Grüne Gase gewinnen an Bedeutung

Grüne Gase sind ein wichtiger Faktor für die Wärmewende, lautete das Credo auf dem Ende Oktober 2020 in einem Online-Format abgehaltenen „3. Innovationsforum Wasserstoff & Brennstoffzelle“. Die Heizungsbranche setzt denn auch für die Zukunft verstärkt auf den Einsatz von Wasserstoff (H₂) mit modernen Gasheiztechnologien, wie der Brennstoffzellenheizung oder „H₂-Ready“-Heizkesseln.

Gasförmige Energieträger sind fundamentaler Bestandteil der Energiewende. Das hat die Politik mit der Verabschiedung der Nationalen und Europäischen Wasserstoffstrategie im vergangenen Sommer deutlich gemacht. Besondere Bedeutung für den Klimaschutz hat dabei der Wärmemarkt. Hier verfügt die Heizungsbranche mit der Brennstoffzelle und wasserstofffähigen Gasbrennwertheizungen bereits über technologisch ausgereifte und sofort einsatzfähige Lösungen, also beste Voraussetzungen für die Umsetzung des European Green Deal, wie die beiden Sprecher der Initiative Brennstoffzelle (IBZ), Andreas Lücke, Hauptgeschäftsführer des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH), und Dr. Timm Kehler, Vorstand von Zukunft Erdgas (nach der Umbenennung heißt die Brancheninitiative der deutschen Gaswirtschaft seit dem Jahreswechsel nun Zukunft Gas), Ende Oktober 2020 in einem online abgehaltenen Pressegespräch zum „3. Innovationsforum Wasserstoff & Brennstoffzelle“ verdeutlichten (Abb. 1)

„Heizungs- und Gasindustrie stehen bereit und bieten Lösungen zur Erreichung der Klimaziele im Gebäudebereich an“, unterstrich Lücke (Abb. 2). „Kohlendioxid-neutrale Brennstoffe wie Wasserstoff in Kombination mit einem breiten Portfolio an Gasheiztechnologien sind neben weiteren Effizienztechnologien ein wichtiger Baustein zur Erfüllung des European Green Deal und zeigen, dass der Wärmemarkt »H₂-Ready« ist.“ „Als Hightech-Gerät hält die Brennstoffzelle Einzug in immer mehr Heizungskeller“, ergänzte Kehler. „Verbraucher profitieren dabei in mehrfacher Hinsicht: Sie sparen Energie und Kohlendioxid-Emissionen, machen sich unabhängig von steigenden Strompreisen und können den selbsterzeugten Strom zum Beispiel zum Laden von Batterieautos nutzen. Das ist gelebte intelligente Sektorenkopplung.“

„Ob Gebäudebestand oder Neubau, ob Einfamilienhaus oder Gewerbebetrieb, ob Kombianlage oder Beistellgerät – mit der Brennstoffzellenheizung steht uns schon heute eine marktreife und hocheffiziente Technologie zur Verfügung, die für mehr Klimaschutz sorgt“, so Kehler. So bieten seitens der BDH-Mitgliedsunternehmen neben Viessmann, SenerTec und Remeha auch Solidpower, Bosch und Sunfire brennstoffzellenbasierte Systeme an. Aufgrund des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Gesamtwirkungsgraden von mehr als 90 Prozent spare die Energieerzeugung mit der Brennstoffzelle gegenüber einer alten Gasheizung knapp 56 Prozent Kohlendioxid ein. Der elektrische Wirkungsgrad von bis zu 55 Prozent übertreffe den von konventionellen Großkraftwerken deutlich. Und da der Einbau eines Brennstoffzellengeräts keine aufwendige Gebäudesanierung erfordert, würden lediglich die Anlagekosten anfallen. Dies würde von immer mehr Kunden erkannt.

