WASSERSTOFF – HYPE ODER REVOLUTION – AUS SICHT DER ENERGIEWENDE.

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In der letzten Zeit überschlagen sich die Meldungen über das Thema Wasserstoff. So wurde die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung beschlossen, Wasserstoffaktien sind (bis Anfang des Jahres) durch die Decke gegangen und Zeitungen titeln Schlagzeilen wie Wasserstoff das Öl der Zukunft oder kommt jetzt die Wasserstoff-Revolution? Aber was steckt eigentlich dahinter? Was sorgt für diesen seit längerem aufflammenden Hype, schließlich ist Wasserstoff keine absolute Weltneuheit? Und wieso könnte Wasserstoff eine Schlüsselrolle in unserer Energiewende einnehmen? In den nächsten 5 Schritten werde ich die Antworten auf diese Fragen liefern. Dabei wünsche dir viel Spaß!

In diesem Artikel wird es darum gehen die Gründe für den aktuellen Hype um Wasserstoff aus Sicht der Energiewende so einfach wie möglich zu erklären. Dafür werde ich in 5 Schritten vorgehen und im ersten zeigen warum Wasserstoff eben nicht gleich Wasserstoff ist. Dann werde ich die derzeitigen Probleme der Energiewende aufführen und im nächsten Schritt zeigen welche Anwendungsgebiete Wasserstoff haben kann. Im vierten Schritt werde ich dann die Frage beantworten wie Wasserstoff diese derzeitigen Probleme der Energiewende lösen könnte. Im fünften Schritt werde ich dann die möglichen Ausbaupfade anhand der Ziele der Bundesregierung aufführen und zeigen welches Potential jetzt tatsächlich in der Wasserstofftechnologie in den nächsten Jahren schlummert oder ob das Ganze wirklich nur ein großer unbegründeter Hype ist.

Wasserstoff ist das leichteste und häufigste chemische Element des Universums und steht in unserem Periodensystem an der ersten Stelle, da es nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. In unserem gesamten Sonnensystem stellt Wasserstoff ca. 75 % der gesamten Masse dar und kommt in fast allen organischen Verbindungen vor. Dabei ist Wasserstoff kein Einzelgänger und tritt unter normalen Bedingungen nicht als atomarer Wasserstoff auf, sondern nur als molekularer Wasserstoff H2. Auf unserer Erde kommt Wasserstoff allerdings nur sehr selten in dieser molekularen Form als H2 vor und ist zum größten Teil mit anderen Elementen bereits gebunden.

So befindet sich der größte Teil des Wasserstoffs auf der Erde gebunden als Bestandteil des Wassers oder auch beispielsweise als Bestandteil von Erdgasen. Das bedeutet allerdings, dass wir diesen Wasserstoff nicht irgendwo abbauen oder fördern können, sondern wir müssen für die Herstellung dieses molekularen Wasserstoffs immer Energie einsetzen, die entweder chemische Energie oder von außen zugeführte elektrische Energie sein kann.

Es ist für die Gewinnung von Wasserstoff also immer ein Herstellungsprozess notwendig und genau das ist der Grund warum Wasserstoff nicht gleich Wasserstoff ist, denn am Ende kommt zwar immer Wasserstoff raus, aber der Herstellungsprozess kann sich erheblich voneinander unterscheiden. In der Diskussion über Wasserstoff spricht man deshalb oft über grauen, grünen, blauen oder türkisen Wasserstoff, denn je nach Herstellungsprozess wird dem Wasserstoff eine Farbe zugeordnet.

Als grauen Wasserstoff bezeichnet man Wasserstoff der auf dem Einsatz von fossilen Kohlenwasserstoffen basiert. Maßgeblich für die Produktion von grauem Wasserstoff ist die (Dampf-) reformierung von Erdgas. Diese Erzeugungsart stellt derzeit den größten Anteil der Herstellungsarten dar und macht ca. 68 % aus. Darüber hinaus gibt es weitere Verfahren in denen die Ausgangsstoffe Öl oder Kohle genutzt werden können. Die Erzeugung aus einem dieser fossilen Kohlenwasserstoffe in Form von Erdgas, Kohle oder Öl ist mit erheblichen CO2-Emissionen verbunden, so werden ca. 10 t / CO2 pro Tonne Wasserstoff bei der Herstellung aus Erdgas freigesetzt.

