Die Welt - 07.03.2020

Beatriz Roldán Cuenyawurde 1976 in

Oviedo geboren. Sie ist eine spanische

Physikerin, die sich mit Oberflächenphysik

und Katalyse beschäftigt. Seit 2017 ist sie

Direktorin am Fritz-Haber-Institut der

Max-Planck-Gesellschaft in Berlin.

Robert Schlöglwurde 1954 in München

geboren. Er ist ein deutscher Chemiker

mit dem Forschungsschwerpunkt che-

mische Energiekonversion. Seit 1994 ist er

Direktor am Fritz-Haber-Institut in Berlin.

Das Direktoren-Duo

MARTIN U. K. LENGEMANN/WELT/

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07.03.20 Samstag,7.März2020DWBE-HP

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DWBE-HP

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W

asserstoff wird eine zentraleasserstoff wird eine zentrale

Rolle bei einer klimaneutra-Rolle bei einer klimaneutra-

len Energieversorgung spie-len Energieversorgung spie-

len. Bislang ist die Herstel-len. Bislang ist die Herstel-

lung dieses Energieträgerslung dieses Energieträgers

nicht CO 2 -neutral. Die Max-Planck-Forscher-neutral. Die Max-Planck-Forscher

Beatriz Roldan und Robert Schlögl entwerfen ei-Beatriz Roldan und Robert Schlögl entwerfen ei-

nen Weg in die grüne Wasserstoffwirtschaft.nen Weg in die grüne Wasserstoffwirtschaft.

VON NORBERT LOSSAU

WELT:Die Bundesregierung plant eine Was-ie Bundesregierung plant eine Was-

serstoffstrategie. Was steckt dahinter?serstoffstrategie. Was steckt dahinter?

ROBERT SCHLÖGL:Die deutsche Energiewendeie deutsche Energiewende

lässt sich nicht allein mit elektrischem Stromlässt sich nicht allein mit elektrischem Strom

bewältigen. Ohne stoffliche, also chemischebewältigen. Ohne stoffliche, also chemische

Energieträger wird es schlicht nicht gehen. WirEnergieträger wird es schlicht nicht gehen. Wir

werden auch Wasserstoff als Energieträger be-werden auch Wasserstoff als Energieträger be-

nötigen. Dem trägt die Wasserstoffstrategie dernötigen. Dem trägt die Wasserstoffstrategie der

Bundesregierung Rechnung. Beschlossen ist sieBundesregierung Rechnung. Beschlossen ist sie

aber noch nicht, nur in Aussicht gestellt.aber noch nicht, nur in Aussicht gestellt.

Warum brauchen wir Wasserstoff?Warum brauchen wir Wasserstoff?

SCHLÖGL:Die Energiewende erfolgt aus meinerie Energiewende erfolgt aus meiner

Sicht in zwei Phasen. In der ersten wird die Pro-Sicht in zwei Phasen. In der ersten wird die Pro-

duktion von elektrischem Strom nach und nachduktion von elektrischem Strom nach und nach

auf erneuerbare Energien umgestellt – also inauf erneuerbare Energien umgestellt – also in

erster Linie auf Wind und Sonne. In der zweitenerster Linie auf Wind und Sonne. In der zweiten

Phase müssen wir auch alle anderen Energiesek-Phase müssen wir auch alle anderen Energiesek-

toren klimaneutral machen. Wie groß diese He-toren klimaneutral machen. Wie groß diese He-

rausforderung ist, wird deutlich, wenn wir unsrausforderung ist, wird deutlich, wenn wir uns

die Zahlen zum Energieverbrauch in Deutsch-die Zahlen zum Energieverbrauch in Deutsch-

land anschauen. Dieser liegt – umgerechnet aufland anschauen. Dieser liegt – umgerechnet auf

die Einheit Terawattstunden (TWh) – bei 3500die Einheit Terawattstunden (TWh) – bei 3500

