Zu Wasser, zu Lande und in der Luft

Wasserstoff hat eine zentrale Bedeutung für die Reduktion der Treibhausgase in allen Sektoren – auch der Mobilität. So können grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte fossile Treibstoffe wie Benzin, Diesel, Kerosin oder Schweröl ersetzen. Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen wiederum liefern Strom für Elektromotoren.

Der Einsatz von Wasserstoff ist überall dort sinnvoll, wo batterieelektrische Antriebe nicht praktikabel oder technisch unmöglich sind. Das gilt für den Straßen- und Schienenverkehr genauso wie für die Schiff- und Luftfahrt. Dabei übernimmt Wasserstoff eine Doppelrolle: als Energielieferant für Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren sowie als Grundprodukt für strombasierte Kraftstoffe. Raffinerien produzieren diese so genannten E-Fuels, indem sie grünen Wasserstoff mit CO2 verbinden. In weiteren Prozessschritten erzeugen sie aus dieser Verbindung Energieträger, die chemisch weitestgehend identisch sind mit Benzin, Diesel, Kerosin, Methanol oder Methan.

Der besondere Charme der klimaneutralen synthetischen Kraftstoffe liegt darin, dass sie ohne Probleme in den bestehenden Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Ihr Nachteil sind die Energieverluste bei der Produktion – auf dem langen Weg von der Wasserstoff-Elektrolyse bis zum E-Fuel geht ein großer Teil der eingesetzten Energie als Abwärme verloren.

Der Zugverkehr glänzt schon heute mit einer guten Klimabilanz – kein Wunder, sind doch die meisten Strecken bereits seit Jahrzehnten elektrifiziert. Allerdings gibt es immer noch viele Trassen, auf denen Oberleitungen fehlen. Hier sind deutschlandweit rund 400 Dieseltriebwagen unterwegs. Hinzu kommt etwa die gleiche Anzahl an Rangierlokomotiven sowie Sonderfahrzeugen, die ebenfalls von Dieselmotoren angetrieben werden.

Der Bau von Oberleitungen ist auf vielen dieser Strecken wirtschaftlich oder technisch nicht machbar. Eine Alternative sind Brennstoffzellen-Triebwagen, die einen emissionsfreien Zugverkehr ermöglichen, ohne dass allzu großer Aufwand bei der Anpassung der Infrastruktur entsteht. Solche Triebwagen kommen auf Reichweiten von 600 bis 1.000 Kilometern. Deutschland ist international Vorreiter beim Einsatz von Wasserstoff im Zugverkehr. So soll demnächst in Hessen die weltweit größte Brennstoffzellen-Zugflotte auf die Schiene gesetzt werden. Allerdings stehen die Brennstoffzellen-Züge in Konkurrenz zu solchen mit batterieelektrischen Antrieben. Welches Konzept sinnvoller ist, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten vor Ort ab.

Die Container- und Kreuzfahrtschiffe, Frachter und Fähren auf den sieben Weltmeeren emittieren zusammen so viel Kohlendioxid wie ganz Deutschland. Meist kommt hier Schiffsdiesel zum Einsatz, ein besonders emissionsreicher Treibstoff. Zwar setzen einige Reedereien jetzt auch Schiffe ein, die Flüssiggas nutzen. Für das Erreichen der Klimaziele genügt das jedoch nicht. Klimaneutral wird die Seeschifffahrt künftig etwa durch den Einsatz von Ammoniak, der mit grünem Wasserstoff hergestellt wird. Ein so genannter Cracker an Bord trennt diese Wasserstoff-Stickstoff-Verbindung wieder. Der Wasserstoff wird dann genutzt, um einen Verbrennungsmotor anzutreiben. Warum der Umweg über Ammoniak, warum nicht gleich elementaren Wasserstoff einsetzen? Weil sich Ammoniak deutlich einfacher, effizienter, kompakter und sicherer in den Schiffen lagern lässt. Eine Alternative ist mit grünem Wasserstoff produziertes Methanol, das ebenfalls in Verbrennungsmotoren verwendet werden kann.

In der Binnenschifffahrt und im Fährverkehr über kurze Strecken sind – neben batterieelektrischen Antrieben – auch Brennstoffzellen eine Option. Hier fällt weniger ins Gewicht, dass Wasserstoff eine relativ geringe volumenbezogene Energiedichte aufweist, da die Schiffe einfacher nachtanken können – vorausgesetzt, die Häfen schaffen dafür die notwendige Infrastruktur. Schiffe sind jedoch nicht nur Verbraucher von Wasserstoff und seinen Folgeprodukten. Vielmehr können sie auch als Transportmittel für den Import der Energieträger aus anderen Kontinenten dienen. Allerdings zeigen Studien, dass sich dies erst bei Strecken von mehreren tausend Kilometern lohnt. Ist die Entfernung kürzer, sind Pipelines die wirtschaftlichere Option.

Bei der klimagerechten Gestaltung der Mobilität stellt der Flugverkehr wohl die größte Herausforderung dar, unter anderem weil der zur Verfügung stehende Raum für Treibstoffe in Flugzeugen begrenzt ist. Dazu kommen die hohen Sicherheitsanforderungen. Das macht den Einsatz von elementarem Wasserstoff zumindest auf der Mittel- und Langstrecke praktisch unmöglich. Denn seine volumenbezogene Energiedichte ist gering, und das Lagern von flüssigem Wasserstoff in den Flugzeugen ist alles andere als trivial.

Vielmehr bietet sich hier der Einsatz von synthetischem Kerosin an, das mit grünem Wasserstoff produziert wird. Es kann fossiles Kerosin ersetzen, ohne dass die Antriebe und Tanks modifiziert werden müssen. Auch die Tank-Infrastruktur an den Flughäfen lässt sich weiter nutzen. Die Raffinerie Heide plant, zusammen mit Partnern demnächst klimaneutrales synthetisches Kerosin für die Lufthansa herzustellen. Brennstoffzellen und Wasserstoffturbinen sind allenfalls auf Kurzstrecken eine Option. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet an Flugzeugen mit Elektromotor, der von einer Brennstoffzelle gespeist wird. Die Entwicklungsarbeit steht jedoch noch am Anfang.