Energiewende: Strom, Wasserstoff, E-Fuels - da scheiden sich die Geister

[josef]

ENERGIEWENDE UND ALTERNATIVE ANTRIEBE
Strom, Wasserstoff, E-Fuels: Was jetzt?
Neue Batterietechnologien oder als Alternative auch Kraftstoffe aus regenerativen Quellen: Die Debatte wird mehr von Einzelinteressen dominiert als von Klimafragen

Nein, das ist keine Hommage auf die Automobil-Überlandfahrt Bertha Benzens 1888, für welche sie das Benzin aus der Apotheke holen musste. Sondern das ist E-Fuel, den Porsche in einer Pilotanlage im chilenischen Feuerland gewinnt.
Foto: Porsche

Die Ankündigung bahnbrechender Batterietechnologien ist naturgemäß ein fixer Bestandteil unserer Höher-schneller-weiter-Gesellschaft, zumal der batterieelektrische Antrieb im Automobil mit einer Vielzahl von eklatanten Nachteilen gegenüber dem Verbrennungsmotor behaftet ist. Allen voran: die Reichweite. Aber auch das hohe Gewicht und der erheblich höhere Ressourcenverbrauch mit enormem Bedarf an mehr oder weniger raren Rohstoffen werden der Batterie vorgeworfen. Und nicht zuletzt auch der hohe Preis.

So zeigt immer wieder jemand auf und behauptet, eine ideale Lösung gefunden zu haben, oft sogar die Beseitigung aller Probleme gleichzeitig. Gern wird die Meldung auch verziert mit hübschen Begriffen, die gut ins Ohr gehen. Feststoffbatterie, Redox-Flow-Batterie, Lithium-Schwefel- oder Natrium-Ionen-Batterie, um nur einige der wohlklingenden Alternativen zu nennen.

Einfach gestrickte Welt
Die Welt des Erdöls war einfach gestrickt: Für die Mobilität waren Benzin und Diesel als universelle Energieträger in Kombination mit dem Verbrennungsmotor prädestiniert. Dieses technologische Gespann funktionierte im Laufe der Jahrzehnte immer besser und prägte unsere Vorstellungen so gründlich, dass wir sehr geneigt sind, nur nach der EINEN idealen Alternative zu suchen. So ähnlich wie uns die Atomkraft einst alle Sorgen um die Herkunft des elektrischen Stroms abnehmen sollte. Es handelt sich um eine Art Erlösungsfantasie.

Blade-Batterie von BYD: Die altbekannte Lithium-Eisen-Batterie kommt wieder.
Foto: BYD

Einem ähnlich simplifizierten Hoffnungsszenario entspringt der Ruf nach E-Fuels, dass es nämlich die EINE Lösung für die vielen Probleme mit dem CO2-Ausstoß geben könnte, zumindest im Verkehrssektor. Alles könnte bleiben, wie es ist, nur der Kraftstoff wird durch einen CO2-neutralen ersetzt. Andererseits entspringt auch der Gedanke eines pauschalen Verbrennerverbots der gleichen vereinfachten Weltsicht. Bei näherer Betrachtung ist ja der Energieträger für die Höhe des CO2-Ausstoßes verantwortlich und nicht der Energiewandler.

Strom lässt sich schlecht speichern
So hält auch die Weichenstellung der Politik in Richtung Elektromobilität viele gute Gründe bereit, große Anstrengungen zu unternehmen, um auch mit den zahlreichen Nachteilen und Schwierigkeiten zurechtzukommen, die der Elektroantrieb mit sich bringt. Sein größtes Manko: Die elektrische Energie, die er zum Fahren benötigt, lässt sich schlecht speichern. Und auch wenn inzwischen erhebliche Fortschritte in der Batterietechnologie geschafft wurden, immer noch beträgt der Energieinhalt einer Antriebsbatterie nur einen Bruchteil gegenüber einem vollen Tank. Ein 50-Liter-Diesel-Tank enthält knapp 500 kWh Energie. Das ist etwa der fünf- bis zehnfache Energieinhalt einer heute üblichen Antriebsbatterie (50 bis 100 kWh).

Das allein erklärt schon die notorischen Schwierigkeiten des Elektroautos mit der Reichweite und dem Betrieb im Winter, wenn die Kälte nur zum Heizen erhebliche Energiemengen einfordert. Dazu kommt, dass die Herstellung einer Batterie sehr viel Energie verschlingt.

