Hydrogen mon amour

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der die Weltenergie hauptsächlich aus der Sonne und dem Wind stammt. Dies ist ein Ziel, an dem viele Nationen arbeiten, aber diese Quellen folgen einem natürlichen Rhythmus: Die Sonne scheint nachts nicht, und der Wind weht nicht immer. Wenn das Wetter über mehrere Tage hinweg ruhig und dunkel bleibt, gerät das Stromnetz in einen Mangel. Um das Licht an den Lampen zu halten, benötigen wir eine Möglichkeit, Energie zu speichern. Eine Idee ist es, Wasserstoff zu nutzen – ein Gas, das mithilfe von Elektrizität aus Wasser hergestellt werden kann, lange Zeit gespeichert werden kann und dann bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt werden kann. Das Herstellen dieses Gases, sein Transport und die Rückverwandlung in Strom ist jedoch ein Prozess, bei dem viel Energie verloren geht, und er kann zudem Verschmutzung verursachen, wenn er nicht sorgfältig durchgeführt wird. Wissenschaftler stellen nun eine andere Frage: Anstatt diesen Brennstoff künstlich herzustellen, könnten wir ihn finden, wenn er bereits in der Erde auf uns wartet?

Diese Frage steht im Zentrum eines neuen Essays der Physiker Christophe Grojean und Patrick Janot, die untersuchen, wie der FCC – ein geplanter massiver Teilchenbeschleuniger – sich selbst mit Strom versorgen könnte, ohne stark auf Kernenergie angewiesen zu sein. Der FCC ist eine geplante Maschine, die die kleinsten Bausteine des Universums untersuchen wird, aber sie wird auch eine enorme Menge an Elektrizität benötigen – etwa 1,3 Terawattstunden pro Jahr. Während die Autoren argumentieren, dass der Großteil dieser Energie aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind stammen könnte, räumen sie ein, dass ein kleiner, aber signifikanter Teil dennoch aus Kernkraftwerken kommen muss. Kernenergie ist in Bezug auf Kohlenstoffemissionen sauber, produziert aber radioaktiven Abfall, was ein großes Problem für die Öffentlichkeit und die Umwelt darstellt. Die Autoren wollen sehen, ob es eine Möglichkeit gibt, diesen verbleibenden Kernenergieanteil und damit den damit verbundenen radioaktiven Abfall weiter zu reduzieren, indem man einen besseren Weg findet, jene Tage zu bewältigen, an denen Wind und Sonne ausfallen.

Die Autoren beginnen damit, die Optionen zur Energiespeicherung durchzugehen, wobei sie das Problem wie eine Reise behandeln. Der effizienteste Weg, Elektrizität zu nutzen, besteht darin, sie sofort zu verwenden, wenn sie erzeugt wird. Falls dies nicht möglich ist, ist der nächste beste Schritt, sie in Batterien zu speichern. Batterien sind hervorragend darin, Energie für einige Stunden zu halten, etwa vom Nachmittag bis zum Abend, und sie sind sehr effizient darin, die Energie wieder abzugeben. Wenn man jedoch versucht, Energie über mehrere Tage oder Wochen zu speichern, werden Batterien zu teuer und zu schwer. Für diese längeren Pausen, die als „dunkle Doldrums“ (Dunkelperioden) bekannt sind, schauen die Autoren auf Wasserstoff. Wasserstoff kann über lange Zeiträume in großen Tanks gelagert werden, aber der Prozess, Elektrizität in Wasserstoff umzuwandeln, ihn zu speichern und ihn wieder in Elektrizität umzuwandeln, ist sehr ineffizient. Man verliert dabei mehr als die Hälfte der ursprünglichen Energie auf dem Weg.

Das Papier untersucht dann die Idee, „grünen“ Wasserstoff mit Solarenergie in sonnigen Regionen weit entfernt herzustellen, ihn zum Beschleuniger zu transportieren und ihn wieder in Elektrizität umzuwandeln. Die Autoren berechnen, dass dies eine massive Solaranlage erfordern würde, die eine Fläche von etwa drei bis vier Kilometern auf jeder Seite bedeckt, und dass allein für die Solarpaneele etwa eine Milliarde Euro an Kosten anfallen würden. Selbst mit dieser riesigen Investition würde das System nur etwa 20 Prozent der ursprünglichen Energie zurückgewinnen. Sie kommen zu dem Schluss, dass dies zwar als Notlösung funktionieren könnte, aber zu ineffizient und zu teuer ist, um die primäre Lösung für den Bedarf des Beschleunigers zu sein. Die Autoren sind sich einig, dass Wasserstoff keine magische Brennstoffquelle ist; er ist lediglich ein Weg, Energie über die Zeit oder den Raum zu bewegen, und er ist mit einem hohen Preis in Form von Energieverlust und Kosten verbunden.