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, das bedeutet das H2O, also das ganz normale Wasser, mithilfe von elektrischer Energie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Wird bei diesem Herstellungsverfahren ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien verwendet, erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO2-frei. Diese Erzeugungsform von Wasserstoff macht derzeit allerdings erst ca. 5 % aus. Warum genau diesem grünen Wasserstoff die größte Bedeutung in den zukünftigen Betrachtungen zukommt, dazu werde ich später mehr erzählen.

Als blauer Wasserstoff wird grauer Wasserstoff bezeichnet, dessen Erzeugung mit einem CO2-Abscheidungs- und -Speicherungsverfahren gekoppelt wird. Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO2 gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell ebenfalls als CO2-neutral betrachtet werden.

Als türkiser Wasserstoff wird Wasserstoff bezeichnet, der über die thermische Spaltung von Methan hergestellt wurde. Anstelle von CO2 entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO2-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperatur-reaktors aus Erneuerbaren sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Das waren jetzt schonmal die vier Herstellungsmethoden wie man Wasserstoff erzeugen kann und die Erklärung warum Wasserstoff halt nicht gleich Wasserstoff ist.

2015 wurde mit dem Pariser Klimaschutzübereinkommen ein weltweites Ziel zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen von insgesamt 173 Staaten unterzeichnet. Diese haben das Ziel den Anstieg der Erderwärmung auf ein Maß von höchstens 2, eher sogar auf ein Maß von 1,5 Grad zu begrenzen und zwischen 2050 und 2100 unsere Weltwirtschaft treibhausgasneutral werden zu lassen. Diese Ziele gilt es zu erreichen und alle folgenden Herausforderungen resultieren daraus, dass diese Ziele erreicht werden müssen, um das Leben auf diesem Planeten auch noch nach dem Jahr 2100 lebenswert zu gestalten.

Für die Erreichung dieser Ziele wurden kleinere nationale bzw. regionale Ziele vereinbart. Für Europa besteht zum Beispiel das Ziel die Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80 bis 95 % gegenüber 1990 zu reduzieren [Quelle].

Aber was genau bedeutet das? Treibhausgasemissionen sind beispielsweise CO2, Methan, Lachgas oder F-Gase und entstehen zum größten Teil nämlich zu insgesamt 80 % aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe . Fossile Brennstoffe sind neben Erdöl und Erdgas auch Stein- oder Braunkohle.

Und welche Möglichkeiten haben wir jetzt die Reduzierung der Treibhausgasemissionen weiter vorantreiben? Bill Gates hat dazu mal eine vereinfache Formel für den menschlichen Ausstoß von Treibhausgasen in einem seiner TED-Talks verwendet. Der CO2 Ausstoß der Welt ergibt sich aus der Anzahl Menschen mal den genutzten Leistungen pro Person (wie Nahrung, Kleidung, Elektronikgeräte, Autos) mal der Effektivität der Geräte bzw Energieverbrauch der Geräte mal der CO2 Emissionen, die pro genutzter Energieeinheit für diese Leistungen freigesetzt werden.

Bis 2050 wird es zu keinem drastischen Rückgang der Weltbevölkerung kommen und auch die Anzahl der Geräte pro Person wird sich wahrscheinlich weiter erhöhen. Immerhin kann der Energieverbrauch durch Energieeffizienzmaßnahmen bei Gebäuden, Transport und industriellen Verfahren laut einer Studie (der Internationalen Energieagentur (IEA)) bis 2050 um bis zu 33 % gesenkt werden. Trotzdem wird das nicht ausreichen die Ziele der Treibhausgasreduzierung zu erreichen. Aus diesem Grund müssen Technologien genutzt werden, die keine Treibhausgase bei der Energieumwandlung emittieren.

