Heizen mit Was­ser­stoff – In­no­va­ti­ve Brenn­wert­tech­nik für die kli­ma­neu­tra­le Zukunft

Der Wärmesektor ist prädestiniert für den Einsatz von Wasserstoff | Schon heute könnten 20 Prozent Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden und den CO2-Ausstoß deutlich reduzieren | Viessmann entwickelt komplettes Portfolio für die Wasserstoff-Nutzung

Die Politik in Deutsch­land und der EU hat sich das am­bi­tio­nier­te Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 kli­ma­neu­tral zu werden und die CO2-Emis­sio­nen auf null zu re­du­zie­ren. Das gelingt nur, wenn auf die Ver­bren­nung fossiler En­er­gie­trä­ger ver­zich­tet wird. Statt­des­sen wird es im Wär­me­sek­tor zukünftig einen Mix aus strom­ba­sier­ten Lösungen, wie etwa Wär­me­pum­pen, sowie aus er­neu­er­ba­ren En­er­gie­trä­gern geben, bei­spiels­wei­se syn­the­ti­sches Methan und CO2-neutral erzeugter Was­ser­stoff. Ins­be­son­de­re der Was­ser­stoff wird eine zentrale Rolle spielen. Sein Einsatz ist der kon­se­quen­te Weg, den Wär­me­markt kli­ma­neu­tral zu machen. 

Wärmesektor ist prädestiniert für den neuen Energieträger

Was­ser­stoff fürs Heizen ist der Partner der Elek­tri­fi­zie­rung – er hilft Ver­brau­chern und Un­ter­neh­men, die In­ves­ti­tio­nen in eine CO2-freie Gebäude-Wär­me­ver­sor­gung zu stemmen. Eine Leit­stu­die der Deutschen Energie-Agentur (dena) zeigt auf: ein Mix aus Strom und Was­ser­stoff im Ge­bäu­de­sek­tor senkt die En­er­gie­sys­tem­kos­ten bis 2050 um min­des­tens 260 Mil­li­ar­den Euro. Denn der Ausbau von Strom­net­zen und Re­ser­vekraft­wer­ken – der bei der voll­stän­di­gen Elek­tri­fi­zie­rung des Wär­me­sek­tors er­for­der­lich wird – würde durch die Nutzung der be­ste­hen­den Gas­in­fra­struk­tur für Was­ser­stoff deutlich geringer ausfallen.

Außerdem lassen sich mit dem neuen En­er­gie­trä­ger sehr kurz­fris­tig si­gni­fi­kan­te Erfolge bei der Ver­rin­ge­rung der CO2-Emis­sio­nen erzielen. Heute schon könnten 20 Prozent Was­ser­stoff dem Erdgas im Netz bei­ge­mischt werden. Das würde die Treib­haus­gas­emis­sio­nen um rund 7 Prozent pro Jahr ver­rin­gern. Ein schnell wirksamer und si­gni­fi­kan­ter Beitrag zum Kli­ma­schutz.

Bis zu 30 Prozent Wasserstoff sind für moderne Vitodens Brennwertgeräte kein Problem

Die Technik, um solche Erdgas-Was­ser­stoff-Gemische in der Ge­bäu­de­be­hei­zung nutzen zu können, ist vorhanden und bereits viel­tau­send­fach im Markt. Die Gas-Brenn­wert­ge­rä­te der neuesten Vitodens 300er- und Vitodens 200er-Ge­ne­ra­ti­on können im Prinzip heute schon mit 20- bis 30-pro­zen­ti­gen Was­ser­stoff-Anteilen betrieben werden. Haus- und Woh­nungs­be­sit­zer, die sich für diese modernen Wand- und Kom­pakt­ge­rä­te ent­schei­den, sind deshalb für die Zukunft bestens gerüstet.

Nationale und internationale Strategien für den Ausbau von Infrastrukturen

Nationale und in­ter­na­tio­na­le In­itia­ti­ven werden in den kommenden Jahren den Ausbau einer Was­ser­stoff-In­fra­struk­tur vor­an­trei­ben. So stellte die Bun­des­re­gie­rung im Sommer 2020 ihre Nationale In­fra­struk­tur vor. Darin werden Fi­nanz­mit­tel in Höhe von insgesamt 9 Mil­li­ar­den Euro für die gezielte Wei­ter­ent­wick­lung einer Was­ser­stoff­in­fra­struk­tur an­ge­kün­digt. Zur gleichen Zeit ver­öf­fent­lich­te die EU-Kom­mis­si­on eine Was­ser­stoff­stra­te­gie, die den kräftigen Ausbau der Er­zeu­gungs­ka­pa­zi­tä­ten vorsieht. Bis 2024 soll die Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on mit er­neu­er­ba­ren Energien auf bis zu 1 Millionen Tonnen steigen, bis zum Jahr 2030 dann auf 10 Millionen Tonnen.