Wie Kehler betonte, sei der Markt für Brennstoffzellenheizgeräte in den vergangenen vier Jahren dynamisch gewachsen. Die Bundesregierung fördert die Brennstoffzellentechnologie wegen ihres Beitrags zum Klimaschutz sowie zur intelligenten Sektorenkopplung seit Sommer 2016. Im Rahmen des Förderprogramms 433 „Zuschuss Brennstoffzelle“ der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) wurden bis einschließlich Juni 2020 insgesamt mehr als 13.000 Förderanträge positiv beschieden. Auch im Jahr 2020 sei die Nachfrage nach Brennstoffzellenheizungen trotz Corona-Pandemie ungebrochen gewesen. Bis zum Sommer wurden von der KfW fast 3.000 Geräte gefördert. Für das gesamte Jahr 2020 rechnet man bei den jährlichen Neuinstallationen mit einem neuen Rekordwert von knapp 6.000 Anlagen.

Erfreut beobachte man, dass man mit der Brennstoffzelle einen Fuß in den Bereich der Sanierung bekommen hat. So seien rund 11.000 Brennstoffzellenheizgeräte im Gebäudebestand zum Einsatz gekommen, wahrscheinlich in größeren, aufwendig sanierten Bestandswohngebäuden. Für die weitere dynamische Marktentwicklung zeigte sich Kehler denn auch optimistisch. „Wir rechnen bis zum Jahr 2030 mit 500.000 installierten Brennstoffzellenheizungen.“

Dies sei von großer Bedeutung für das Gelingen der Wärmewende. Angesichts der zunehmenden Elektrifizierung des Verkehrssektors und des Wärmemarktes steige der Strombedarf in Gebäuden weiter an. Hier helfe die Brennstoffzellenheizung. Zum einen entlastet sie die öffentlichen Stromnetze durch die dezentrale Stromerzeugung. Zum anderen trage sie zur Versorgungssicherheit bei, denn in den nächsten zehn Jahren würden durch den Atomausstieg und den Kohleausstieg etwa 17 GW an elektrischer Leistung abgeschaltet. Das heißt, Deutschland brauche unbedingt gesicherte Stromerzeugungskapazitäten. Sowohl Brennstoffzellen als auch Blockheizkraftwerke (BHKW), die mit grünem Wasserstoff betrieben werden, könnten helfen, diese Stromerzeugungslücke zu schließen.

Diskussion um schnelle Wärmewende

Der Corona-Pandemie geschuldet, fand auch das anschließende „Innovationsforum Wasserstoff & Brennstoffzelle“ digital mit über 150 Teilnehmern als Online-Veranstaltung statt. Dazu begrüßten Kehler und Lücke neben dem BDH-Präsidenten Uwe Glock auch Dr. Rolf Albus, Gas- und Wärme-Institut Essen (gwi), Daniel Muthmann, Open Grid Europe, und Katja Neumann, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

In einem Impulsvortrag beleuchtete Albus die Transformation der Gasinfrastruktur. So umfasste der Wohnungsbestand in Deutschland im Jahr 2019 etwa 42,3 Mio. Wohnungen. Davon wurde rund jede zweite (49,5 Prozent) mit Gasanwendungstechnologien beheizt. Auch bei den in 2019 neu abgesetzten 748.000 Wärmeerzeugern dominierten Gastechnologien deutlich (78,5 Prozent, Abb. 3). Allgemein seien im Wärmemarkt in Bezug auf die Treibhausgasemissionen schon große Fortschritte erzielt worden, auch aufgrund hocheffizienter Anwendungstechnologien. So wurden im Gebäudesektor die Treibhausgasemissionen von 209,7 Mio. t im Jahr 1990 auf 116,6 Mio. t im Jahr 2018 reduziert. Dies entspricht einer Reduktion von 93,1 Mio. t bzw. 44,4 Prozent. Für das Jahr 2030 wird angestrebt, die Treibhausgasemissionen weiter zu reduzieren, auf dann 70 Mio. t.

Dazu werde weiter auf Gas, insbesondere auf grüne klimaneutrale Gase, und den Aus- und Umbau der Gasinfrastruktur gesetzt. Das Gasnetz in Deutschland ist über 500.000 km lang, darüber wird eine Gasmenge von etwa 90 Mrd. m³ transportiert und verteilt. Bereits heute sei ein Wasserstoff-Anteil von zehn Volumenprozent im Gasgemisch zulässig. Dies sei durch diverse Forschungsprojekte abgesichert. Wasserstoff könne als angebotsorientierter und flexibler Energiespeicher zur Dekarbonisierung der Sektoren Wärme, Mobilität und Industrie beitragen. Wobei Wasserstoff gleichzeitig auch ein wesentlicher Baustein der Sektorenkopplung ist. Dort wo Strom aus erneuerbaren Energien nicht direkt eingesetzt werden kann, öffnen grüner Wasserstoff und seine Folgeprodukte (Power-to-X) neue Dekarbonisierungspfade.

