Klimaneutralität, Fridays for Future, Green Deal,– kurzum ein gesellschaftlicher Wandel: Während die sukzessive Abkehr von Kohle, Atomenergie und Erdöl in Deutschland lange beschlossen ist, läuft die Suche nach zusätzlichen regenerativen Energien auf Hochtouren. Ein gasförmiger Energieträger offenbart dabei hohes Potential: Wasserstoff.
In Deutschland nutzen derzeit knapp 14 Mio. Heizungen verschiedenster Leistungsgrößen Gas als Energielieferant und werden überwiegend über das Erdgasnetz mit Brennstoff versorgt. Deshalb wird die Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetz als ein Baustein angesehen, die Klimaschutzziele der Bundesrepublik Deutschland zu erfüllen. Auch der Betrieb von Gasnetzen mit 100 % Wasserstoff wird in Zukunft möglich sein. Dafür geeignete Gasnetze können als Wasserstoffnetzausbaugebiete von Kommunen im Rahmen der kommunalen Wärmeplanung ausgewiesen werden. Voraussetzung dafür ist, dass neben der Verfügbarkeit von Wasserstoff in der Kommune und der Wasserstofftauglichkeit des Gasnetzes, die Umrüstbarkeit der Gasgeräte gegeben ist. Hierbei sind Sie mit Buderus auf der sicheren Seite. Denn unsere gasbetriebenen Wärmeerzeuger sind bereits heute auf eine Beimischung von 20 vol.% Wasserstoff ab Werk zertifiziert.
Wasserstoffgewinnung: Verfahren entscheidend
Der Verweis auf Wasserstoff als klimaneutraler oder gar CO2-freier Energieträger hängt in erster Linie mit dessen Gewinnung zusammen. Das Wasserstoffvorkommen der Erde ist hoch, jedoch findet sich das Element überwiegend in chemischen Verbindungen wie Wasser oder Säuren. Da es sich bei Wasserstoff somit um eine Sekundärenergie handelt, muss für seine Gewinnung zunächst Energie aufgebracht werden. Die Art des Vorgangs beeinflusst die eigentliche Nachhaltigkeit des Gases dabei maßgeblich.
Unterschieden werden drei Arten der Wasserstoffgewinnung. Die Herstellung grauen Wasserstoffs, der unter Einsatz von fossilen Energien gefördert wird, geht mit einem hohen CO2-Austoß einher. Nahezu CO2-neutral hingegen ist die Produktion blauen oder auch türkisen Wasserstoffes. Hierbei reduziert das sogenannte „Carbon Capture and Storage“- Verfahren, kurz CCS oder ein Pyrolyseverfahren, den CO2-Austritt in die Atmosphäre deutlich. Der Vorgang, der die unterirdische Speicherung von Kohlendioxid, etwa auf dem Meeresgrund, vorsieht, kann Wissenschaftlern zufolge den Eintritt von etwa 65 bis 80 % CO2 in die Atmosphäre verhindern. Unklar sind bisweilen jedoch die Auswirkungen möglicher Risiken wie Leckagen von CO2.
Grüner Wasserstoff, hergestellt durch Elektrolyse, ist durch die Verwendung von Strom aus regenerativen Quellen weitgehend CO2-frei. Die Wasserstoff-Elektrolyse, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird, wandelt elektrische Energie in chemische um. Die Aufbewahrung des Wasserstoffs erfolgt ähnlich wie bei Erdgas komprimiert oder flüssig in Druck- beziehungsweise Kavernen-Speichern.
Dieses Verfahren birgt mit Blick auf die angestrebte Klimaneutralität der Bundesregierung bis 2045 hohes Potential, den Energieträger der Zukunft hervorzubringen.
Bislang ist aus Elektrolyse gewonnener Wasserstoff jedoch nur in geringen Mengen verfügbar. Wie viel davon im häuslichen Raum Anwendung finden wird, ist durch die künftige politische Priorisierung und durch die verfügbare Menge an grünem Wasserstoff bedingt. Der Wirkungsgrad der Wasserstofferzeugung beträgt dabei durchschnittlich ca. 70 %.
