Biomethan statt Wasserstoff

Energiewende ohne Irrwege

Nicht Energiemangel bedroht die Menschheit, sondern die Aufheizung durch CO2. Fossile Brennstoffe und Atomstrom taugen nicht für die Zukunft. CCS und Wasserstoff sind teure Irrwege, schreibt unser Autor Ulf Bossel . Den Schlüssel zu einer sicheren, nachhaltigen Energieversorgung sieht er in Grünstrom und Biomethan. Ein Kommentar

Klimawandel bedroht Menschheit

Das wesentliche Ziel der Energiepolitik war bisher die Sicherstellung der Energieversorgung. Nun aber wird die Freisetzung des Kohlendioxids (CO2), das bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas entsteht, zur wesentlichsten Bedrohung für die Menschheit. Mit steigendem CO2-Gehalt absorbiert die Atmosphäre immer mehr der bodennah entstehenden Infrarotstrahlung und heizt sich auf. Das Klimaziel von 1.5°C ist bereits überschritten.

Auf die vom Menschen verursachten Veränderungen reagiert die Natur mit Unwetterkatastrophen. Wirksame Gegenmassnahmen müssen schon bald eingeleitet werden, damit die Erde bewohnbar bleibt. Es geht also um die Gestaltung einer Energieversorgung ohne fossilen Kohlenstoff. Auch Atomstrom kann nur lokal klimafreundlich sein, denn für den Urankreislauf werden zwischen Erz- und Endlager fossile Energieträger in grossen Mengen benötigt. Bereits heute werden Erze mit so niedrigem Urangehalt genutzt, dass Atomstrom für mache Uranquellen fast so viel CO2 freisetzt wie Stromerzeugung mit Erdgas.

„Geokarbon“ dient nicht länger als Energiequelle

Wegen des drohenden Klimawandels kann der fossile Kohlenstoff „Geokarbon“ nicht länger als Energiequelle dienen. Die Energiezukunft muss langfristig mit Solarwärme und dem von Sonne, Wind und Wasserkraft geernteten „Grünstrom“ gestaltet werden. Geothermie, Wellenenergie oder Tidenhub sind als additive Energiequellen willkommen. Auch Biomasse aller Art, hier als „Grünzeug“ bezeichnet, wird zur sicheren Energieversorgung beitragen.

Kohlenstoff, der als „Biokarbon“ bereits in der Atmosphäre zirkuliert, wird in Form von Biomethan zum stabilisierenden Energieträger, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht bläst. Die wesentlichen Punkte einer langfristig gesicherten Energieversorgung werden nun unter Berücksichtigung energetischer Zusammenhänge mit physikalischer Begründung dargestellt.

Falsche Hoffnungen auf CCS

Zur Schaffung einer umweltneutralen Energieversorgung soll das bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehende Klimagas CO2 permanent im Untergrund entsorgt werden. Greenpeace bezeichnet „CCS“ (Carbon Capture and Storage) zu Recht als Mogelpackung. Die CO2-Abscheidung ist machbar, aber mit grossem Aufwand verbunden. Die permanente Entsorgung der riesigen Mengen, weltweit sind es 300 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr, ist wegen fehlender Lagerstätten nicht realisierbar.

Ein einziges mit CCS gekoppeltes Kohlekraftwerk mit einer netto Netzleistung von 1 GW muss etwa 1.3 GW Strom produzieren, damit auch das CO2 vom Rauchgas getrennt und entsorgt werden kann. Jährlich bläst dieses Kraftwerk etwa 12 Millionen Tonnen Klimagas in die Atmosphäre, also stündlich etwa 1‘400 Tonnen CO2. Das weltweit in thermischen Kraftwerken produzierte CO2 kann nicht für alle Zeiten sicher im Erdreich entsorgt werden. Das vom Erdgas geleerte Sleipner Field vor Norwegen soll als CO2-Deponie genutzt werden. Bereits nach wenigen Monaten wäre es mit dem CO2 eines einzigen Kohlkraftwerks gefüllt. Diese Erkenntnis wurde bereits 2009 veröffentlicht [1,2].

