erzeugt werden kann. Dazu rückt eine der am meisten produzierten Grundchemikalien der Welt in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit: Ammoniak.

Die Verbindung aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen ist bislang der Grundstoff für Hunderte Millionen Tonnen Dünger weltweit. Nur dank dieser Dünger gelingt es, die wachsende Bevölkerung ausreichend mit Nahrung zu versorgen, denn natürliche Stickstoff-Dünger wie Kuhdung stehen nicht ausreichend zur Verfügung.

Allerdings wird Ammoniak bislang fast ausschließlich aus Erdgas hergestellt, ist also keinesfalls klimaneutral. Einen Ausweg bildet die Ammoniak-Synthese – unter anderem durch die Haber-Bosch-Methode, bei der reichlich vorhandener Luft-Stickstoff mit regenerativ produziertem Wasserstoff verbunden wird.

Hat man erst einmal auf diese Weise Ammoniak produziert, lässt sich dieser vergleichsweise einfach, sicher und platzsparend transportieren. Seit Jahrzehnten sind auch in der Schifffahrt Sicherheitskonzepte für den Transport von Ammoniak erprobt. Dabei hat verflüssigtes Ammoniakgas (-33°C) einen fast 50% höheren Energiegehalt wie verflüssigter Wasserstoff (-235°C).

Weltweit arbeiten etliche Forschungsinstitute und Unternehmen daran, aus dem Ammoniak wieder die darin gespeicherte Energie zu gewinnen. Eines der Konzepte spaltet das Gas in einem Hochtemperaturprozess auf und führt den dabei freiwerdenden Wasserstoff einer Brennstoffzelle zu. Vorteil dabei ist u.a. die hohe Reinheit des freigesetzten Wasserstoffs, die für PEM-Zellen wichtig ist.

Ein anderes Verfahren umgeht diesen zweistufigen Weg und vereint ihn direkt in der Brennstoffzelle: in sogenannten Solid-Oxyd-Fuel-Cells (SOFC), die mit bis zu 1000°C betrieben werden, spaltet sich Ammoniak in seine Bestandteile auf. Obwohl das Prinzip bereits seit mehreren Jahrzehnten bekannt ist, steht diese Technologie noch relativ weit am Anfang. Denn neben dem Wasserstoff dürfen bei diesem Prozess keine anderen umweltschädlichen Verbindungen entstehen (z.B. NOx) und auch Ammoniak selbst darf nicht freigesetzt werden.

Unternehmen wie AVL, Enapter und Campfire arbeiten mit Hochdruck daran, Ammoniak Treibstoff verfügbar zu machen. Die Aussicht, chemisch gespeicherte Energie aus Sonne und Wind transportabel zu machen, befeuert die Hoffnungen auf eine zügige Wende in der Energiegewinnung. Denn mit Ammoniak stände ein Speichermedium zur Verfügung, das anders wie Metallhydride oder LOHC (flüssige organische Trägerflüssigkeiten für Wasserstoff) nicht nur vorhandene Logistikketten nutzt. NH3 würde auch – wenn mit regenerativer Energie produziert - in der Düngerherstellung Milliarden an Tonnen fossilem CO2 einsparen. Genauer: etwa 2% des globalen CO2 Ausstoßes gehen auf die Düngerproduktion zurück.

Unter dem Namen Viking Energy entsteht derzeit ein Prototyp eines Versorgungsschiffs, der mit Ammoniak-Brennstoffzellen ausgerüstet ist. Der meist recht kontinuierliche Betrieb und der vergleichsweise großzügig vorhandene Bauraum unterstützen dabei die Umstellung von Dieselantrieb auf Elektroantrieb.

Auch die Ölstaaten am Golf, namentlich Saudi-Arabien, rüsten sich für die Zeit nach dem Erdöl-Zeitalter. Sie haben reichlich Wind und Sonne zur Verfügung, um Ammoniak im großen Stil herzustellen. Auch Unternehmen wie Siemens, Oersted oder Thyssen-Krupp arbeiten massiv am Ausbau der Kapazitäten zur NH3-Herstellung.

Denn Ammoniak hat einen weiteren Vorteil gegenüber synthetisch hergestellten Brennstoffen wie Methanol: Die Gewinnung des nur in äußerst geringer Menge in der Atmosphäre vorhandene Kohlendioxyd gelingt derzeit noch überhaupt nicht in einem nennenswerten, industriellen Umfang. Nur in konzentrierten Stoffströmen z.B. aus Kohlekraftwerken ist ausreichend CO2 für die Methan-Synthese vorhanden. Stickstoff dagegen gibt es reichlich in der Luft und er kann leicht gewonnen werden.

Ein durchaus erwähnenswerter weiterer Aspekt ist der Einsatz von Ammoniak als Zuschlagstoff zu Diesel. Bereits wenige Prozent tragen erheblich zu der Effizient von Dieselantrieben bei. Und mit etwas Aufwand können bisherige Verbrennungsmotoren umgebaut werden auf einen Betrieb mit reinem Ammoniak. Es bieten sich also zwei „Stickstoff-Wasserstoff-Wege“ zu einer „grüneren“ Schifffahrt an: Elektroantrieb mit SOFC-Brennstoffzellen oder Einsatz von regenerativ gewonnenem Ammoniak als Brennstoff für klassische Schiffsantriebe.

Klar ist, dass alle derzeitigen „grünen“ Technologien zur Energiegewinnung, -speicherung und -nutzung teuer sind. Ihnen fehlen die Vorteile der Hochskalierung und die ausgereiften Technologien der Erdöl-Industrie. Doch sie haben den Vorteil, dem Kohlenstoff-Kreislauf auf der Erdoberfläche keine weitern uralten und eigentlich aus dem Stoffkreislauf ausgeschlossenen Mengen Kohlendioxyd zuzuführen. Rechnet man die möglichen Schäden durch eine weitere Erderwärmung gegen diese Kosten, schwindet der vermeintliche Kostenvorteil der fossilen Energieträger sehr schnell.

Copyright Gerald Friederici März 2021