Wasserstoff-Brennstoffzelle im Personenkraftwagen: Toyota Mirai, Schnittbild.
Foto: Toyota

Im Moment sind Batterien auf Lithium-Basis Stand der Technik für den Antrieb von Fahrzeugen aller Art und in vielen industriellen Anwendungen. Batteriefabriken schießen auf der ganzen Welt wie Schwammerln aus dem Boden. Derzeit werden weltweit Batterien mit einem Energieinhalt von knapp einer Terawattstunde (TWh) pro Jahr hergestellt, bis 2030 rechnet man mit drei TWh, optimistische Szenarien deuten sogar auf bis zu sechs TWh (Quelle: Fraunhofer ISI SSB-Roadmap 2035+).

Langer Marsch
Dieses Wachstum erlaubt schon rein wirtschaftlich gar keinen radikalen Technologiewechsel. Der eingeschlagene Weg muss sich erst bezahlt machen. In der ersten Euphorie wird gerne übersehen, dass es zwischen einer Erfindung, ihrer technischen Umsetzung und einer wirtschaftlichen Vermarktung oft ein sehr langer Weg ist.

Gleichzeitig spornt der hohe Bedarf an Energie und raren Rohstoffen für die Batterieherstellung zu Neuentwicklungen an. Zudem ist die Forderung nach ökologisch und sozial sauberen Lieferketten nicht mehr zu ignorieren. Ein radikaler Technologiewechsel könnte in dieser Hinsicht einige Vorteile bringen.

Voestalpine Donawitz, Susteel Stahl Steiermark: Den regenerativen Wasserstoff braucht künftig speziell die Industrie.
Foto: Voestalpine

So rechnet die europäische Industrie damit, beim nächsten Technologiesprung wieder vorn dabei zu sein: bei der Festkörperbatterie. Auch von der Festkörper- oder Solid-State-Batterie gibt es zahlreiche Varianten in unterschiedlichen chemischen Konstellationen. Sie ist sicherer, denn sie enthält keine brennbaren Flüssigkeiten. Aber sie steht in Konkurrenz mit der bestehenden Technologie. Und heute ist niemand sicher, ob sie in fünf oder zehn Jahren genügend Vorteile aufzuweisen hat, um sie abzulösen.

Gleichzeitig gewinnen sogar ältere bereits bewährte Konzepte an wirtschaftlicher Bedeutung, wie etwa die Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Sie weist zwar keine herausragenden Leistungsdaten auf, ist aber billiger und robuster als die Lithium-Ionen-Technologie und zeichnet sich durch einen geringeren Bedarf an raren Rohstoffen aus (z. B. kein Kobalt).

Kompetenzzentrum Batteriezellfertigung (CMCC) des BMW-Konzerns in Parsdorf bei München.
Foto: BMW / Tom Kirkpatrick

Trotzdem stellt sich die Frage, ob diese Konzentration auf den Elektroantrieb wirklich klug ist, schließlich sind auch Wasserstoff und E-Fuels für den Fahrzeugantrieb geeignet. Beides macht aber nur Sinn, wenn sie aus regenerativ gewonnenem Strom hergestellt werden. Wasserstoff, egal ob in Kombination mit Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor, weist aber eine wesentlich schlechtere Energiebilanz gegenüber der batterieelektrischen Speicherung auf, bei E-Fuels ist die Bilanz noch deutlich schlechter. Der Verband deutscher Elektrotechniker sagt, dass eine Windkraftanlage, die 1.600 Elektroautos mit Strom beliefert, nur 600 Wasserstofffahrzeuge oder 250 E-Fuels-Autos versorgen kann.

Daraus ergibt sich, dass der elektrische Weg für die Pkws trotz aller Turbulenzen durchaus der naheliegendste ist, zumal regenerativ gewonnene gasförmige und flüssige Kraftstoffe in riesigen Mengen für andere Bereiche der Industrie (z. B. Wasserstoff für Stahlerzeugung) und des Verkehrs (z. B. E-Fuels für die Luftfahrt) benötigt werden. Dort, wo es rein elektrisch wirklich nicht geht.
(Rudolf Skarics, 6.1.2024)

Strom, Wasserstoff, E-Fuels: Was jetzt?

