Wasserstoff im Test für die urbane Energiewende

Allein Wasser kommt in den charakteristischen Aggregatzuständen gasförmig, flüssig und fest auf dem Planeten Erde vor, in der bedeutenden Menge von eineinhalb Milliarden Kubikkilometer.

Indessen kaum 3 % in Form von Süßwasser auf der Erdoberfläche auftreten. Davon ist nur ein Teil in Seen, Flüssen und Großtalsperren relativ leicht für den Menschen zugänglich – der Rest liegt in Gletschern, Schnee, Eis, Grundwasser, Bodenfeuchtigkeit und Sumpfwasser vor.

Vielfältiger Energieträger im Wettbewerb

Reiner Wasserstoff H₂ ist als natürliches Vorkommen auf der Erde lediglich in vernachlässigbaren Mengen zu finden – Spuren davon sind in höheren Schichten der Atmosphäre vorhanden. In den unteren atmosphärischen Schichten sowie der Lithosphäre, die Erdkruste und den äußersten Teil des Erdmantels umfasst, kommt Wasserstoff in chemisch gebundener Form vor.

Als elementarer Bestandteil von Wasser H₂O, ist Wasserstoff in großer Menge verwertbar. Ob dazu Quellwasser, Süßwasser oder salzhaltiges, demineralisiertes Meerwasser verwendet wird – für die elektrolytische Erzeugung reinen Wasserstoffs ist dies mittlerweile unerheblich.

„Im Vergleich zu kohlenwasserstoffbasierten Energieträgern stellt die klimaneutrale Nutzung von reinem Wasserstoff einen Vorteil dar. Denn es entsteht ausschließlich Wasser (H₂O) und weder Kohlenstoffdioxid (CO₂) noch Feinstaub“, betont die Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V., abgekürzt ASUE. Der nicht gewinnorientierte Interessenverband veröffentlicht Informationsmaterial und Ratgeber im Internet und auf einschlägigen Fachveranstaltungen – im Hinblick auf eine erfolgreiche Energie- und Wärmewende.

„Auf dem Energiemarkt stehen der Nutzung von Wasserstoff verschiedene gasförmige und flüssige Stoffe gegenüber. Ihnen allen ist gemein, dass bei der abschließenden thermischen Verwertung CO₂ abgegeben wird, je nach Ursprung auch klimaneutral“, führt die ASUE in der Broschüre „Wasserstoffanwendung in Industrie und Energiewirtschaft“ aus.

Wasserstoff trägt unterschiedliche Namen, je nach seinem Ursprung: grün, blau, grau, türkis oder weiß. Obwohl Wasserstoff stets ein farbloses Gas ist, geben Farben in der Bezeichnung Auskunft über die Art der Herkunft bzw. Herstellungsart.

Bedeutung in der Farbenlehre

Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser hergestellt, wobei für die Elektrolyse ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Unabhängig von der gewählten Elektrolysetechnologie erfolgt die Produktion von Wasserstoff CO₂-frei, da der eingesetzte Strom zu 100% aus erneuerbaren Quellen stammt und damit CO₂-frei ist.

Grauer Wasserstoff wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen. In der Regel wird bei der Herstellung Erdgas unter Hitze in Wasserstoff und CO₂ umgewandelt (Dampfreformierung). Das CO₂ wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben und verstärkt so den globalen Treibhauseffekt: Bei der Produktion einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 10 Tonnen CO₂.

Blauer Wasserstoff ist grauer Wasserstoff, dessen CO₂ bei der Entstehung jedoch abgeschieden und gespeichert wird. Das bei der Wasserstoffproduktion erzeugte CO₂ gelangt so nicht in die Atmosphäre und die Wasserstoffproduktion kann bilanziell als CO₂-neutral betrachtet werden.

Türkiser Wasserstoff ist Wasserstoff, der über die thermische Spaltung von Methan CH₄ (Methanpyrolyse) hergestellt wurde. Anstelle von CO₂ entsteht dabei fester Kohlenstoff. Voraussetzungen für die CO₂-Neutralität des Verfahrens sind die Wärmeversorgung des Hochtemperaturreaktors aus erneuerbaren Energiequellen sowie die dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs.

