Wasserstoff als Brennstoff

Fossile Brennstoffe stehen unter kritischer Beobachtung. Nicht nur die Endlichkeit der Vorräte, sondern auch die umweltbelastenden Schadstoffe, die bei einer Verbrennung frei werden, sorgen für ein Umdenken. Als Alternative wird häufig Wasserstoff genannt. Seine Eigenschaften lassen hohe Erwartungen zu. Allerdings müssen für den Einsatz als Brennstoff einige Rahmenbedingungen geschaffen werden.

Das Heizen und Kühlen von Gebäuden verursacht in Europa rund 36 % der CO₂-Emissionen. An dieser Stelle wird deutlich, welches Reduzierungs-Potenzial in diesem Bereich liegt. Besonders Haushalte und kleinere Unternehmen werden zukünftig eine große Rolle spielen, wenn es um die Dekarbonisierung geht. Der Brennstoff Wasserstoff setzt genau an dieser Stelle an und lässt sich gut als Alternative zu Öl und Gas einsetzen. Allerdings setzt das eine Infrastruktur voraus, die aktuell noch im Entstehen ist. Feldtests beweisen jedoch, dass viele heutige Gas-Brennwertkessel bereits mit einem Gasmix aus 80 % Erdgas und 20 % Wasserstoff betrieben werden könnten und damit ein großer Beitrag zum Klimaschutz möglich wäre.

Brennstoffzellen als neue Alternative
Über zwei Jahrzehnte investierte die herstellende Industrie bereits in die Erforschung und Produktion von Brennstoffzellenheizgeräten. In den letzten zwei Jahren fanden so immer mehr dieser Wärme- und Stromerzeuger den Weg in den Markt. Der Vorteil gegenüber einem BHKW liegt in der direkten Energieumwandlung. Während das BHKW einen Motor für die Produktion verwendet, nutzt die Brennstoffzelle einen rein elektro-chemischen Prozess für die Bereitstellung von Wärme und Strom. Dadurch laufen die Geräte auf Erdgasbasis absolut geräuschlos und mit einem sehr geringen CO₂-Ausstoß – bis zu 50 % weniger als bei herkömmlichen Brennwertkesseln. Damit gilt die Technologie aktuell als leiseste und effizienteste Form, um aus Erdgas Strom und Wärme zu erzeugen.
Brennstoffzellenheizgeräte wandeln mithilfe eines Reformers Erdgas in reinen Wasserstoff und CO₂ um. Der gewonnene Wasserstoff reagiert dann mit zugeführtem Sauerstoff aus der Luft in einer umgekehrten Elektrolyse zu Wasser. Bei diesem Prozess entstehen Wärme und Strom. Der Vorgang wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Man unterscheidet zwei Varianten: die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit Keramik-Membran für den Hochtemperaturbereich von 650 bis 1000 °C und die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEM) mit einer Membran aus Kunststoff für den Niedrigtemperaturbereich von 70 bis 90 °C.

Erste Schritte sind getan
Die Brennstoffzelle eignet sich mit ihren Eigenschaften in Neu- und Altbauten als Alternative zu reinen gasbetriebenen Geräten, denn die Anlagen können ohne Probleme in das bestehende Gasnetz eingebunden werden. In der Regel werden die Strom- und Wärmeproduzenten als Grundlastmodul verwendet und mit einem Gas-Brennwertgerät für die Spitzenlasten kombiniert.
Wenn es um die Nutzung von Wasserstoff als Brennstoff geht, ist der Einsatz von Brennstoffzellen mit Reformer der erste Schritt. Weitere werden folgen, beispielsweise die Beimischung von Wasserstoff in das Gasnetz. Geplant sind zunächst bis zu 20 %. Somit kann zum einen die Effizienz der Geräte angehoben werden, zum anderen kann nicht genutzte Energie aus erneuerbaren Quellen in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Allerdings ist die Einbringung des Mediums in das reguläre Gasnetz nicht ohne Weiteres umsetzbar. Erdgasautos können zum Beispiel mit einem solchen Erdgas-Wasserstoff-Mix nicht betankt werden. Hier sind Anpassungen nötig. Auch die bereits installierten Gas-Brennwertgeräte müssen auf die neue Situation abgestimmt werden. Die Handlungsbereitschaft einzelner Wärmeerzeugerhersteller ist bereits erkennbar. So hat die BDR Thermea Group, zu der auch Brötje gehört, jüngst bestimmte Geräteserien für eine Beimischung von bis zu 20 % Wasserstoff zertifizieren lassen.