 

[josef]

ENERGIEWENDE
Kommen nach den E-Autos bald auch die E-Fabriken?
Noch gehören die Stahl-, die Chemie- und die Papierindustrie zu den größten CO2-Verursachern. In einigen Bereichen könnte statt Kohle oder Gas künftig aber erneuerbarer Strom fließen

Bis 2027 will die Voestalpine in Linz einen Elektrolichtbogenofen für die Stahlerzeugung fertigstellen. Für dessen Betrieb braucht es auch eine neue Hochspannungsleitung.
APA/VOESTALPINE

Die Herstellung von Stahl ist ein wahrer Energiefresser. Auf über 1.500 Grad müssen die Hochöfen erhitzt werden, um Eisenerz zu schmelzen, um aus dem Roheisen später Stahl herzustellen. Für den Prozess braucht es Kohle und Koks, was viel CO2 verursacht. 13 Millionen Tonnen CO2 entstehen jedes Jahr in Österreich, um acht Millionen Tonnen Stahl zu erzeugen – das entspricht rund 15 Prozent des gesamten CO2-Ausstoßes des Landes. Kein Wunder also, dass der größte heimische Stahlproduzent, die Voestalpine, der Industriebetrieb mit dem höchsten Treibhausgasausstoß in Österreich ist.

Bis 2027 will das Unternehmen nun zwei Hochöfen durch Elektroöfen ersetzen und ab dann 30 Prozent der Emissionen einsparen – vorausgesetzt, der Strom dafür kommt aus erneuerbaren Quellen. Laut dem Unternehmen ist das das "größte Klimaschutzprogramm" der Republik. Neu sind Elektroöfen bei der Stahlherstellung zwar nicht, sie kommen bereits seit vielen Jahren zur Wiederverwertung von recyceltem Stahl, sogenanntem Schrott, zum Einsatz – durch strengere Klimaschutzvorgaben und höhere CO2-Preise könnten sie aber auch für die Industrie zunehmend attraktiv werden.

Steigende Emissionen
Aufholbedarf gäbe es genug. Während die Emissionen in anderen Bereichen wie der Energie oder der Landwirtschaft in den vergangenen zwanzig Jahren in Österreich gesunken sind, sind sie in der Industrie sogar gestiegen. Rund 34 Prozent der Gesamtemissionen des Landes verursacht die heimische Industrie laut Daten des Umweltbundesamts, allen voran die Stahlproduktion, aber auch die Zement- und die Papierindustrie – mehr als jeder andere Wirtschaftssektor.

Die Lösung für das CO2-Problem laut einigen Unternehmen: eine Elektrifizierung der Fabriken, ähnlich wie sie auch bei Autos im Gange ist. Die Dekarbonisierung energieintensiver Industrien könne nur durch eine Elektrifizierung erreicht werden, sagte etwa Martin Brudermüller, Chef des deutschen Chemiekonzerns BASF.

Wasserstoff als Alternative
Kann das wirklich funktionieren? Autos elektrisch anzutreiben oder Wohnungen mit Wärmepumpen zu heizen ist eine Sache. Die wirklich großen Energiefresser wie die Stahl-, die Zement- oder die Chemieproduktion auf Strom umzustellen ist aber eine völlig andere Herausforderung. So hohe Temperaturen, wie sie in der Industrie zum Teil benötigt werden, mit Strom zu erzeugen, schien lange Zeit undenkbar und wenig wirtschaftlich. Zudem benötigt die Stahl- und die Zementherstellung fossile Rohstoffe nicht nur zum Heizen, sondern auch für die Herstellung der Produkte selbst.

Lange Zeit wurde deshalb nicht Strom, sondern vor allem Wasserstoff als saubere Energielösung für die energieintensive Industrie angepriesen. Falls keine Alternativen zu fossilen Energien verfügbar sind, sollten die CO2-Emissionen zumindest vor Ort abgeschieden und wieder unter der Erde gespeichert werden.

Allerdings steckt die CO2-Abscheidung und -Speicherung momentan noch in den Kinderschuhen. Und auch Wasserstoff ist nicht ohne Probleme: Die Herstellung durch Elektrolyse braucht viel Energie und ist deshalb wenig effizient. Zudem muss für die Herstellung erneuerbarer Strom zum Einsatz kommen, damit Wasserstoff nachhaltig ist.