TWh pro Jahr. Davon sind aber nur 550 TWhTWh pro Jahr. Davon sind aber nur 550 TWh

elektrischer Strom, von denen rund 200 TWhelektrischer Strom, von denen rund 200 TWh

aus erneuerbaren Quellen stammen. Um das Zielaus erneuerbaren Quellen stammen. Um das Ziel

der Energiewende zu erreichen, müssen wir alsoder Energiewende zu erreichen, müssen wir also

noch 3300 TWh auf erneuerbare Energiequellennoch 3300 TWh auf erneuerbare Energiequellen

umstellen. Diesen enormen Bedarf werden wirumstellen. Diesen enormen Bedarf werden wir

nicht allein elektrisch decken können. Hier wer-nicht allein elektrisch decken können. Hier wer-

den wir ohne massiven Einsatz von Wasserstoff

nicht auskommen. In der Wasserstoffstrategie

geht es offenbar zunächst nur darum, einen Teil

des Verkehrssektors mit diesem Energieträger

zu versorgen. Das ist jedoch viel zu kurz ge-

sprungen. Die Autoren der Strategie unterschät-

zen die Größenordnung, in der wir Wasserstoff

benötigen werden.

Mit Wasserstoff angetriebene Autos sind aber

eine wichtige Option, oder?

SCHLÖGL:Wir brauchen Wasserstoff, um damit

alle fossilen Energieträger zu ersetzen, die wir

bislang importieren – also Kohle, Erdöl und Gas.

Das betrifft in großem Umfang die Industrie und

die Erzeugung von Wärme für Wohnungen. Was-

serstoff ist das Öl von morgen. Irgendwann wer-

den wir ihn auch im Verkehrssektor benötigen,

aber das ist nicht vordringlich.

WELT: Warum wird Wasserstoff nicht schon

in größerem Umfang eingesetzt?

BEATRIZ ROLDAN:Die Technologie der Elektro-

lyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff

gibt es seit vielen Jahrzehnten. Dass sie sich bis-

lang nicht in großem Stil durchsetzen konnte,

liegt daran, dass die Katalysatoren nicht effizient

und der elektrische Strom nicht preiswert genug

waren. Beides ändert sich. Wir haben inzwischen

deutlich bessere Katalysatoren entwickelt und

es stehen immer größere Mengen preiswerter

elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen

zur Verfügung. Wir sollten aber nicht den Fehler

begehen und daraus schließen, dass Deutschland

in Zukunft seinen gesamten Energiebedarf auf

diese Weise decken könnte. Es gibt viel bessere

Standorte zur Gewinnung von Solarstrom, zum

Beispiel in meinem Heimatland Spanien oder

auch in Nordafrika. Wichtig ist zu betrachten,

dass es einen Tag-Nacht-Zyklus gibt und dass

deswegen Orte gesucht werden sollten, wo es

viel Sonne, aber auch viel Wind gibt. Wir sollten

uns in Deutschland darauf konzentrieren, die

bestmögliche Technologie zu entwickeln, sie in

Deutschland zu testen und zu implementieren,

aber sie auch in sonnenreiche Länder zu expor-

tieren. Dort lässt sich Wasserstoff per Elektroly-

se gewinnen, mithilfe von flüssigen Trägermole-

külen transportfähig machen und mit dem Schiff

nach Deutschland bringen. Bei der Technologie

der Wasserstoffelektrolyse sind wir derzeit noch

Weltmeister. Doch China ist uns auf den Fersen.

China ist hier also ein Konkurrent?

ROLDAN:In der Grundlagenforschung zu die-

sem Thema stehen wir in Deutschland sehr gut

da. Unser Problem ist, dass es hierzulande sehr

viel länger als in China dauert, neue Erkenntnis-

se industriell umzusetzen. In Deutschland voll-

zieht sich der Transfer von Wissen zu langsam.

SCHLÖGL:Und deshalb besteht die große Ge-

fahr, dass wir, statt Anbieter einer innovativen

Technologie auf dem Weltmarkt zu werden, uns

mit der Rolle des Kunden für das Produkt Was-

serstoff werden begnügen müssen. Das sollten

wir unbedingt vermeiden. Wir müssen einen Teil

der Wertschöpfung im eigenen Lande behalten.