Weißer Wasserstoff liegt in der Erdkruste vor, allerdings in seltener Menge von ca. 670 Mrd. m³ wie in Mali, einem Binnenstaat Westafrikas – die Wüste Sahara bedeckt zwei Drittel der Landesfläche.

Grüner Wasserstoff ist das Öl von morgen

Obschon Kontinentaleuropa durch den Golfstrom klimatisch begünstigt ist, in Deutschland – geographisch zwischen dem 47. und dem 55. Breitengrad gelegen, mit meist weniger als 2000 Sonnenstunden pro Jahr – führt dies zum Zukauf von Energierohstoffen.

Als Industriestandort auf den Energieimport aus anderen Ländern angewiesen, wird Grüner Wasserstoff zum Megathema in Deutschland. Mit dem Ziel der Energieautarkie – Autarkie, altgriechisch als Selbständigkeit verstanden – will das Land stets in der Lage sein, den Energieeinsatz sicher zu decken.

„Die Zukunft gehört allein dem grünen Wasserstoff", betont Bundesforschungsministerin Anja Karliczek. „Bei der Nationalen Wasserstoffstrategie sollten wir grün, global und groß denken", so ihr Appell. An dieser Stelle setzt auch der DVGW an, der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. Die neue Studie „Wasserstoff zur Dekarbonisierung des Wärmesektors“ besagt: „Grüner Wasserstoff ist angesichts möglicher Importe nicht knapper als grüner Strom „Made in Germany“.

Der europäische Green Deal führt zur Zusammenarbeit, beispielsweise zur Wasserstoff-Partnerschaft mit Afrika – wie im internationalen Leuchtturmprojekt WASCAL (West African Science Service Centre on Climate Change and Adapted Land Use).

Vor Ort zur Hydrolyse aus Solar- oder Windstrom genutzt, ist der Vorteil von Wasserstoff, dass er über weite Distanzen transportiert und damit international gehandelt werden kann – per Schiff oder Pipeline aus Nordafrika, von der arabischen Halbinsel oder aus Südamerika. Wie die o.g. DVGW-Studie aufzeigt, ist der Transport von erneuerbarem Wasserstoff nach Deutschland mittelfristig wirtschaftlich.

Wie kommt der Geist aus der Flasche?

Bei der industriellen Wasserstoffherstellung gelang bereits vor hundert Jahren der Durchbruch mittels Dampfreformierung – weltweit liefert derzeit Erdgas etwa 70 % des jährlich benötigten Wasserstoffs. Die unterschiedlichen Methoden in Herstellung und Gewinnung spiegeln sich in den eingangs erwähnten verschiedenen Bezeichnungen wider.

Zur Erzeugung grünen Wasserstoffs sind verschiedene Verfahren bekannt, in Deutschland gewinnt die Elektrolyse eine wachsende Verbreitung. Grundsätzlich ist das Verfahren der Wasserelektrolyse ein etabliertes Verfahren. Die elektrochemische Wasserzersetzung erfolgt räumlich getrennt in zwei Teilreaktionen. Beide Reaktionsräume sind durch eine ionenleitende Schicht (Membran, Diaphragma, Keramik) voneinander getrennt, die mit einer Elektrolytlösung getränkt ist. Durch den Elektrolyten erfolgt der Ladungstransport. Es gibt im Wesentlichen drei Arten der Wasserelektrolyse: die alkalische Elektrolyse mit einem flüssigen, basischen Elektrolyt, die saure PEM-Elektrolyse mit einem protonenleitenden, polymeren Festelektrolyt und die Hochtemperatur-Elektrolyse mit einem Festoxid als Elektrolyt.

Überschüssigen Strom nutzen

Neue Speicherkonzepte und intelligente Energienetze sind zentrale Elemente eines Energiesystems, das auf Erneuerbaren Energien basiert. Da Sonne und Wind nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen, ist eine regenerative Stromerzeugung unbeständiger als die der konventionellen Großkraftwerke. Für Überschüsse, die zu sonne- oder windreichen Zeiten erzeugt werden, müssen Speicherlösungen oder intelligente Netze entwickelt werden.