Günstiger sauberer Strom
Im Vergleich dazu werden Technologien, um auch mit Strom hohe Temperaturen zu erzeugen, immer besser. Durch den Ausbau von Solar- und Windanlagen wird Strom im Vergleich zu Gas, Öl oder Kohle zudem immer günstiger – und verspricht, die Abhängigkeiten beim Gas von Staaten wie Russland zu reduzieren.

Das betrifft auch die Chemieindustrie, die derzeit noch massenhaft Erdgas verschlingt. Der Grund für den hohen Energieverbrauch: In sogenannten Steamcrackern muss die Temperatur auf rund 800 Grad erhöht werden, um Rohbenzin in Kohlenwasserstoffe aufzuspalten. Diese bilden die Basis für viele Produkte wie Kunststoffe oder Kraftstoffe. 90 Prozent der Energie, die die Chemieindustrie benötigt, entfallen auf das Heizen der Öfen, mehr als 40 Prozent des Energieverbrauchs stammt aus Erdgas.

Enormer Strombedarf
Diese Hitze kann jedoch auch elektrisch erzeugt werden. In Ludwigshafen in Deutschland schließt BASF derzeit den Bau eines elektrischen Steamcrackers ab – ein Projekt, für das von der deutschen Bundesregierung insgesamt 15 Millionen Euro an Fördergeldern flossen. Durch E-Cracker könnten laut dem Unternehmen langfristig 90 Prozent der Emissionen eingespart werden. Es sei der erste Schritt zu einer fossilfreien Chemieindustrie.

Das deutsche Chemieunternehmen BASF will die Dampfspaltung zumindest teilweise auf Strom umstellen.
IMAGO/imageBROKER/Lilly

Der Strombedarf der Anlage ist jedoch enorm. Schon ein einzelner Ofen verschlingt laut Brudermüller die Stromproduktion mehrerer Windkraftanlagen. Das Unternehmen baute deshalb mit RWE auch einen neuen Offshore-Windpark in der deutschen Nordsee mit einer Leistung von zwei Gigawatt, der Strom für das Kraftwerk liefern soll. Dennoch stellt sich die Frage, ob der Ausbau der erneuerbaren Energien und der Stromnetze mit einer Elektrifizierung der Industrie mithalten könnte.

Viele Hürden
"Die Elektrifizierung ist sicher der Hauptfaktor, der zur Dekarbonisierung der Industrie beitragen wird", sagt Gerwin Drexler-Schmid, Experte für eine Dekarbonisierung der Industrie beim Austrian Institute of Technology. Das führe jedoch dazu, dass der Strombedarf in den kommenden Jahren stark steigen wird. "Die Verfügbarkeit und der Transport von Strom sind sicher der Knackpunkt."

"Es wäre genug grüner Strom verfügbar, sofern wir die Stromversorgung europaweit denken", sagt Tobias Fleiter, Geschäftsfeldleiter im Bereich Energietechnologien am deutschen Fraunhofer-Institut. Das Potenzial für den Ausbau erneuerbarer Energien in Europa sei groß. Dennoch sei eine Elektrifizierung in der Industrie aktuell noch eine schwierige Gratwanderung: In Deutschland sei Strom durch den Anteil von Braunkohle momentan oft noch klimaschädlicher als Erdgas – und auch in Österreich muss gerade im Winter Strom aus Kohle-, Gas- und Atomkraft importiert werden. Gleichzeitig bedeutet jede Modernisierung einer Fabrik, die mit Kohle oder Gas heizt, dass diese Anlagen noch mindestens für die nächsten zwanzig Jahre weiterlaufen.

Besonders bei energieintensiven Industrien wie der Stahl- oder der Chemieindustrie sei eine Elektrifizierung jedoch nach wie vor mit großen Herausforderungen verbunden. "Im Vergleich zu einer Umstellung von Gas auf Wasserstoff ist bei einer Umstellung von Gas auf Strom der Umbaubedarf enorm", sagt Fleiter. Es brauche neue Anschlüsse an das Stromnetz mit Hochspannungsleitungen, um die hohen Strommengen und das hohe Spannungsniveau zu bewältigen. Eine Vollelektrifizierung sei momentan aufgrund der Strompreise kaum wirtschaftlich. Durch die hohen Temperaturen, die die Industrie brauche, sei auch die Energieeffizienz einer Elektrifizierung in vielen Fällen nicht so viel besser im Vergleich zu Gas.