Wir reden hier von einer Zukunftstechnik, bei

der wir beim Know-how und bei den Patenten

führend bleiben könnten und sollten. Dann wird

Deutschland von der Energiewende auch wirt-

schaftlich profitieren. Mit dem Export innovati-

ver Technik könnten wir das Geld verdienen, mit

dem wir den Import von Wasserstoff bezahlen.

Man sollte sich in diesem Zusammenhang darü-

ber klar sein, dass es hier um einen gigantischen

technologischen Umbau geht. Da wird praktisch

DIE WELT SAMSTAG,7.MÄRZ2020 SEITE 24

WISSENISSEN

die gesamte Öl- und

Gasindustrie durch et-

was Neues ersetzt.

Ein Teil des benötigten Was-

serstoffs sollte aber hier in

Deutschland produziert werden?

ROLDAN: Selbstverständlich. Zunächst

brauchen wir hierzulande Demonstratoren,

mit denen wir im großen Maßstab zeigen kön-

nen, dass wir die Technik beherrschen. Ich

schätze, dass wir ungefähr fünf Prozent des be-

nötigten Wasserstoffs im eigenen Land produ-

zieren könnten.

Wir importieren 80 Prozent unserer Energie.

Ist es sinnvoll, diesen Anteil beim Umstellen

auf die Wasserstoffwirtschaft zu verringern?

SCHLÖGL:Wir werden nicht deutlich weniger

importieren können. Nicht nur aus technischen

Gründen, sondern auch aus Gründen der Akzep-

tanz. Wir haben schon heute sehr viele Windrä-

der in Deutschland und der Bau weiterer Anla-

gen stößt zunehmend auf Widerstand. Man kann

gar nicht so viele Windräder aufstellen, wie wir

es für eine Energieautarkie benötigen würden.

Es ist egal, ob wir 60, 70 oder 80 Prozent der Pri-

märenergie importieren. Wichtig ist nur, dass

wir selber so viel Wasserstoff aus erneuerbaren

Energien produzieren, um international als

Technologieführer anerkannt zu werden. Wie

viel Prozent es am Ende sein werden, regelt der

Markt. Wir dürfen da nicht in planwirtschaftli-

che Gedankenspiele abgleiten.

Kern der Wasserstoffstrategie ist der Verkehr.

Wäre hier nicht die Nutzung von klimaneutra-

len synthetischen Treibstoffen sinnvoller,

weil dafür keine neue Infrastruktur, etwa für

Tankstellen, benötigt würde?

ROLDAN:Technologisch ist beides möglich –

Mobilität mit Wasserstoff und mit synthetischen

Treibstoffen. Zu deren Herstellung würde man

Wasserstoff und CO 2 verwenden. Auch hier ist

die Grundlagenforschung gefragt, denn man be-

nötigt für die Reaktion spezielle Katalysatoren.

Der Flugverkehr dürfte das erste große Einsatz-

feld für synthetische Treibstoffe, also syntheti-

sches Kerosin, sein. Bei Autos wird der Preis ent-

scheiden, welcher Energieträger sich durchsetzt.

Für das Heizen von Gebäuden wird viel Ener-

gie benötigt. Kann hier Wasserstoff helfen?

SCHLÖGL:Die schlechteste aller Möglichkeiten

wäre, Erdgas in den Leitungsnetzen mit ein we-

nig Wasserstoff anzureichern. Bis zu einem An-

teil von zehn Prozent Wasserstoff müsste man

keine technischen Änderungen vornehmen.

Doch zum einen helfen zehn Prozent Wasser-

stoff nicht wirklich viel, und zum anderen hätte

ein solches Gemisch einen geringeren Heizwert

als pures Erdgas. Das liegt an der deutlich gerin-

geren Dichte von Wasserstoff im Vergleich zum

Erdgas. Die Heizleistung würde sich also verrin-

gern. Viel sinnvoller wäre es, die heutigen Erd-

gasnetze als Infrastruktur für den Transport von

Wasserstoff zu nutzen. In erster Linie ist der

Einsatz von Wasserstoff in der Industrie sinn-

voll. Dort werden zum Erzeugen von Prozess-

wärme bislang fossile Energieträger eingesetzt.