Technische Daten von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas
| — | Wasserstoff | Erdgas H |
|---|---|---|
| Heizwert | 3,00 kWh/Nm³ | 10,35 kWh/Nm³ |
| Brennwert | 3,54 kWh/Nm³ | 11,46 kWh/Nm³ |
Zündgrenzen in Luft |
4,0 - 75,0 Vol.% | 4,0 - 17,0 Vol.% |
Flammentemperatur |
~1600 °C | ~1300 °C |
| Emissionen | NOx | NOx, CO, CO2 |
Weitere Informationen |
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Quellen / Erzeugung |
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| Verteilung | Lokale Quellen / Prozesse/ Wasserstoffkernnetz |
Öffentliches Gas Netz |
Begrenzte Wasserstoffeinspeisung
Wasserstoff, als sogenanntes Zusatzgas, kann nur begrenzt ins Erdgasnetz eingespeist werden, da es in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften vom herkömmlichen Erdgas abweicht. Anders als Erdgas, enthält Wasserstoff kein Kohlenstoff-Atom und verbrennt somit rückstandsfrei. Weiterhin handelt es sich bei Wasserstoff um den Energieträger mit der höchsten gewichtsbezogenen Energiedichte, was ein deutlich verändertes Brennverhalten zur Folge hat. Die Unterschiede der Energieträger führen schließlich dazu, dass die Einspeisungsgrenze von Wasserstoff im Erdgasnetz derzeit bei zwanzig Volumenprozent liegt. Der individuelle Grad ist neben der Schwierigkeit innerhalb des Mischprozesses abhängig von variierenden regionalen Bedingungen von Gasfernleitungen sowie Verteilernetzen. Die jeweilige Beschaffenheit von Endverbraucher-Geräten definiert schließlich die individuellen Nutzungsgrenzen des Energieträgers. Der Tank von Erdgasfahrzeugen erlaubt beispielsweise die Wasserstoff-Einspeisung von rund zwei Volumenprozent, während Gasturbinen eine Einspeisung von bis zu fünf Volumenprozent ermöglichen. Die vom Bundesverband der deutschen Heizindustrie (BDH) empfohlene Einspeisemenge von Wasserstoff ins Erdgasnetz liegt derzeit bei maximal zehn Volumenprozent.
Wandel hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung
Der Wandel hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung ist jedoch nicht möglich, bevor Verteilernetze entsprechend angepasst worden sind. Ferner müssen Endverbraucher-Geräte auf die fortwährend steigende Beimischung von Wasserstoff ausgerichtet werden. Alle Haushalte zusammengenommen, heizt Deutschland derzeit mit etwa 14 Millionen Gasgeräten, von denen jedes zweite älter als 20 Jahre ist. Eine Umrüstung auf wasserstoffverträgliche oder wasserstofffähige Geräte wäre somit zwingende Voraussetzung für eine höhere Wasserstoffbeimischung. Anders als bei der Umstellung von L auf H-Gas in Nordwest-Deutschland, können dabei keine Umrüstsätze verwendet werden, um bestehende ältere Wärmeerzeuger auf die veränderte Zusammensetzung des Energieträgers zu ermöglichen.
Zum 100 % H2-ready Wasserstoffeinsatz zur Klimaneutralität gibt es seit längerer Zeit Untersuchungen und Feldtests. Für die unterschiedliche Anwendungsbereiche ergeben sich dabei verschiedene Handlungsfelder.