Nachdem sie die Idee ausgeschlossen haben, Wasserstoff nur zur Stromversorgung des Beschleunigers herzustellen, wenden sich die Autoren einer überraschenderen Möglichkeit zu: natürlichem Wasserstoff. Lange Zeit haben Geologen Wasserstoff, der unter der Erde vorkommt, ignoriert, weil sie nach Öl und Gas suchten. Jüngste Untersuchungen in der Region Lothringen in Frankreich haben jedoch signifikante Mengen an Wasserstoff entdeckt, die in Wasser tief unter der Erde gelöst sind. In einer spezifischen Bohrung, die in einer Tiefe von 3.655 Metern durchgeführt wurde, fanden Wissenschaftler Wasserstoff in den Gesteinsschichten. Einige Schätzungen deuten darauf hin, dass dieses Gebiet bis zu 46 Millionen Tonnen Wasserstoff enthalten könnte. Wenn diese Ressource real und zugänglich ist, wäre dies ein Wendepunkt, da sie nicht den energieintensiven Prozess des Spaltens von Wasser erfordern würde, um den Brennstoff zu erzeugen. Die Natur hätte die Arbeit bereits erledigt.

Die Autoren sind vorsichtig, dies nicht als gelöstes Problem darzustellen. Sie betonen, dass das Finden von Wasserstoff in einer Gesteinsprobe etwas völlig anderes ist, als einen stetigen Gasstrom aus einer Quelle zu haben. Die entscheidende Frage ist, ob das Reservoir jeden Tag genug Wasserstoff produzieren kann, um nützlich zu sein. Die aktuellen Daten zeigen, dass zwar Wasserstoff vorhanden ist, aber noch niemand eine industrielle Durchflussrate nachgewiesen hat, die groß genug ist, um eine Anlage wie den FCC zu versorgen. Die Autoren schlagen vor, dass, falls diese Ressource nachhaltig genutzt werden kann, sie eine der saubersten verfügbaren Energiequellen wäre, mit einem weitaus geringeren CO2-Fußabdruck als Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Sie würde nicht den radioaktiven Abfall erzeugen, der mit Kernkraft verbunden ist, und sie würde nicht die massiven Energieverluste erfordern, die mit der Herstellung von Wasserstoff aus Elektrizität einhergehen.

Der Essay schlägt einen praktischen Weg vor. Die Autoren schlagen vor, dass die Organisation hinter dem Beschleuniger, CERN, als „Ankernahmekunde“ (Launch Customer) fungieren könnte. Indem sie eine langfristige Vereinbarung unterzeichnen, um Elektrizität zu kaufen, die aus natürlichem Wasserstoff gewonnen wird, könnten sie dazu beitragen, die Entwicklung der Industrie zu finanzieren. Dies würde Wissenschaftlern und Ingenieuren die nötige Zuversicht geben, die notwendige Infrastruktur zu bauen, die Durchflussraten zu testen und zu beweisen, dass die Ressource real ist. Der Zeitplan passt gut: Wenn die für die späten 2020er Jahre geplanten Versuche erfolgreich sind, könnte die Industrie bereit sein, den Beschleuniger zu versorgen, wenn dieser im Jahr 2048 den Betrieb aufnimmt.

Letztendlich ist dieses Papier kein Versprechen, dass natürlicher Wasserstoff den Tag retten wird, sondern ein Aufruf, ihn ernsthaft zu untersuchen. Die Autoren argumentieren, dass wir aufhören sollten, davon auszugehen, dass alle Wasserstoff vom Menschen hergestellt werden muss. Stattdessen sollten wir nach dem Wasserstoff suchen, den die Erde seit Jahrtausenden produziert. Sie kommen zu dem Schluss, dass, während Fusionsenergie und andere fortschrittliche Technologien noch in weiter Ferne liegen, natürlicher Wasserstoff eine greifbare, unmittelbare Möglichkeit bietet. Die Herausforderung besteht nun darin, von der Hoffnung zu harten Daten überzugehen, den Durchfluss zu messen, den CO2-Fußabdruck zu prüfen und festzustellen, ob dieses „weiße Gold“ wirklich eine Ressource ist, auf die wir uns verlassen können. Die Antwort ist noch nicht bekannt, aber die Autoren glauben, dass es eine Frage ist, die es wert ist, gestellt zu werden, und eine, die die Art und Weise ändern könnte, wie wir unsere Zukunft mit Energie versorgen.