Im nächsten Schritt könnte man die Abwärme

aus der Industrie über Fernwärmenetze zum

Heizen von Häusern nutzen. Das wäre sehr effi-

zient. Doch man wird zur Wärmeversorgung

nicht ohne Blockheizkraftwerke auskommen.

Auch dort könnte Wasserstoff als Energieträger

zum Einsatz kommen. Dann gibt es noch die

Möglichkeit der Rückverstromung von Wasser-

stoff. Mit dieser Elektrizität könnten Wärme-

pumpen für die Gebäudeheizung betrieben wer-

den. Ich bin mir sicher, dass man Wasserstoff

nicht in jedes Haus leiten wird – jedenfalls nicht

in Städten. Auf dem Land wäre das für mich als

Insellösung aber vorstellbar.

Wasserstoff

mit elektrischer

Energie zu gewinnen,

um ihn wieder zu verstro-

men, klingt nicht sehr effizient.

SCHLÖGL:Ja, die Rückverstromung ist teuer

und derzeit nicht wirtschaftlich. Aber letztend-

lich wird uns nichts anderes übrig bleiben. Denn

wie sollen wir sonst die Dunkelflauten überbrü-

cken, mit denen wir im Mittel rechnen müssen.

In diesen Zeiten müssen wir auf gespeicherte

Energie zurückgreifen. Ob das nun Wasserstoff

sein wird oder ein wasserstoffhaltiges Derivat

wie Methanol, wird man noch sehen. Alle ande-

ren Möglichkeiten – vom Pumpspeicherkraft-

werk bis hin zu Schwungmasse – werden, so

nützlich sie für die Kurzzeitstabilisierung sind,

jedoch niemals den Energiebedarf des ganzen

Landes für eine Woche speichern können.

Wasserstoff wird bei der Herstellung von Ben-

zin oder Düngemitteln verwendet. Wird die-

ser bereits per Elektrolyse hergestellt?

ROLDAN:Nein, das wäre noch viel zu teuer. Na-

hezu der gesamte Wasserstoff wird bislang

durch Dampfreformierung hergestellt. Dabei

wird Erdgas, also Methan, zusammen mit Was-

serdampf auf Temperaturen von 700 bis 1000

Grad Celsius gebracht. Mit einem Nickelkataly-

sator entsteht dabei Wasserstoff und Kohlendi-

oxid. Deshalb entsteht bei der Produktion von

Wasserstoff per Dampfreformierung sehr viel

CO 2. Lediglich vier Prozent des Wasserstoffs

werden heute weltweit per Elektrolyse erzeugt.

Doch nur diesen kann man als grün bezeichnen –

vorausgesetzt der dafür eingesetzte Strom

stammt aus erneuerbaren Energien.

SCHLÖGL:Den aus Methan hergestellten Was-

serstoff bezeichnet man gemeinhin als blau.

Würde man den Wasserstoffbedarf einer Raffi-

nerie mit grünem statt mit blauem Wasserstoff

decken, könnte schon heute das fossile Benzin

deutlich grüner, also klimafreundlicher sein.

ROLDAN:Es gibt die Idee, das bei der Produkti-

on von blauem Wasserstoff entstehende CO 2 tief

im Erdboden oder im Meer unterzubringen, weil

das doch klimaneutral sei. Das halte ich aber für

keine gute Lösung. Denn damit verlagert man

das Problem nur auf spätere Generationen.

SCHLÖGL:AAAuch ich halte das für eine Mogelpa-uch ich halte das für eine Mogelpa-

ckung. Das Ziel muss grüner Wasserstoff sein.

Blauen Wasserstoff kann man allenfalls für eine

Übergangszeit akzeptieren.

ROLDAN:Ein Hintertürchen gibt es vielleicht.

Wenn wir das bei der Dampfreformierung ent-

stehende CO 2 zu Kunststoffen und Treibstoffen

wie Ethylen und Ethanol verarbeiten würden,

wäre auch das ein klimaneutraler Weg, wenn der

Strom dafür aus erneuerbaren Quellen käme.