Für den kleinen Leistungsbereich (z. B. Ein-/ Zweifamilienhaus) entwickeln wir 100% H2-ready Wärmeerzeuger bis zur Serienreife. Diese Geräte werden sowohl als Einzelgerät als auch als Hybridlösung (Kombination eines H2-ready Wärmeerzeugers in Verbindung mit einer Wärmepumpen-Außeneinheit) einsetzbar sein und können entweder mit herkömmlichem Erdgas oder – über ein Umrüstset – mit Wasserstoff betrieben werden. Für ausgewählte Gas-Brennwert-Wärmeerzeuger im kleinen Leistungsbereich werden innerhalb 2029 Umrüstsets für den Betrieb mit 100% Wasserstoff erhältlich sein, sofern eine ausreichende Wasserstoffversorgung zur Verfügung steht.
Für Altgeräte müssten sicherheitsrelevante Komponenten in den Geräten getauscht werden sowie eine neue Sicherheitszertifizierung und Abnahme am Gerätestandort vorgenommen werden. Das kann nur bei wasserstofffähigen Gasgeräten erfolgen. Diese sind dann auf Materialverträglichkeit getestet und entsprechend ausgestattet, um später auf den einhundertprozentigen Wasserstoffbetrieb umgestellt werden zu können.
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Im gewerblichen Leistungsbereich bis 1.200 kW ist schon heute ein Betrieb der Edelstahl-Brennwertkessel der Marke Buderus mit 100 % Wasserstoff möglich. Seit Mitte 2024 ist ein optimiertes, werkseitig voreingestelltes Brennerportfolio verfügbar (im ersten Schritt bis 640 kW). In dieser Kessel-/Brenner-Kombination ist ein Betrieb sowohl mit konventionellem Erdgas als auch mit H2-Beimischungen von bis zu 100 % möglich. Für das Portfolio gewerblicher bodenstehender und wandhängender Aluminium-Brennwert-Wärmeerzeuger bis 500 kW Einzelkesselleistung ist ebenfalls die Zertifizierung für einen Betrieb mit Wasserstoffbeimischung bis zu 20 % vorhanden. Die Entwicklung eines Umrüstsets für den Betrieb mit 100% Wasserstoff ist hier ebenfalls vorgesehen.
Grüner Wasserstoff bietet auch für die Industrie großes Potential, Heiz- und Prozesswärme im Megawattbereich klimaneutral zu erzeugen. Die Kesselsysteme von Bosch Industriekessel ermöglichen bereits heute die 100-prozentige Nutzung des alternativen Energieträgers. Je nach Infrastruktur und Verfügbarkeit gibt es verschiedene Optionen für den Wasserstoffeinsatz: Eine Möglichkeit ist, werksseitig Kessel und Brenner für den sofortigen Einsatz mit 100 % Wasserstoff auszulegen. Für sehr hohe Flexibilität und Versorgungssicherheit sind Mehrstoffbrenner oder Hybridlösungen für gleichzeitige Nutzung verschiedener Energieträger attraktive Alternativen. Als weitere Option können die Industriekessel als 100 % H2-ready ausgelegt werden. Das heißt, der Kessel selbst ist für den späteren Wasserstoffeinsatz vorbereitet, Komponenten wie Brenner müssen dazu umgerüstet werden. Viele Bestandsanlagen sind ebenfalls für ein Upgrade auf Wasserstoff qualifiziert und umrüstbar.
Für bestehende Blockheizkraftwerke (BHKW) ist ein Betrieb mit 2 % Wasserstoffanteil im Erdgas uneingeschränkt möglich. Soll ein BHKW mit bis zu 20 % Wasserstoffanteil betrieben werden, so muss je nach BHKW-Typ eine Klopfregelung für den Motor nachgerüstet werden. Die Klopfregelung ist für die meisten Module bereits zum Nachrüsten verfügbar oder in Umsetzung. Für ausgewählte BHKW-Module im Leistungsbereich bis 20 kWel werden in 2026 Umrüstsets für den Betrieb mit 100% Wasserstoff erhältlich sein, sofern eine ausreichende Wasserstoffversorgung zur Verfügung steht.