Somit steht die Welt, um die Ziele der Treibhausgasreduzierung zu erreichen, vor den Herausforderungen der Dekarbonisierung und der Defossilisierung, also der Abkehr von fossilen Energieträgern hin zu treibhausgasneutralen Energieformen bzw. Energieträgern. Da die Umstellung des Energiesystems keine Aufgabe ist, die in 2 Jahren gelöst werden kann, wurden bereits vor einigen Jahren erste Gesetze und Vereinbarungen beschlossen. In Deutschland wurde im Jahr 2000 das Erneuerbare Energien Gesetz eingeführt. Dieses EEG hatte zur Folge, dass bis heute bereits knapp 40 % der Stromerzeugung in Deutschland auf Erneuerbaren Energien und somit Treibhausgasneutralen Energieerzeugungsmethoden basiert.

Jetzt könnte man erstmal sagen das ist ja super. Ist es im Grunde auch. Aber schaut man sich den Energiebedarf von Deutschland an, erkennt man, dass die größte Energienachfrage gar nicht im Stromsektor, sondern in den Sektoren Wärme und Verkehr besteht. Es werden nämlich lediglich 21,3 % unseres Energiebedarfs als elektrische Energie benötigt. Der Energiebedarf für Wärme, also Prozesswärme in der Industrie und Raumwärme für deinen Haushalt beträgt sogar 48,8 % und im Verkehrssektor werden knapp 29,9 % der Energie genutzt [Quelle]. Und diese Sektoren basieren leider erst zu 14,2 % bzw. erst zu mickrigen 5,7 % auf Treibhausgasneutralen erneuerbaren Energienformen. Bis heute haben sich also die meisten unsere Bemühungen darauf konzentriert den Stromsektor zu dekarbonisieren.

Im zweiten Schritt der Energiewende muss jetzt auch der Energieverbrauch aus fossilen Energieträgern in den anderen Sektoren durch erneuerbare Energieträger ersetzt werden, um die CO2 Emissionen in der genannten Formel zu reduzieren und so das Ziel der Senkung um 80 bis 95 % bis 2050 zu erreichen.

Weitere Herausforderungen der Energiewende sind, dass die bereits hohe Erzeugung aus erneuerbaren Energien im Stromsektor oftmals von der Nachfrage abweicht. Dieses Problem wird sich auch in den nächsten Jahren mit steigenden Ausbauzahlen noch verstärken.

Die schwarze Linie stellt den Stromverbrauch mal ganz stark vereinfacht verteilt über einen Tag da. Die blaue Linie stellt die Stromerzeugung aus Wind dar und man sieht, dass es morgens noch ziemlich windig war und abends Flaute herrschte. In den Mittagsstunden produziert auch die Photovoltaik Strom und ist gelb dargestellt. Herausforderung 1, die daraus folgt, ist, dass in den Abendstunden die Stromerzeugung die Nachfrage nicht decken kann. Der Strom muss also speicherbar und für die Zeiten verfügbar gemacht werden in denen kein erneuerbarer Strom zur Verfügung steht.

Herausforderung 2 ist, dass in bestimmten Regionen viel zu viel Strom zur Verfügung steht. So besteht in Schleswig Holstein zum Beispiel das Problem das im Jahresmittel die Gesamtstromerzeugung aus erneuerbaren Energien die gesamte Stromnachfrage im Jahr 2025 voraussichtlich zu fast 150 % übersteigen wird. Also selbst wenn wir den Strom speichern können und in den Zeiten nutzen in denen die Erzeugung aus erneuerbaren nicht ausreicht, könnte er lokal nichtmal komplett genutzt werden. Man müsste also den Strom über Stromtrassen in Stromhungrigere Regionen Deutschlands oder Europa transportieren, wobei dies weitere Herausforderungen hervorruft, da das Netz nicht unbegrenzt Strom transportieren kann und deshalb oftmals das Netz in Regionen mit vielen Erneuerbaren Energien abgeschaltet werden muss. In diesen Regionen wird deshalb derzeit der Netzausbau fokussiert.