SCHLÖGL:So hergestellte Rohstoffe für die che-

mische Industrie wären sehr sinnvoll. Technisch

ist das alles machbar. Es wird nur deshalb nicht

gemacht, weil die Nutzung fossiler Energie viel

preiswerter ist. Die Einführung einer CO 2 -Steu-

er ist daher ein richtiger Schritt. So lässt sich die

Nutzung umweltfreundlicher Technologien sti-

mulieren, die noch zu teuer sind. Mir erscheint

es marktwirtschaftlich sinnvoller, die Nutzung

fossiler Energien zu verteuern, als neue umwelt-

freundliche Technologien finanziell zu fördern.freundliche Technologien finanziell zu fördern.

Könnte man nicht einfach COKönnte man nicht einfach CO 2 aus der Luft fi-

schen und zu Chemieprodukten verarbeiten? schen und zu Chemieprodukten verarbeiten?

ROLDAN:OLDAN:Das ist eine wunderbare Idee. Doch

die CO 2 -Konzentration der Atmosphäre ist so-Konzentration der Atmosphäre ist so

gering, dass dies nicht praktikabel ist. Wem dasgering, dass dies nicht praktikabel ist. Wem das

tatsächlich in großem Stil gelingt, der hätte da-tatsächlich in großem Stil gelingt, der hätte da-

für einen Nobelpreis verdient. Derzeit haben wirfür einen Nobelpreis verdient. Derzeit haben wir

diese Technik nicht in hinreichend großem Maß-diese Technik nicht in hinreichend großem Maß-

stab. Doch es gibt ja auf absehbare Zeit noch vie-stab. Doch es gibt ja auf absehbare Zeit noch vie-

le Kraftwerke und Anlagen, die COle Kraftwerke und Anlagen, die CO 2 in konzen-

trierter Form abgeben. Wenn wir dieses COtrierter Form abgeben. Wenn wir dieses CO 2 ein-

fangen und zu chemischen Produkten verarbei-fangen und zu chemischen Produkten verarbei-

ten würden, hätten wir schon viel gewonnen. ten würden, hätten wir schon viel gewonnen.

Neben einer CONeben einer CO 2 -Steuer würden uns wohl

auch technologische Fortschritte bei denauch technologische Fortschritte bei den

Elektrolysezellen weiterbringen.Elektrolysezellen weiterbringen.

ROLDAN:AAAbsolut richtig. Deshalb arbeiten wirbsolut richtig. Deshalb arbeiten wirbsolut richtig. Deshalb arbeiten wir

seit Jahren an der Entwicklung von besseren Ka-seit Jahren an der Entwicklung von besseren Ka-

talysatoren für Elektrolysezellen. Da hat es intalysatoren für Elektrolysezellen. Da hat es in

den vergangenen 15 Jahren große Fortschritteden vergangenen 15 Jahren große Fortschritte

gegeben. Wir haben verschiedene Materialiengegeben. Wir haben verschiedene Materialien

kombiniert und deren Oberflächen mit Nanos-kombiniert und deren Oberflächen mit Nanos-

trukturen versehen. Auch im theoretischen Ver-trukturen versehen. Auch im theoretischen Ver-

ständnis hat es große Fortschritte gegeben. Wirständnis hat es große Fortschritte gegeben. Wir

können heute viel besser vorhersagen, von wel-können heute viel besser vorhersagen, von wel-

chen Materialien und Strukturierungen wir nochchen Materialien und Strukturierungen wir noch

bessere Eigenschaften erwarten können.bessere Eigenschaften erwarten können.

Wie hat sich der Wirkungsgrad von Elektroly-Wie hat sich der Wirkungsgrad von Elektroly-

sezellen mit den Jahren verbessert?sezellen mit den Jahren verbessert?

SCHLÖGL:UUm den Wirkungsgrad geht es dabei

gar nicht. Der ist mit über 90 Prozent ausrei-gar nicht. Der ist mit über 90 Prozent ausrei-

chend hoch. Es lohnt sich nicht, an dieser Stellechend hoch. Es lohnt sich nicht, an dieser Stelle

weiter zu forschen und zu verbessern. Das Pro-weiter zu forschen und zu verbessern. Das Pro-

blem ist ein anderes. Die Lebensdauer der Kata-blem ist ein anderes. Die Lebensdauer der Kata-

lysatoren ist noch zu kurz und ihr Austausch ver-lysatoren ist noch zu kurz und ihr Austausch ver-

ursacht natürlich Kosten. Zweitens neigen Elek-ursacht natürlich Kosten. Zweitens neigen Elek-

trolysezellen dazu, bei variablen Stromstärkentrolysezellen dazu, bei variablen Stromstärken

nicht stabil zu funktionieren. Doch der Stromnicht stabil zu funktionieren. Doch der Strom

aus Wind und Sonne unterliegt nun einmal star-

ken Schwankungen. Damit müssen die Zellen

noch besser zurechtkommen.