Wunschgedanke Wasserstoff

Die energetischen Zusammenhänge einer Wasserstoffwirtschaft sind bereits 2003 in englischer Sprache ins Netz gestellt worden [3] und seit 2009 in deutscher Fassung [4] verfügbar. Die Ergebnisse wurden im Jahr 2021 durch eine umfangreiche Analyse von Klaus Maier [5] bestätigt. Wegen der verlustreichen Wandlungsschritte einer Wasserstoffwirtschaft bietet die direkte Stromnutzung immer die bessere Lösung.

Mit dem Grünstrom, der für den Betrieb eines Fahrzeugs mit Wasserstoff benötigt wird, kann man fünf gleichwertige Fahrzeuge elektrische betreiben [5]. Man kann ein Haus mit Wasserstoff, drei direkt elektrisch oder neun mit Wärmepumpen beheizen. Künstlich erzeugter Wasserstoff eignet sich nicht für eine wirtschaftliche Energieversorgung. Wasserstoff kann aber bei chemischen Prozessen kohlenstoffhaltige Reduktionsmittel ersetzen. Grüner Wasserstoff und die verlustreich damit erzeugten E-Fuels werden voraussichtlich nie eine wesentliche Rolle im Energiebereich spielen.

Mit den auch politisch propagierten Notankern CCS und Wasserstoff kann die Energiewende also nicht vollendet werden. Dieses Urteil stützt sich auf die Ergebnisse der oben genannten Analysen, die auch Energie als dritte Dimension berücksichtigen und nicht nur zweidimensional das Machbare betrachten. Im Folgenden werden die energetischen Zusammenhänge behandelt, die für Sicherstellung einer bedarfsgerechten und nachhaltigen Energieversorgung von Bedeutung sind.

Energie lokal ernten und rationell nutzen

Mit dem Ende der fossilen Energieträger wird die gesicherte Energieversorgung nicht mehr von der Angebotsseite, sondern vom Verbrauch her bestimmt. Bisher war die Energieversorgung eine Aufgabe der Energiewirtschaft. Bei steigendem Bedarf wurden einfach mehr Kohle, Erdöl oder Erdgas verbrannt. Die Energiebereitstellung folgte dem Energiebedarf. Jetzt aber werden Endverbraucher mit PV-Anlagen auf dem Dach zu Grünstromproduzenten.

Endverbraucher, Genossenschaften und Kommunen betreiben eigene Solar- und Windkraftanlagen. Mit einer verbesserten Energieeffizienz im Endbereich ist schon heute eine lokale Energieautonomie machbar. Mit Verbesserung der Wärmedämmung wird der Heizwärmebedarf gesenkt. Effiziente Elektrofahrzeuge verdrängen die Verbrenner. Grünstrom wird auf dem Hausdach geerntet und auf kurzem Weg im Haus genutzt. In Zukunft werden Energiedienstleistungen nicht mehr ausschliesslich mit zentral erzeugtem Strom erbracht. In der Regel steht Grünstrom am Ort des Bedarfs zur Verfügung. Im ländlichen Bereich ist Platz vorhanden für Photovoltaik und Windkraftanalgen, also für die regionale Versorgung mit Grünstrom.

Mit Grünstrom und Grünzeug in die Zukunft

Der grüne Weg in die Zukunft ist keinesfalls Ausdruck einer ideologischen Wunschvorstellung, sondern der physikalisch begründete Einstieg in eine CO2-freie Energieversorgung von morgen. Der Energiebedarf muss weitgehend mit „Grünstrom“ von Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft, mit Solarwärme oder mit „Grünzeug“ von pflanzlichem Wachstum oder organischen Abfällen gedeckt werden. Die biologischen Substrate werden heute vorwiegend kompostiert oder ohne energetische Nutzung der natürlichen Verrottung überlassen. Bei der Vergärung unter Luftabschluss wird der Kohlenstoff jedoch bakteriell mit dem Wasserstoff des Wassers zu nützlichem Biomethan CH4 vereint. Die Bakterien arbeiten rund um die Uhr unabhängig von Sonnenstand und Wind. Betriebsenergie wird kaum benötigt. Die bei der Vergährung entstehende Wärme ist im Winter willkommen. Die Kompostierung sollte durch Fermentierung ersetzt werden. Biomethan ist ein hochwertiger Energieträger, der sich für die Energiespeicherung wesentlich besser eignet als Wasserstoff.