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Aufbruch ins Neuland
Aus klimapolitischer Sicht ist das Ziel der Klimaneutralität bis 2045 gesetzt. Der Green-Deal, ein Maßnahmenpaket der EU, soll diesen Wandel unterstützen. Ein wesentlicher Bestandteil der „grünen Abmachung“: die Investition in erneuerbare Energietechniken. Profitieren könnte davon auch der Ausbau von Elektrolyseuren, die für die Wasserstoffherstellung notwendig sind. Mit der Elektrolyse von Wasserstoff, könnte die Windenergie nach dem Verfahren „Wind to Gas“ speicherbar und auf diese Weise langfristig nutzbar gemacht werden.
Die Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff in ausreichender Menge, sowie die Einspeisemenge ist bisweilen jedoch der Knackpunkt: Zu unterschiedlich sind die Eigenschaften von Erdgas und Wasserstoff, zu komplex die Anforderungen, die mit der Vermischung der Energieträger einhergehen. So ist die maximale Flammengeschwindigkeit von Wasserstoff etwa acht Mal höher als die von Methan. Hierdurch rücken erhöhte Sicherheitsanforderungen aufgrund des großen Zündbereiches von Wasserstoff in den Fokus. Sicherheit spielt eine ebenso große Rolle, wenn es um den Gerätestandard geht. Da Wasserstoff bislang keine Zielgröße war, sind entsprechende Prüf- bzw. Zulassungskriterien nicht vorhanden. Wenn die Hälfte aller Wärmeerzeuger in der Bundesrepublik also älter als 20 Jahre ist, ist ein sicherer Betrieb mit einer deutlich höheren Wasserstoffbeimischung als zehn Volumenprozent ins Erdgasnetz nicht mehr garantiert. Eine erhöhte Wasserstoffbeimischung auf bis zu 20 % führt darüber hinaus zu einer Veränderung des Brennverhaltens und einem damit einhergehenden leichten Leistungsrückgang.
Dauerhaft bedarf es also einer Umstellung auf Endverbrauchergeräte, die entsprechende Neuentwicklungen und Umrüstbarkeiten vereinen sowie angepasster rechtlichen Rahmenbedingungen.
Fazit
Die Novelle des Gebäudeenergiegesetzes (GEG), welche ab 01. Januar 2024 in Kraft getreten ist, zeigt verschiedene Wege auf, um die Klimaziele im Gebäudesektor zu erreichen. Eine sichere Option ist es, wenn Sie sich beim Einbau einer neuen Heizung für eine Heizungsanlage entscheiden, die zu mindestens 65 % mit erneuerbaren Energien betrieben wird oder zukünftig betrieben werden kann.
Dabei sind Wärmepumpen, Wärmepumpen-Hybridsysteme, Biomasse (gasförmig, flüssig oder fest) sowie Wasserstoff die wichtigsten parallelen Technologiepfade auf dem Weg zu einer GEG-konformen Heizungsanlage.
Die aktuellen Buderus Gas-Brennwert-Wärmeerzeuger können bereits heute mit 20 % Wasserstoff und mit bis zu 100 % Biomethan oder 100 % Bioflüssiggas aufbereitet, gemäß DVGW Arbeitsblatt G 260, betrieben werden. Die 20 % Wasserstoff-Beimischung dokumentieren wir bei den Gas-Brennwertkesseln/-geräten auch mit der DVGW-Zertifizierung nach ZP 3100. Darüber hinaus wird im Rahmen dieser Zusatzprüfung schon der Betrieb mit bis zu max. 30 % Wasserstoff- Beimischung getestet.
Bei der Baureihe Logano plus SB625 für den gewerblichen Anwendungsbereich ist sogar heute schon der Betrieb mit 100% Wasserstoff möglich. Für ausgewählte Gas-Brennwert-Wärmeerzeuger im kleinen Leistungsbereich werden innerhalb 2029 Umrüstsets für den Betrieb mit 100% Wasserstoff erhältlich sein, sofern eine ausreichende Wasserstoffversorgung zur Verfügung steht.