ROLDAN:Unsere Forschung hat zu viel stabile-

ren Elektrolysezellen geführt. Und die PEM-Zel-

len – PEM steht für Protonenaustauschmem-

bran –, die vor einem Jahrzehnt ausschließlich

im Labor existierten, sind heute ein großtechni-

sches Produkt. Das ist echter Fortschritt.

SCHLÖGL:Ergebnis von Grundlagenforschung.

ROLDAN:Doch wir müssen die Stabilität der

Zellen noch weiter verbessern. Die Katalysato-

ren sollten in der Praxis jahrelang funktionieren

oder schnell und preiswert auszutauschen sein.

Das ist ein Ziel unserer Forschung.

SCHLÖGL:Wichtig ist auch, dass die Produkti-

onsprozesse für Elektrolysezellen noch besser

und preiswerter werden. Man kann sich das der-

zeit wie Einzelanfertigungen von Hand vorstel-

len. In einer Welt des grünen Wasserstoffs brau-

chen wir aber kostengünstige Serienproduktion.

Wie lange dauert in Deutschland die Umset-

zung einer neuen Elektrolysetechnologie?

SCHLÖGL:Die meisten kommerziellen Elektro-

lysezellen nutzen heute immer noch Katalysato-

ren, die vor Jahrzehnten entwickelt wurden. Das

lässt sich nur durch die Entfesselung von Markt-

kräften beschleunigen. Die Politik sollte hier

Rahmenbedingungen setzen, die den Einsatz in-

novativer Technologien zur Herstellung von

Wasserstoff indirekt fördern.

ROLDAN:Und wir haben da ja durchaus einige

Innovationen zu bieten.

Die große Vision ist doch die Entwicklung ei-

ner künstlichen Fotosynthese, oder?

SCHLÖGL:WWWenn Sie damit ein künstliches Blattenn Sie damit ein künstliches Blatt

meinen, ein biologisches System, das aus Son-

nenlicht und CO 2 Wasserstoff produziert, so

liegt eine solche Technik noch weit in der Zu-

kunft. Doch wenn man unter künstlicher Foto-

synthese technische Prozesse versteht, mit de-

nen sich die natürliche Fotosynthese nachahmen

lässt, so ist da heute schon vieles möglich.

ROLDAN:Zum Beispiel die Herstellung von Me-

thanol aus CO 2 und Wasserstoff. Das wird indus-

triell gemacht. Doch leider bislang nur mit blau-

em Wasserstoff. Und da wären wir wieder bei

der Schlüsseltechnologie Elektrolyse.

Ist bei Verbesserungen der Elektrolyse eher

die Physikerin oder der Chemiker gefragt?

SCHLÖGL:Beide. Wir benötigen interdisziplinä-

re Teams, um die komplexen Probleme zu lösen.

Leider haben wir große Schwierigkeiten, gute

neue Mitarbeiter zu gewinnen. Es gibt zwar vie-

le, die irgendetwas mit Energie machen wollen.

Doch man wird da ohne eine grundlegende wis-

senschaftliche Ausbildung nicht wirklich etwas

beitragen können. Die Energiewende wird nicht

gelingen, wenn wir nicht genügend viele Leute

für die dafür notwendige Forschung ausbilden.

So wird Wasserstoff

GRÜN

Bei der Energiewende setzt die Politik

auf Wasserstoff. Doch bislang entsteht

bei dessen Produktion schädliches CO 2.

Zwei Experten erklären, wie sich der

Energieträger klimafreundlich herstellen ließenergieträger klimafreundlich herstellen ließe

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