Aber wie muss das Energiesystem gestaltet werden, um mit Grünstrom und Grünzeug ganzjährig eine gesicherte Energieversorgung zu gewährleisten? Wie viel Energie muss kurz- mittel- und langfristig eingesetzt oder gespeicherte werden? Braucht es neue Verfahren? Mit welcher Strategie ist der Energiebedarf zu allen Jahreszeiten gesichert?

Biomethan statt Wasserstoff

Die Energiespeicherung ist ein wesentliches Element der Energiewende. Grünstrom und Solarwärme sind nur bedingt speicherbar und beides kann man wetterbedingt auch nur sporadisch ernten. Für eine gesicherte Energieversorgung wird ein gut speicherbarer Energieträger benötigt. Die Lobby hat der Politik den Wasserstoff empfohlen. Unter Berücksichtigung energetischer Zusammenhänge lässt sich die Energiewende jedoch viel besser mit Biomethan vollenden. Hierzu nun nähere Einzelheiten.

Die Fermentierung von Grünzeug ist ein bakterieller Prozess, der unabhängig von Sonnenstand und Windverhältnissen kontinuierlich abläuft. Das von den Bakterien erzeugte Biogas muss lediglich durch Abscheidung von CO2 zu Biomethan gereinigt werden, das gut und günstig speicherbar ist. Im Gegensatz zur Bereitstellung von Wasserstoff wird Strom lediglich für die Handhabung des Substrats benötigt. Bei der langsamen bakteriellen Fermentation entsteht Wärme im nutzbaren Temperaturbereich.

Die Produktion von Biomethan könnte schnell ausgebaut werden, wenn man auch die heute für die Kompostierung gesammelte Biomasse vergären würde. Biogasanlagen können ganzjährig rund um die Uhr betrieben werden. Grünzeug wird zum Schlüssel der Energiewende, wenn das im Sommer erzeugte Biomethan nicht direkt verstromt, sondern für den Winter oder für „Dunkelflauten“ gespeichert würde.

Saisonale Einspeicherung mit Biomethan ist auch phsysikalisch sinnvoll

Die saisonale Energiespeicherung mit Biomethan ist auch in physikalischer Hinsicht sinnvoll. In einem gegebenen Volumen lässt sich bei gleichem Druck mit Biomethan dreimal mehr Energie speichern als mit Wasserstoff. Auch muss man für die Kompression von Wasserstoff achtmal mehr Energie einsetzen als für die Verdichtung von Methan. Der grüne Wasserstoffweg verlangt Grünstrom in grossen Mengen, während Biomethan fast ohne Fremdenergie erzeugt wird. Die für Erdgas geschaffene Infrastruktur kann für Biomethan unverändert übernommen werden. Für Wasserstoff müsste parallel zum Erdgasnetz eine neue Infrastruktur geschaffen werden, besonders wenn dieser im sonnenreichen Ausland produziert werden soll. Auch können Elektrolyseure nicht wirtschaftlich mit „Flatterstrom“ betrieben werden. In Fermentieranlagen arbeiten die Bakterien jedoch rund um die Uhr. Die saisonale Energiespeicherung mit Biomethan bietet gegenüber Wasserstoff erhebliche Vorteile und sollte deshalb ernsthaft geprüft werden.

Energiewirtschaftliche Maßnahmen

Heute wird Biogas fast immer direkt verstromt. Diese zusätzliche Grundlast wird nur mit einem relativ niedrigen Betrag vergütet, der oft deutlich unter der dem Preis liegt, den der Versorger für Strom aus anderen Quellen zahlen muss. Sinnvoller als die kontinuierliche ist eine bedarfsgerechte Verstromung des gespeicherten Biomethans zu Zeiten grosser Nachfrage mit bedarfsgerechter Vergütung. Für eine zuverlässige Stromversorgung wird gespeichertes Biomethan zur hochwertigen Energiereserve. Mit dem Flatterstrom von Sonne und Wind allein ist dies kaum machbar.

Für die Integration des mit gespeichertem Biomethan erzeugten Grünstroms in das bestehende Stromnetz ist Folgendes zu bedenken. Das gesammelte „Grünzeug“ wird voraussichtlich vor Ort fermentiert, um Transportkosten zu sparen. Das erzeugte Biomethan wird lokal gespeichert und nur bei Bedarf verstromt. Grosskraftwerke werden durch viele Biogasgeneratoren ersetzt. Bei Strombedarf sollte der Netzbetreiber deshalb die Generatoren starten können.