Eine andere Möglichkeit wäre aber es den ohnehin in der Region bestehenden Energiebedarf der noch nicht aus erneuerbaren Energien gedeckt wird also für den Wärme- oder Verkehrssektor nutzbar zu machen.

Daraus folgt eine weitere Herausforderung, denn bestimmte Anwendungen wie die Luftfahrt, zu bestimmten Teilen der Schwerlastverkehr oder die Seeschiffahrt lassen sich auch langfristig nicht ausschließlich oder nur mit großem Aufwand rein elektrisch darstellen.

Außerdem gibt es noch einige weitere Herausforderungen wie zum Beispiel die Akzeptanz in der Bevölkerung für erneuerbare Energien. Diese muss gesteigert werden und die regionale Wertschöpfung erhöht werden. Da oftmals das Phänomen NIMBY vorherscht, was so viel heißt wie nicht in meinem Garten, da viele Leute zwar die Energiewende befürworten, dann aber die Maßnahmen die daraus folgen nicht mittragen möchten wie beispielsweise eine neue WEA in ihrem Blickfeld. Über die genannten Herausforderungen hinaus gibt es mit Sicherheit noch viele Weitere, ich habe mich jetzt aber mal auf die wesentlichsten konzentriert.

Also zusammengefasst: Herausforderungen der Energiewende sind die Erreichung der Klimaziele die mit einer Abkehr von fossilen Energieträgern einhergehen vorallem in Sektoren, die derzeit eher weniger bedacht wurden. Außerdem bedarf es einer Flexibilisierung des Systems durch Speicherung, die Herausforderung das bestimmte Sektoren nur schwierig elektrifiziert werden können sowie lokale und Akzeptanz-Herausforderungen

In diesem Schritt möchte ich zeigen in welchen Anwendungsgebieten Wasserstoff zukünftig denn überhaupt genutzt werden könnte. Wasserstoff ist als Energieträger potentiell sehr vielfältig einsetzbar und der erste Bereich, welcher wohl den meisten als erstes in den Sinn kommt, ist die Mobilität. Hier kann Wasserstoff als erste Möglichkeit direkt genutzt werden. Er kann gasförmig in Druckbehältern in Fahrzeugen gelagert, über eine Brennstoffzelle wieder in Strom verwandelt und mit diesem Strom ein Elektromotor angetrieben werden. Der grüne Wasserstoff reagiert dabei in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff und es entsteht neben Strom und Wärme wieder reines Wasser. Liest man sich Kommentare und Beiträge zum Thema durch bekommt man allerdings oft das Gefühl Mobilität ist der einzige Markt für Wasserstoff, die Mobilität besteht nur aus dem PKW-Verkehr und man sieht zum Teil wilde Grabenkämpfe zwischen Verfechtern der Batterieelektrischen Mobilität und der Wasserstoffmobilität. Neben dem PKW-Verkehr gibt aber auch den Bus- LKW- Schienen- und zukünftig auch der See- und Luftverkehr. Hier könnte Wasserstoff neben der direkten gasförmigen Nutzung in einigen Anwendungen indirekt über einen weiteren Zwischenschritt zu synthetischen Kraftstoffen umgewandelt werden. Der Vorteil hierbei ist, dass man bereits bestehende Verbrennungsmotoren und Systeme weiter nutzen könnte mithilfe des künstlichen Benzines, Diesel oder sogar Kerosin.

Eine weitere Möglichkeit Wasserstoff zu nutzen ist die stationäre energetische Nutzung für die Erzeugung von Strom und Wärme. Dabei kann zum Beispiel über die Einspeisung ins Erdgasnetz bzw. zukünftig auch die Einspeisung in ein Wasserstoffnetz der Transport zu Blockheizkraftwerken erfolgen. Diese Blockheizkraftwerke können im großen Stil für die Versorgung von Haushalten und der Industrie mit Wärme und Strom sorgen. Und im privaten Haushalt könnten kleinere Brennstoffzellenheizungen den Wärme- und Strombedarf decken.