Heute bereits werden zahl­rei­che Pi­lot­pro­jek­te un­ter­stützt. Bei­spiels­wei­se die Er­rich­tung einer Was­ser­stoff­in­fra­struk­tur im rheinland-pfäl­zi­schen Kai­ser­sesch. Im Rahmen des vom BMWi ge­för­der­ten Projekts „Smart­Quart“ entsteht dort bis 2023 eine komplette Was­ser­stoff-In­fra­struk­tur – von der Erzeugung re­ge­ne­ra­ti­ven Stroms für den Betrieb der Elek­tro­ly­seu­re, der Spei­che­rung des Was­ser­stoffs und dessen Ver­tei­lung bis hin zu seiner Nutzung in den Sektoren Wärme- und Strom­ver­sor­gung, Industrie sowie Verkehr.

Viessmann ist an diesem ersten Reallabor der En­er­gie­wen­de von Anfang an beteiligt und wird neben Brenn­wert­ge­rä­ten für den Betrieb mit reinem Was­ser­stoff auch was­ser­stoff­taug­li­che Brenn­stoff­zel­len-Heiz­sys­te­me in Kai­ser­sesch im Pra­xis­be­trieb erproben.“

H2ready”-Brennwertgeräte für 100 Prozent Wasserstoff“

Wir gestalten Le­bens­räu­me für zu­künf­ti­ge Ge­ne­ra­tio­nen” – das ist das Anliegen von Viessmann. Um in Zukunft eine ver­läss­li­che, sichere, be­zahl­ba­re und kli­ma­neu­tra­le Wär­me­ver­sor­gung zu er­mög­li­chen, erprobt derzeit ein Team aus In­ge­nieu­ren und Tech­ni­kern im Technikum, dem Viessmann For­schungs- und Ent­wick­lungs­zen­trum am Un­ter­neh­mens-Stammsitz in Allendorf (Eder), “H2ready”-Brenn­wert­ge­rä­te für den Betrieb mit reinem Was­ser­stoff. Basis sind moderne, gas­ad­ap­ti­ve Wand­ge­rä­te für Erdgas mit einem voll­vor­mi­schen­den Ober­flä­chen-Gas­bren­ner. Die gegenüber Erdgas deutlich ab­wei­chen­den Ver­bren­nungs­ei­gen­schaf­ten des Was­ser­stoffs erfordern ins­be­son­de­re eine Neu­ent­wick­lung des Ver­bren­nungs-, Flam­men­über­wa­chungs- und Re­gel­sys­tems sowie eine Anpassung der Brenner-Kom­po­nen­ten.

Nach der Pro­to­ty­pen-Erprobung folgen die Phasen der Qua­li­fi­zie­rung, Dau­e­rer­pro­bung und schließ­lich der Einsatz der Geräte ab Anfang 2023 in Kai­ser­sesch. Vor­aus­sicht­lich ab 2024 werden diese Geräte in den Markt ein­ge­führt, dann soll es in Deutsch­land weitere regionale Gasnetze geben, die reinen Was­ser­stoff an die Ver­brau­cher verteilen. Die in­no­va­ti­ven “H2ready”-Brenn­wert­ge­rä­te werden sich mit wenigen Hand­grif­fen vom Betrieb mit Erdgas bzw. Erdgas/Was­ser­stoff-Gemischen auf den Betrieb mit reinem Was­ser­stoff umstellen lassen. So ist ihre Zu­kunfts­fä­hig­keit in der Über­gangs­pha­se von Erdgas auf Was­ser­stoff ge­währ­leis­tet.

Weitere Brenn­wert­sys­te­me, auch für größere Leis­tun­gen, sowie Brenn­stoff­zel­len und Block­heiz­kraft­wer­ke für die Nutzung von Was­ser­stoff sind derzeit bei Viessmann in der Ent­wick­lung. Als In­no­va­ti­ons­füh­rer der Branche wird das Un­ter­neh­men in wenigen Jahren ein kom­plet­tes Portfolio für nahezu jede Anwendung anbieten. 