Da mit dem eingespeisten Strom auch der örtliche Bedarf gedeckt wird, entfällt die Notwendigkeit eines massiven Netzausbaus. Die Generatoren sind im privaten, kommunalen oder genossenschaftlichen Besitz. Wegen der lokalen Nutzung des anfallenden Grünzeugs führt die Entwicklung zur dezentralen Netzstromerzeugung. Private Investoren finden Möglichkeiten für lukrative Geldanlagen. Deshalb wird dieser Weg auch ohne staatliche Förderung erfolgreich sein. Für Investitionen in eine neuen Infrastruktur für Wasserstoff schwindet die Notwendigkeit.

Wunschvorstellungen

Wissenschaftliche Erkenntnisse werden häufig mit vereinfachten Darstellungen präsentiert, was jedoch oft zu keinen brauchbaren Lösungen führt. Ohne Frage, Wasserstoff eignet sich als universeller Energieträger für die Erzeugung von Wärme und Strom. Das Problem ist der hohe Energieaufwand für Herstellung und Vertrieb von Wasserstoff. Wunschvorstellungen sind fehl am Platz. Die Gesetze der Physik, besonders aber die Energiebilanzen, bilden die Messlatte für Projekte im Energiebereich.

Die Lobby beindruckt den Gesetzgeber mit qualitativen Argumenten und nicht mit physikalich begründeten Gesamtbetrachtungen. Die Politik stellt die von der Lobby (befangene „Fachleute“) geforderten Mittel zur Verfügung. Als Beispiel sei die geforderte Schaffung einer verlustreichen Wasserstoffwirtschaft genannt. Mangels des in Mitteleuropa verfügbaren Grünstroms soll der Wasserstoff in sonnenreichen Weltregionen mit dort geerntetem Solarstrom erzeugt werden und dann per Schiff nach Europa gelangen. Aus energetischer Sicht ist dies ein kaum realisierbares Vorhaben. Oder es werden Möglichkeiten für die Abscheidung von CO2 gefördert ohne zu bedenken, dass keine Möglichkeiten für eine permanente Entsorgung des Klimagases erkennbar sind.

Die Energieversorgung kann nur gesichert und die Klimakatastrophe vermieden werden, wenn die fossilen Energieträger durch Grünstrom, Grünzeug, Solarwärme und rationelle Energienutzung ersetzt werden. Lokal können auch Geothermie, Tidenhub und dergleichen zur Energieversorgung beitragen. Mit Atomstrom kann das CO2-Problem aber weder heute noch in Zukunft gelöst werden. denn die CO2-Belastung des Atomstroms „von der Wiege bis zur Bahre“ nähert sich bereits den für Gaskraftwerke geltenden Werten.

Empfohlene Massnahmen

Für die aus meteorologischen Gründen notwendige saisonale Energiespeicherung wird lautstark Wasserstoff empfohlen, den man im Sommer mit überschüssigem Grünstrom erzeugen und dann für die Winternutzung speichern will. Gleichzeitig wird das im Sommer erzeugte Biomethan direkt verstromt. Wesentlich klüger wären die direkte Nutzung des Solarstroms im Sommer und die Speicherung des im Sommer erzeugten Biomethans für den Winter.

Dieser Weg liefert eine gute Lösung für die Rettung des Klimas bei gleichzeitiger Sicherstellung der saisonalen Energieversorgung. Wegen der dezentralen Ernte von Grünstrom fliesst der eingespeiste Strom jedoch vom Kunden zum Kraftwerk, also in umgekehrter Richtung zum derzeitigen Stromnetz. Dieser zweispurige Weg muss für der Zukunftsgestaltung berücksichtig werden. Die Energiewirtschaft steht vor neuen technischen Aufgaben.