In der Industrie findet Wasserstoff bereits heute im großen Stil Anwendung in der stofflichen Nutzung, also der Herstellung von anderen Stoffen auf Basis von Wasserstoff. Es werden bereits 55 TWh jährlich genutzt, was ungefähr 7,5 % des Gesamtendenergieverbrauchs des Industriesektors ausmacht. Von diesem Wasserstoff werden rund 55 % für die Ammoniaksynthese also zum größten für Düngemittel der Landwirtschaft, 25 % in Raffinerien für die Herstellung von Kraftstoffen und etwa 10 % für die Methanolherstellung genutzt.

Im vierten Schritt werden jetzt diese Puzzleteile der letzten drei Schritte zusammengesetzt und die Frage beantwortet wieso Wasserstoff zur Lösung der Herausforderungen der Energiewende beitragen könnte. Das Stichwort heißt hierbei heißt Sektorenkopplung.

Wasserstoff stellt potentiell eine ideale Verbindung zwischen den Sektoren Wärme, Strom und Verkehr da. Überschüssiger oder zu Zeiten geringerer lokaler Nachfrage erzeugter Strom kann zukünftig in Wasserstoff gewandelt werden. Dieser kann dann im Verkehrssektor genutzt werden und beispielsweise ÖPNV Busse mit Wasserstoff betreiben, die Brennstoffzelle des Privat-PKWs mit Strom versorgen oder uns nahezu emissionsfrei durch die Lüfte fliegen lassen. Durch die Einspeisung ins Wasserstoff- oder Erdgasnetz und der folgende Nutzung in Blockheizkraftwerken kann auch der Wärmesektor ebenfalls CO2 neutraler werden.

Im Industriesektor kann Wasserstoff den derzeitigen grauen Wasserstoff verdrängen. Es werden also quasi die Türen für die anderen Sektoren, die bisher nur wenig im Rahmen der Energiewende bedacht wurden und sich nur schwierig direkt mit elektrischer Energie CO2 neutral darstellen lassen.

Die Lösung der Herausforderung der notwendigen Flexibilisierung und Speicherbarkeit von elektrischer Energie wird ebenfalls durch die Eigenschaften von Wasserstoff möglich. Denn Wasserstoff kann in Druckbehältern, weiterverarbeitet als synthetischer Kraftstoff, in Pipelines oder möglicherweise zukünftig auch in Gaskavernen als Langzeitspeicher dienen. Kann die Erzeugung aus erneuerbaren Energien die Nachfrage nicht decken, könnte der Wasserstoff über Gaskraftwerke wieder verstromt werden und die Stromlücken schließen. Somit wäre eine Versorgung durch erneuerbare Energien auch zu Zeiten möglich in denen keine Sonne scheint und kein Lüftchen weht.

Auch die Akzeptanz für erneuerbare Energien könnte gesteigert werden, wenn man den Strom der ungeliebten WEA aus dem Garten erlebbar macht und den erzeugten Wasserstoff für die Tankung des PKWs und die Heizung des Hauses nutzt und der Strom nicht mehr in ganz andere Regionen des Landes verteilt werden muss.

Derzeit sind in Deutschland nur ca. 25 MW Elektrolyseleistung installiert. Bis 2030 hat die Bundesregierung mit ihrer nationalen Wasserstoffstrategie das Ziel formuliert die Erzeugungskapazität auf 5 GW zu erhöhen, was einem Zuwachs um 20.000 % entsprechen würde. Die Phase bis 2030 soll zum Markthochlauf und der Etablierung von Wasserstoff dienen.

Mit diesen 5 GW Erzeugungskapazitäten könnten allerdings erst ca. 14 TWh des Bedarfs für grünen Wassserstoff von ca. 90 bis 110 TWh gedeckt werden.

