Wasserstoff oder Biogas?

Beim Ersatz fossiler Energiequellen durch CO2-freie Formen gilt für viele grüner Wasserstoff als vielversprechend. Der Weg über Biogas ist jedoch in vieler Hinsicht weitaus überlegen.

Nicht der Energiemangel ist die drohende Gefahr, sondern die bereits spürbare Aufheizung der Atmosphäre durch CO2, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht. Das bei der Nutzung von Biomasse gebildete CO2 hingegen wird im natürlichen Kreislauf rezykliert und trägt nicht zur Klimaerwärmung bei. Die Energiezukunft muss also ohne fossile Brennstoffe auskommen. Mit abnehmender Qualität der Uranvorkommen kann auch Atomenergie nicht ewig als Energiequelle dienen.

Energiebrücke: Fotovoltaik- und Windkraftanlagen in Schleswig-Holstein.
Credit: Joerg Boethling / Alamy Stock Photo

Eine nachhaltige Energieversorgung muss deshalb mit «Grünstrom» (Fotovoltaik, Wind, Wasserkraft) und «Grünzeug» (organische Reststoffe von Landwirtschaft, Landschaftspflege, Verpflegung, Gartenbau, Forstwirtschaft) und rationellster Energienutzung gestaltet werden. Zur vollständigen Deckung des Energiebedarfs müssen die beiden grünen Energiewege massiv ausgebaut werden. Wegen des volatilen Charakters der grünen Energiequellen wird die saisonale Energiespeicherung zu einer fundamentalen Aufgabe der Energiewende.

 

Speichern mit Wasserstoff oder Biogas

Als Speichermedium wird gerne Wasserstoff genannt, der im Sommer mit überschüssigem Grünstrom produziert und in Kavernen, Tanks oder Gasometern gespeichert werden soll. Aber auch das bei der anaeroben Vergärung von Biomasse entstehende Biomethan lässt sich problemlos in solchen Behältnissen unterbringen. Für die saisonale Energiespeicherung gibt es also zwei Optionen, die nun näher betrachtet werden sollen.

Für die Energiespeicherung muss man den volumetrischen Energieinhalt des Speichergases betrachten. Unter Normalbedingungen beträgt dieser für Wasserstoff 3,54 kWh pro Kubikmeter und für Methan 11,07 kWh pro Kubikmeter. In einem gegebenen Volumen kann man bei gleichem Druck und gleicher Temperatur mit Methan also 3,13-mal mehr Energie speichern als mit Wasserstoff. Die hohe gravimetrische Energiedichte (kWh/kg) von Wasserstoff kann nicht als Referenz für die Energiespeicherung dienen.

Für die Speicherung in Behältern oder Kavernen müssen beide Gase komprimiert werden. Für die adiabatische Kompression von atmosphärischem Druck auf 20 bar beträgt der Energieaufwand 5,310 MJ/kg für Wasserstoff und 0,606 MJ/kg für Methan. Bezogen auf die Dichte (Wasserstoff 0,09 kg/m3 und Methan 0,72 kg/m3) beträgt die volumenbezogene Kompressionsarbeit 0,478 MJ/m3 für Wasserstoff und 0,475 MJ/m3 für Methan. Bei gleichen Bedingungen ist der Energiebedarf für die Kompression von Wasserstoff oder Methan nahezu gleich. Da aber für die Speicherung gleicher Energiemengen mit Wasserstoff 3,13-mal mehr Gas komprimiert werden muss, wird für die Energiespeicherung mit Wasserstoff 1,496 MJ/m3, also 3,15-mal mehr Kompressionsenergie benötigt als für Methan.

 

Kontrast bei den Energiebilanzen

Bei Biogasanlagen werden etwa 7,5 Prozent des ins Netz eingespeisten Stroms für den Betrieb der Anlage benötigt. Bakterien verrichten die Fermentierung ohne Energiezufuhr. Mit der Reinigung von Biogas zu Biomethan erhöht sich der Energiebedarf nur geringfügig. Bei der Energiespeicherung mit Wasserstoff gehen für Wasserförderung und -aufbereitung, Energieverluste bei der Elektrolyse, Verdichtung des Wasserstoffs für Transport und Speicherung, Energieverluste bei der Rückverstromung etwa 75 Prozent des eingesetzten Grünstroms verloren. Nur 25 Prozent fliessen also noch nutzbar ins Netz. Das heisst: Auf dem Wasserstoffweg werden für jede genutzte Kilowattstunde vier Kilowattstunden Grünstrom benötigt. Bezogen auf den ins Netz gespeisten Nutzstrom gehen unter optimierten Bedingungen für Wasserstoff 300 Prozent des eingesetzten Grünstroms verloren, während es bei Biogas lediglich 7,5 Prozent sind. Wegen der wesentlich besseren Energiebilanz von Biogas sollte man Wasserstoff nicht länger für die Überbrückung der saisonalen Energielücke verfolgen.