In der neuen BMBF-Strategie "FONA", das Akronym steht für „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“, heißt dazu das Motto: „Wissen, wie Zukunft geht. – Es geht darum, Wissen zu schaffen. Es geht aber ebenso darum, Wissen anzuwenden und Forschungsergebnisse schneller in die Praxis zu bringen. Nur so entstehen grüne Innovationen, die unser Leben besser machen. Es geht um Zukunftstechnologien in den Bereichen Grüner Wasserstoff, Kreislaufwirtschaft, Klimaschutz und Bioökonomie.“

Dieser erstmalig in einem innerstädtischen Quartier geplante Ansatz hat eine signifikante Effizienzsteigerung des Elektrolyse-Betriebs zur Folge. Neben dem Ziel einer hohen erneuerbaren Eigenversorgung wird zur Steigerung der Gesamteffizienz die beim Elektrolyseprozess anfallende Abwärme im Quartier genutzt. Dadurch kann der Nutzungsgrad von rund 55–60 Prozent auf 80–85 Prozent angehoben werden. Die Infrastruktur deckt den Bedarf für Heizung und Warmwasser der Gebäude und ermöglicht im Sommer über die Einbindung von Adsorptionskälte-Anlagen die Bereitstellung von Kühlenergie.

"P2G2P" – mit Pilotanlagen zur Energiewende

In der Energiezentrale des „Klimaquartiers – Neue Weststadt“ bildet ein Elektrolyseur das Herzstück, der überschüssigen Strom aus erneuerbaren Erzeugungsanlagen in Wasserstoff umwandelt und die Energie auf diese Weise speicherfähig macht. Der hierfür benötigte Strom stammt aus lokalen Photovoltaik-Anlagen sowie aus Erzeugungsanlagen, die von außerhalb überschüssigen, erneuerbaren Strom über das öffentliche Stromnetz liefern. Dieser energiewendedienliche Betrieb gilt als wichtiger Baustein im Kontext der Transformation des bundesdeutschen Energiesystems hin zu einer rein erneuerbaren Energieversorgung.

Energiespeicher trennen den Zeitpunkt der Erzeugung und des Verbrauchs voneinander. Die Förderinitiative Energiespeicher der „FONA“ soll dazu die notwendigen technologischen Durchbrüche liefern und zu einer schnellen Markteinführung neuer Energiespeichertechnologien beitragen.

Für eine Zukunft mit einem sehr hohen Anteil an regenerativer Stromerzeugung ist das Konzept von Power-to-Gas P2G vielversprechend. Es sieht vor, überschüssigen Wind- oder Solarstrom zur Wasserspaltung zu nutzen und den entstehenden grünen Wasserstoff über Brennstoffzellen zurück in Strom zu wandeln oder in das Erdgasnetz einzuspeisen. Die Umwandlung von überschüssigem Wind- oder Solarstrom in Wärme ist demnach Power-to-Heat P2H, in flüssige Kraftstoffe ist Power-to-Fuel, sogenannte E-Fuels oder in Basischemikalien Power-to-Chemicals.

Die weltweit größte Power-to-Gas-Anlage entsteht derzeit im schweizerischen Dietikon. Dort bauen die beiden Viessmann Tochterunternehmen microbEnergy und Schmack Biogas mit dem örtlichen Energieversorger Limeco, in der die mikrobiologische Umwandlung von Wasserstoff zu Methan zur Anwendung kommt. Die Technologie wurde von microbEnergy entwickelt und zur Reife gebracht. Die Elektrolyse wurde von Siemens geliefert.

Dezentrale Versorgung ist die Zukunft

Der Charakter des Energieversorgungssystems wandelt sich von konventionellen, zentralen Großkraftwerken stärker zu einer dezentralisierten Struktur mit zahlreichen kleinen Erzeugungsanlagen. Dies erfordert eine Anpassung der regionalen und kommunalen Verteilnetze hin zu intelligenten Stromnetzen, in denen Erzeuger, Verbraucher, Speicher und Netzbetriebsmittel miteinander vernetzt sind. Die Forschung zum Ausbau der Stromnetzinfrastruktur und zur Einspeisung hoher Anteile Erneuerbarer Energien in die Übertragungs- und Verteilnetze erfolgt u.a. im Rahmen der Förderinitiative „Zukunftsfähige Stromnetze“.

So lässt sich bereits auf Gebäudeebene eine möglichst hohe ökologische Qualität der Energieversorgung erreichen.