100 % Wasserstoff als Energielieferant
Als erklärtes Ziel gilt, reinen Wasserstoff als Energieträger zu nutzen. Doch das wird bis zum umfangreichen Einsatz noch einige Zeit dauern. Dafür muss vorrangig eine Infrastruktur geschaffen werden. Möglich wäre das in Form von Quartierslösungen. Hier würden z. B. 50 bis 100 Häuser an eine dezentrale Wasserstoffversorgung angeschlossen, die dann mit Brennstoffzellenheizgeräten oder auch Wasserstoffheizgeräten beheizt würden. Aktuell sind solche Systemgrößen jedoch noch nicht verfügbar. An dieser Stelle muss die Entwicklung weiter vorangetrieben werden.
Ob sich der Einsatz von reinem Wasserstoff generell umsetzen lässt und welche Anpassungen noch vorgenommen werden müssen, wird aktuell in einem Feldtest in den Niederlanden untersucht. Seit Mitte 2019 testet die BDR Thermea Group im niederländischen Rozenburg nahe Rotterdam die weltweit ersten wasserstoffbetriebenen Haushaltskessel unter realen Bedingungen. Der Wärmeerzeuger wurde im konzerneigenen Kompetenzzentrum für Forschung und Entwicklung in Italien entwickelt. Das Projekt in den Niederlanden ist auch für den deutschen Heizungskesselanbieter Brötje als Mitglied der BDR Thermea Group von hoher Bedeutung. Ziel des Projektes ist es, eine breite Basis für Heizungs- und Warmwasserlösungen zu finden, die ohne Kohlendioxid-Emissionen auskommt. Das Funktionsprinzip bleibt das gleiche, wie bei einem mit Erdgas betriebenen Heizkessel. Den Wasserstoff liefert in diesem Fall ein Netzbetreiber über eine ehemalige Erdgasleitung. Das zeigt auch, dass sich ein vorhandenes Gasnetz technisch zum Transport von Wasserstoff eignet. Die Installation des Wasserstoffkessels erfolgte im Heizraum neben einem konventionellen Erdgaskessel, um die Versorgung jederzeit sicherstellen zu können.
Nach dem ersten Pilotversuch in den Niederlanden steht in Großbritannien ein weiterer Feldversuch an. In den nächsten zwei Jahren sollen dort über 400 Wasserstoffkessel installiert werden. In diesem Zusammenhang sind auch andere Netzbetreiber und Gebäudeeigentümer in Europa eingeladen, sich an möglichen weiteren Feldversuchen zu beteiligen, um die Entwicklung der CO₂-freien Heizung voran zu treiben.

Weitere Stellschrauben sind nötig
Neben der Infrastruktur sind noch weitere Hürden zu meistern. Beispielsweise ist die Massenherstellung von Wasserstoff nicht unter allen Umständen förderlich. In der Regel wird der Wasserstoff mittels Dampfreformierung produziert. Als Rohstoff dient Erdgas. Das Verfahren ist zwar kostengünstig, erzeugt allerdings auch Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die Gewinnung von Wasserstoff durch Elektrolyse ist dagegen umweltfreundlich, aber auch erheblich teurer. Bei dem Vorgang wird Wasser mittels Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Es bietet sich daher an, für diesen Prozess lediglich überschüssigen Strom aus regenerativen Quellen zu nutzen.
Da es sich um eine sehr junge Technologie handelt, fehlen überdies Normen und Regelwerke fast gänzlich. Diese müssen erst erarbeitet werden (Anmerkung der Redaktion: siehe Textkasten TRGI 2018). Die Geräte an sich gelten als bedenkenlos einsetzbar, genau wie Wasserstoff selbst. Unbegründet sind die Ängste vor Explosionen oder Brand. Das Risiko ähnelt dem von Erdgas. Es werden Sicherheitssensoren eingesetzt, die in anderen Produkten bereits Verwendung finden. 

Autor: Burkhard Maier, Bereichsleiter Marketing, August Brötje GmbH

Bilder: August Brötje GmbH

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