Aber auch technische, kommerzielle und politische Erwägungen sprechen für den Einsatz von Biomethan als Energiebrücke zur sicheren Stromversorgung im Winter und bei Dunkelflauten. Biogasanlagen sind Stand der Technik. Sie lassen sich mit wenig Aufwand in das bestehende Stromnetz integrieren und mit lokal anfallendem Grünzeug versorgen. Viele Biogasanlagen, die vor allem im ländlichen Bereich stehen, werden privat finanziert und betrieben. Für die Energiespeicherung mit Wasserstoff ist der Aufwand jedoch wesentlich grösser und erfordert staatliche Unterstützung.

Für den wirtschaftlichen Betrieb von Elektrolyseanlagen sollte der Grünstrom möglichst gleichmässig zur Verfügung stehen. Auch müsste Wasserstoff in Regionen produziert werden, wo die Ernte von Grünstrom günstig ist. Aber in sonnenreichen Regionen könnte die Wasserbeschaffung (neun Liter Wasser pro kg H2) zum Problem werden. Bei einer Wasserstofferzeugung im Ausland muss der Transport nach Europa bedacht werden. Die Erzeugung der benötigten Mengen Wasserstoff mit Grünstrom wird nicht nur hier, sondern auch im Ausland Probleme bereiten. Für Wasserstoff muss eine neue und kostspielige Infrastruktur geschaffen werden. Eine wirtschaftlich vertretbare Lösung ist für den Wasserstoffweg nicht erkennbar.

Für Biogas sind technische Aufgaben viel einfacher zu lösen. Für die saisonale Gasspeicherung müssen bestehende Anlagen mit zusätzlichen Gasspeichern ertüchtigt werden. In Deutschland werden bereits 13,5 Prozent des Stroms durch Verstromung von Grünzeug generiert. Ein weiterer Ausbau ist möglich, wenn organische Reststoffe systematisch gesammelt und nicht mehr kompostiert oder verbrannt, sondern fermentiert werden. Die von Biogasanlagen gelieferten Reststoffe eignen sich ebenso gut für die natürliche Düngung wie der durch Verrottung gewonnene Kompost. Zur Vermeidung langer Förderwege werden in ländlichen Regionen weitere Biokonverter entstehen. Landwirtschaftliche oder kommunale Betriebe werden die Sammlung von Grünzeug übernehmen. Der Strom wird erst bei Strombedarf erzeugt und ins lokale Netz eingespeist. Die Gasspeicher können über dynamische Einspeisevergütungen amortisiert werden, die sich am Marktwert des gelieferten Stroms zur Zeit der Einspeisung orientieren.

 

Strategie für Biogas

Bei Netzüberlastung können vom geernteten Grünstrom heute nur etwa 5 Prozent nicht eingespeist werden. Für diese kleinen, regional anfallenden Mengen von Flatterstrom kann keine wirtschaftlich zu betreibende Wasserstofferzeugung aufgebaut werden. Die Einspeisung von Grünstrom ins Netz wird vom meteorologisch fluktuierenden Angebot und vom schwankenden Strombedarf bestimmt. Bei hoher Netzauslastung muss die Ernte von Grünstrom vorübergehend eingestellt werden. Für die Wasserstofferzeugung mit überschüssigem Grünstrom sind keine wirtschaftlich tragbaren Lösungen erkennbar.

Biogas sollte nicht sofort nach der Vergärung verstromt, sondern gespeichert werden, um es als Energiebrücke zu nutzen, wenn Grünstrom nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Zurzeit wird das energetisch nutzbare Grünzeug nur zu einem kleinen Teil gesammelt und oft auch nur kompostiert oder verbrannt. Zur Verwirklichung der Energiewende müssen die anaerobe Gärung und die Sammlung organischer Reststoffe systematisch ausgebaut werden. Der Wechsel von Kompostierung zur Fermentierung erfordert überschaubare private oder kommunale Investitionen in Biogasanlagen und Gasspeicher. Mit einer dem Strombedarf dynamisch folgenden Einspeisevergütung wird der Ausbau von Biogasanlagen zur Überbrückung von Dunkelflauten wirtschaftlich interessant.

Der Bau neuer und die Ertüchtigung bestehender Biogasanlagen ist eine einfache und privat finanzierbare Aufgabe. Der komplexe Wasserstoffweg wird jedoch scheitern, weil das Problem einfacher mit Biogas und gesundem Menschenverstand gelöst werden kann. Unabhängige Experten sollten die Wasserstoffinitiative noch einmal gründlich prüfen, bevor man mit dem Bau einer Infrastruktur beginnt, die nach Fertigstellung nicht mehr benötigt wird, weil zwischenzeitlich bessere Lösungen verwirklicht worden sind.

 

Ulf Bossel ist Maschinenbauingenieur ETH, Unternehmer und Buchautor.