Zusatzinformationen

Eigenschaften von Wasserstoff

Das häufigste Element im Universum besitzt zahl­rei­che positive Ei­gen­schaf­ten. Was­ser­stoff ist:

  • nicht giftig, ätzend oder ra­dio­ak­tiv,
  • er ver­un­rei­nigt kein Wasser und schädigt weder Natur noch Umwelt und
  • er verfügt gegenüber Erdgas und Heizöl über die höchste En­er­gie­dich­te pro Kilogramm (Was­ser­stoff 33,3 kWh/kg, Erdgas 13,9 kWh/kg, Heizöl 11,4 kWh/kg).
  • Vor allem aber: Was­ser­stoff kann CO2-neutral erzeugt sowie verbrannt werden und ist damit absolut kli­ma­freund­lich.

Al­ler­dings un­ter­schei­det sich Was­ser­stoff zum Beispiel gegenüber Erdgas deutlich in den ver­bren­nungs­re­le­van­ten Ei­gen­schaf­ten. So etwa beträgt die auf das Volumen bezogene En­er­gie­dich­te bei gas­för­mi­gen Was­ser­stoff unter normalem Druck und bei normalen Tem­pe­ra­tu­ren mit ca. 3,0 kWh/m³ lediglich nur knapp ein Drittel gegenüber Erdgas (9,97 kWh/m³).

Abgesehen davon liegt der auf unserer Erde vor­kom­men­de Was­ser­stoff praktisch nur in chemisch ge­bun­de­ner Form vor, bei­spiels­wei­se als Wasser. In dieser Form bedeckt er über zwei Drittel der Erd­ober­flä­che. Die gesamten Was­ser­vor­kom­men der Erde belaufen sich auf circa 1,386 Mil­li­ar­den Ku­bik­ki­lo­me­ter. Daneben sind auch Erdgase wie z. B. Methan sowie Erdöl wichtige was­ser­stoff­hal­ti­ge Ver­bin­dun­gen auf der Erde.

Grüner, grauer, blauer, türkiser Wasserstoff – was steckt dahinter?

Der Was­ser­stoff muss also zunächst erzeugt werden, um als En­er­gie­trä­ger und Rohstoff genutzt werden zu können. Im We­sent­li­chen gibt es dazu vier Verfahren:

Grüner Wasserstoff wird durch Elek­tro­ly­se von Wasser her­ge­stellt. Der dazu benötigte Strom kommt aus­schließ­lich aus er­neu­er­ba­ren Energien. Dadurch ist die Was­ser­stof­fer­zeu­gung CO2-frei.

Grauer Wasserstoff wird mittels Dampf­re­for­mie­rung zumeist Erdgas pro­du­ziert. Das dabei ent­stan­de­ne CO2 entweicht in die At­mo­sphä­re, was den Treib­haus­ef­fekt verstärkt.

Blauer Wasserstoff ist im Grunde grauer Was­ser­stoff. Jedoch wird das durch die Dampf­re­for­mie­rung ent­stan­de­ne CO2 ge­spei­chert und gelangt nicht in die At­mo­sphä­re. Bi­lan­zi­ell kann diese Art der Was­ser­stoff­pro­duk­ti­on als CO2-neutral be­trach­tet werden.

Türkiser Wasserstoff wird über die ther­mi­sche Spaltung von Methan gewonnen. Anstelle von CO2 entsteht hierbei fester Koh­len­stoff. Um diese Art der Pro­duk­ti­on CO2-neutral zu gestalten, ist sowohl die Wär­me­ver­sor­gung des Hoch­tem­pe­ra­tur­re­ak­tors aus er­neu­er­ba­ren Energien, als auch die dau­er­haf­te Bindung des ent­ste­hen­den Koh­len­stoffs notwendig.

Prognosen zeigen sinkende Pro­duk­ti­ons­kos­ten, die durch sinkende Kosten für Elek­tro­ly­seu­re und Er­neu­er­ba­re Energien für die Strom­er­zeu­gung sowie durch die Ein­füh­rung der Koh­len­stoff­ab­schei­dung und -spei­che­rung (z. B. in der Nordsee) getrieben werden. Laut dem in­ter­na­tio­na­len Markt­for­schungs­in­sti­tut Bloom­ber­g­NEF könnte grüner Was­ser­stoff bis 2050 sogar mit den Kosten für Erdgas kon­kur­rie­ren.

Quelle: VIESSMANN