Bis 2035 sollen daher weitere 5 GW erbaut werden und für die Deckung des weiteren Wasserstoffbedarfs sieht die Bundesregierung den Import aus anderen europäischen oder afrikanischen Ländern mit günstigeren Stromkosten und mehr Sonnen- oder Windstunden als Möglichkeit an.

Um die Erzeugungskapazitäten in Deutschland mit grünem Strom zu versorgen, sollen gleichzeitig auch die dafür erforderlichen Offshore- und Onshore Energiegewinnungsanlagen entstehen. Für diesen Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur wurde deshalb im Konjunkturprogramm ein Volumen von 9 Milliarden € beschlossen.

Diese Zahlen könnten sich aber bis 2050 nochmal deutlich weiter erhöhen. Eine europäische Studie schätzt, dass bis 2050 in der Wasserstoff-Industrie europaweit über 5,4 Millionen Arbeitsplätze und ein Jahresumsatz von 800 Milliarden Euro entstehen können. Weltweit wird das Marktvolumen sogar auf 2,3 bis 2,5 Billionen Dollar geschätzt [Quelle]. Und schaut man sich die Nachfrage nach Sektoren an, sieht man, dass sich diese inbesondere ab dem Jahr 2030 sehr stark entwickeln wird.

Klingt ja bisher wirklich alles super was ich hier so schreibe  –  Lass uns doch einfach alles schnell umsetzten und dann bekommen wir das Klimaproblem doch easy gelöst. Aber so einfach ist das Ganze leider nicht, denn bei den ganzen beschriebenen Prozessen handelt es sich zum größten Teil um sehr teure Prozesse. Gründe dafür sind, dass die Technologie oftmals noch sehr neu ist, Infrastrukturen bisher nicht oder nur sehr wenig vorhanden sind, oftmals ziemlich hohe Wirkungsgradverluste auftreten und der grüne Strom oftmals aufgrund von Abgaben und Umlagen noch zu teuer ist.

Eine große Herausforderung für die Etablierung von Wasserstoff ist es daher über massive Investitionen und Marktanreize über Skaleneffekte die Kosten weiter zu senken und somit eine Infrastruktur und einen Förderungsfreien Markt zu schaffen. Auch die Einführung der CO2-Steuer könnte den grünen Wasserstoffpreis gegenüber konventionellen Wasserstoffpreisen verbessern. Denn grauer Wasserstoff für die Industrie ist derzeit noch sehr viel günstiger mit ca. 2 €/kg, während grüner Wasserstoff sich in einem Preis von 4 bis 8 €/kg bewegt. Und da in der Industrie der Markt schon besteht und nicht wie in der Mobilität erst geschaffen werden muss, besteht hier auch der größte Hebel für einen schnellen Markthochlauf in den nächsten 10 Jahren.

Fazit.

Abschließend kann man festhalten, dass der Hype um das Thema Wasserstoff nicht ganz unbegründet ist und sich dieser Energieträger zu einem Schlüssel der Energiewende mausern und sogar zu einer Revolution des Energiesystems führen könnte. Dennoch ist der Weg sehr, sehr lang. Es müssen erst Infrastrukturen erweitert, die ersten Anlagenkapazitäten aufgebaut und die Marktreife der Technologie geprüft werden. Außerdem sollte nicht vergessen werden, dass für Wasserstoff grüner Strom benötigt wird und wir natürlich nicht einfach unseren gesamten grünen Strom mit den entsprechenden Wirkungsgradverlusten dafür nutzen andere Sektoren zu dekarbonisieren, während für die Stromerzeugung wiederum Kohlekraftwerke hochfahren müssen. Will man also Wasserstoff langfristig eine bedeutende Rolle in unserem Energiesystem für die Sektorenkopplung zuordnen, muss es gleichzeitig mit einem massiven Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung einhergehen. Eine abschließende Antwort, ob Wasserstoff unser Energiesystem jetzt tatsächlich revolutioniert hat, werden wir also erst kennen, wenn wir uns 2050 mit grauen Haaren diesen Artikel wieder anschauen 🙃.

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