Grüne Elektronenwirtschaft als Ziel

Wo Menschen unter erträglichen Klimabedingungen leben kann auch die Energieversorgung mit Grünstrom und Grünzeug gesichert werden. Für eine Wasserstoffwirtschaft wird mindestens viermal mehr Grünstrom benötigt, weil die mit viel Aufwand geerntete Energie nur mit hohen Verlusten zum Endverbraucher gelangt. Die für den Betrieb einer Wasserstoffwirtschaft benötigen Ernteflächen stehen in besiedelten Gebieten nur selten zur Verfügung. Der Import von Wasserstoff wird aus unterschiedlichen Gründen den Bedarf nicht wirtschaftlich decken können.

Die nachhaltige Energieversorgung mit Grünstrom führt zu einer grünen „Elektronenwirtschaft“ und nicht zu einer verlustreichen „Wasserstoffwirtschaft“. Grünzeug liefert speicherbare chemische Energie, die zur Stabilisierung einer vorweigend auf Grünstrom basierenden Energieversorgung zwingend benötigt werden.

Die Energiewirtschaft bezweifelt, dass sich der Energiebedarf mit Grünstrom decken lässt. Sie bezieht sich auf die heute geförderte Primärenergie, von der jedoch nur ein Bruchteil wirklich genutzt wird. Zwischen Bergwerk, Bohrturm oder Erdgasquelle und Endverbraucher gehen 70 bis 80% der geförderten Primärenergie (Kohle, Erdöl und Erdgas) für Erschiessung, Förderung, Transport, Aufbereitung und Umwandung mit Carnotmaschinen verloren. Der verbrauchsnah geerntete Grünstrom gelangt jedoch verlustarm zum Verbraucher. In Zukunft wird man mit wesentlich weniger Primärenergie für die im Endbereich benötigten Energiedienstleistungen auskommen. Mit gut überdachten Massnahmen kann die Energiewende vollendet werden. Die strategische Nutzung von Grünzeug wird zum Schlüssel zur Energiewende.

Der Weg zur Wende

Die Energiewende benötigt Zeit. Meine Überlegungen sollen die Zielsuche unterstützend begleiten. Die oben fixierten Gedanken bilden das Gerüst für die Gestaltung einer nachhaltigen Energiezukunft ohne fossiles CO2. Zur Finanzierung zielführender Grünzeug-Projekte sollten alle Bemühungen zu CCS und Wasserstoff möglichst bald eingestellt werden. Zeit und Technologie sind reif für den Aufbau einer grünen Energiewirtschaft auf der Basis des von der Sonne geernteten Grünstroms und des nachwachsenden Grünzeugs.

Zusammenfassend können die folgenden Massnahmen empfohlen werden. Ersten: Ein beschleunigter Ausbau von Fotovoltaik und Windkraft. Zweitens: Grünzeug fermentieren statt kompostieren. Drittens: Biomethan für die Nutzung im Winter und bei Dunkelflauten speichern. Viertens: Attraktive Einspeisevergütungen flexibel an die aktuellen Strommarktpreise koppeln. Fünftens: Eigenstromnutzung ermöglichen und fördern.

Die Energiewende kann nur gelingen, wenn sie vom Verbraucher unterstützt wird. Privatpersonen, Genossenschaften und Kommunen werden sich mit einfachen Massnahmen am Einsatz von Biomasse finanziell beteiligen und die Energiewende mit Biogas vollenden, bevor der geförderte Aufbau einer teuren und komplexen Wasserstoffwirtschaft vollendet werden kann. Dann stellt sich die Frage: Wasserstoff ist da, aber wer kann ihn gebrauchen?

 

 

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Literatur

[1]        Ulf Bossel: Carbon Capture and Storage: Aber wohin mit dem CO₂? Solarzeitalter, 3/2009, Oktober 2009

[2]        Ulf Bossel: CCS: Aber wohin mit dem CO₂? https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_27_10_09.pdf 

[3]        Ulf Bossel, Baldur Eliasson and Gordon Taylor: The Future of the Hydrogen Economy: Bright or Bleak? https://www.planetforlife.com/pdffiles/h2report.pdf

[4]        Ulf Bossel: Wasserstoff löst keine Energieprobleme. https://www.leibniz-institut.de/archiv/bossel_16_12_10.pdf

[5]        Klaus Maier: Gutachterliche Stellungnahme zum Hessischen Wasserstoffzukunftsgesetz: https://www.stromdaten.info/wp-content/uploads/2021/10/Maier Gutachten Hessen- Zukunft.pdf