Grüner Wasserstoff als edler Energieträger soll gezielt eingesetzt werden. Einen weiteren Beitrag zur effizienten Energienutzung und damit zur Energiewende leistet das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz KWKG, das Techniken zur effizienten Erzeugung von Strom und Wärme fördert, um durch die gekoppelte Erzeugung Brennstoff und Kohlenstoffdioxid CO₂ einzusparen.

Hohe staatliche Förderungen – Vorteil KWK

Die Kraft-Wärme-Kopplung KWK ist die gleichzeitige Gewinnung von elektrischer Energie und nutzbarer Wärme, die in einem gemeinsamen thermodynamischen Prozess entstehen: Die mechanische Energie wird meist unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt und die Wärme wird für Heizzwecke, als Nah- oder Fernwärme oder für Produktionsprozesse genutzt.

Durch gekoppelte Erzeugung von Wärme und Strom können Energiekosten erheblich gesenkt werden. Das BAFA ist der zentrale Ansprechpartner für die Förderung der Heizung als Einzelmaßnahme. Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) werden die Fördermittel für alle hocheffizienten bzw. erneuerbaren Heizungsarten vergeben.

Die kompakten Energie-Erzeugungsanlagen zur dezentralen Versorgung mit Strom und Wärme sind Blockheizkraftwerke BHKW. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und nutzen die ihnen zugeführte Primärenergie, z.B. in Form von grünem Wasserstoff, direkt vor Ort je nach Modulgröße bis zu über 90 %.

„Im Vergleich zu getrennter Energieerzeugung in Kraftwerk und Heizkessel sparen Blockheizkraftwerke bei gleicher Leistung nahezu 40 % der erforderlichen Primärenergie“, so schätzt dies Buderus – vor der Entscheidung zu einer Investition in eine Anlage sollte eine genaue Berechnung und Bedarfsanalyse stehen.

Zur zügigen Defossilisierung der Volkswirtschaft, sollte alle verfügbare, effiziente Technik geprüft werden. Erneuerbarer Wasserstoff zählt zur zukünftigen Nutzung zu den hoffnungsvollen „Windows of Opportunity“ – zunächst verbunden mit Investitionen, die langfristig einzahlen in die Begrenzung des Klimawandels.

Innovative Energieversorgungs-Konzepte

Reallabore sind Testräume für Innovation und Regulierung, um unter realen Bedingungen neue Technologien, Produkte, Dienstleistungen und Ansätze zu erproben. Die Ergebnisse solch zeitlich begrenzter Experimentierräume bieten die Grundlage für Integrale Planung – im Wettbewerb um die Zukunft.

„Beim Leuchtturmprojekt in Esslingen arbeiten verschiedene PartnerInnen interdisziplinär zusammen und an den Grundlagen für eine zukunftsfähige Energieversorgung eines klimaneutralen Stadtquartiers“, erläutert der Projektleiter Tobias Nusser, M. Sc.

Zur Erreichung der Ziele des Pariser Klimaabkommens, spielt der Wärmesektor eine wichtige Rolle. Doch führt erst die Koppelung des Energieversorgungskonzepts mit dem Mobilitätsbereich zum besonderen Stellenwert. Lesen Sie dazu mehr im nächsten Teil dieser Artikelreihe – über den Zusammenhang einer langfristigen und nachhaltigen Stadtentwicklung über die Quartiersgrenzen hinaus.

Quellenangaben:

Dr. Katja Walther, Stadt Esslingen am Neckar https://neue-weststadt.de/informationszentrum

Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V., ASUE

Tyczka Energy GmbH, Gammel Engineering GmbH, Grundlagen der Gastechnik

Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF

Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V., DVGW

Siemens Energy Global GmbH & Co. KG

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Manfred Norbert Fisch, Wissenschaftliche Projektleitung des Steinbeis Innovationszentrum Energie-, Gebäude- und Solartechnik (SIZ)

FONA Forschung für Nachhaltigkeit Förderinitiative „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung

EGS-plan Ingenieurgesellschaft für Energie-, Gebäude- und Solartechnik mbH, Stuttgart

Limeco, Viessmann / microbEnergy und Schmack Biogas, Dietikon / Schweiz

Buderus, Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar

Tobias Nusser, M. Sc., Projektleiter Steinbeis-Innovationszentrum energieplus, Stuttgart