Großwärmepumpen
Anders sieht es jedoch für Industrien aus, die weniger hohe Temperaturen benötigen, wie beispielsweise die Papier- oder die Nahrungsmittelindustrie. "Dort lassen sich durch eine Elektrifizierung rund 30 bis 50 Prozent an Energie einsparen", sagt Fleiter, der kürzlich auch eine Studie zu dem Thema veröffentlicht hat.

Industrielle Wärmepumpen schaffen es heute schon sehr effizient, Temperaturen bis 150 Grad zu erzeugen. "In Zukunft werden auch 200 Grad gut möglich sein, was Großwärmepumpen dann auch für die Papierindustrie sehr relevant macht." Denkbar sei auch, dass künftig vermehrt hybride Anlagen zum Einsatz kommen, indem Anlagen mit Gasheizung zusätzlich mit elektrischen Wärmepumpen ausgestattet werden. Diese könnten dann flexibel in Zeiten mit niedrigen Strompreisen betrieben werden. "Dadurch könnten die elektrischen Anteile schrittweise hochgefahren werden", sagt Fleiter.

Ob Betriebe künftig vermehrt auf Wärmepumpen setzen, sei nicht nur eine technische, sondern auch eine wirtschaftliche Frage, sagt Drexler-Schmid. Dabei sei vor allem das Verhältnis von Strom- und Gaspreis entscheidend.

Thermische Batterien
Aber auch bei hohen Temperaturen machen elektrische Lösungen Fortschritte. Das US-amerikanische Start-up Rondo Energy baut beispielsweise thermische Batterien aus Ziegelsteinen. Diese befinden sich in großen, isolierten Stahlbehältern. Elektrische Heizstäbe, ähnlich wie sie in einem Toaster verwendet werden, heizen die Ziegelsteine auf mehr als 1.500 Grad auf, sie können die Wärme dann über viele Tage mit nur geringen Verlusten speichern. Diese Wärme könnte dann laut dem Unternehmen beispielsweise von der Stahl-, der Zement- und der Chemieindustrie verwendet werden. Zudem seien die thermischen Batterien vergleichsweise einfach herzustellen. In den kommenden Jahren sollen die Batteriespeicher laut dem Unternehmen in vielen Ländern zum Einsatz kommen.

Am schwierigsten ist es jedoch, fossile Rohstoffe dort zu ersetzen, wo sie auch für die Herstellung benötigt werden, wie beispielsweise bei der Rohstahlerzeugung. Elektroöfen, die Schrott wiederverarbeiten, produzieren Stahl, der im Vergleich zur Primärstahlherstellung im Hochofen nicht für alle industriellen Anwendungen geeignet ist. Und bei der sogenannten Direktreduktion, die klassische Hochöfen ersetzen soll, kommt statt Kohle und Koks zwar weniger klimaschädliches Gas zum Einsatz – CO2-neutral ist die Herstellung deshalb aber auch nicht.

Grüner Stahl
Das US-amerikanische Unternehmen Electra glaubt, eine Lösung für dieses Problem gefunden zu haben. Es wandelt Eisenerz mithilfe eines elektrochemischen Prozesses in reines Eisen um – ohne das Eisenerz mit viel Energie und fossilen Rohstoffen im Hochofen zu schmelzen. Dieses Eisen könne dann in Elektroöfen zu Stahl verarbeitet werden. Bis 2030 will Electra die Technologie kommerzialisieren und dann pro Jahr 100.000 Tonnen an grünem Stahl erzeugen.

"Es lässt sich sicher nicht jeder Prozess einfach elektrifizieren", sagt Drexler-Schmid. Für manche Prozesse seien erneuerbare Gase wie Wasserstoff oder synthetisches Methan notwendig – wie beispielsweise für Bereiche der Stahlindustrie. "Bei der Dekarbonisierung der Industrie liegt noch viel Arbeit vor uns."
(Jakob Pallinger, 4.3.2024)

Kommen nach den E-Autos bald auch die E-Fabriken?