Derzeit werde diskutiert, den Wasserstoffanteil auf 20 Volumenprozente zu erhöhen. Hierzu laufen denn auch schon seitens des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW) in Abstimmung mit Geräteherstellern und Forschungsinstituten entsprechende Projekte, wie „H2-20“ oder „Roadmap Gas 2050“. Dazu wurden Aktivitäten in sämtlichen Bereichen der Kette Erzeugung – Transport – Speicherung – Anwendung gestartet. Der Fokus der Gasgeräteuntersuchungen (plus KWK und Brennstoffzellen) liege aktuell auf Betriebssicherheit und Materialtauglichkeit. Dabei gebe der Gerätebestand die technisch begründete Einspeisegrenze für Wasserstoff vor. Diese Grenze arbeite man gerade aus. Klar sei bereits, dass jedenfalls die zeitliche Schwankungsbreite des Wasserstoff-Anteils im Netz nicht beliebig groß sein dürfe. Die Betreiber der Fernleitungsnetze plädieren für ein separates Wasserstoff-Netz, informierte Albus. Mit solch einem 100 Prozent Wasserstoff-Netz könne man Industriezweigen, wie Stahl oder Chemie, die Möglichkeit verschaffen, klimaneutral zu werden. An dieses Netz könnten dann nach und nach Insellösungen andocken, beispielsweise neu erschlossene Wohn- und Gewerbegebiete. Die Gerätehersteller beschäftigen sich jedenfalls mit der Zulassung von Gasgeräten für den Einsatz von reinem Wasserstoff.

Zusätzliches Netz für reinen Wasserstoff

„Die Gasbranche hat die Scheu vor Wasserstoff ein Stück weit abgestreift“, resümierte Kehler. Aus einem „geht nicht“ sei ein „wir packen das“ geworden. Zur Einstimmung auf die dann folgende Podiumsdiskussion (sprich: einer Corona-geschuldeten Online-Fragerunde) konnten die Gerätehersteller in einem kurzen Filmbeitrag über ihre Produktentwicklungen und von Praxisprojekten informieren. Die Erwartungen seitens der Politik, der Wirtschaft und der Hersteller in Wasserstoff sind jedenfalls groß. Da stellt sich die Frage nach der Versorgung. Analog zum Geschäft mit Erdgas erwartet Muthmann auch für Wasserstoff angesichts der wie angedacht überaus großen benötigten Mengen die Entwicklung eines globalen Beschaffungsmarktes. Dieser Idee solle man sich aufgrund der positiven Erfahrung beim Erdgas auch ohne Berührungsängste nähern. Sicherlich werde ein Teil auch in Deutschland hergestellt, der überwiegende Teil müsse aber importiert werden. Hier müsse man auch über Europa hinaus denken. Gerade in der Anfangszeit müssten mehrere Henne/Ei-Probleme überwunden werden. Die Frage nach Investitionen in Produktionsanlagen hänge nun mal stark von dem erwarteten Absatz ab. Die Lösung müsse wahrscheinlich von der Nachfrageseite getrieben werden. Im Sinne der Sektorenkopplung gewinne zukünftig zudem ein gesamtsystemischer Ansatz für die Strom- und Gasnetze an Bedeutung, gab Albus zu bedenken. Für eine größtmögliche Flexibilität in den Verteilnetzen müssten die Netze bei zunehmender Dezentralisierung kombiniert werden.

Die Heizungsindustrie fahre beim Energieträger Gas aktuell dreigleisig, berichtete Glock. Bei den bestehenden Gasheizgeräten im Bestand sei eine Wasserstoff-Beimischung von zehn Prozent machbar, die jetzt neu angebotenen Gasheizgeräte könnten bis zu 20 Prozent und darüber hinaus arbeite man an „H₂-Ready“-Geräten, die dann in Netzen mit reinem Wasserstoff zum Einsatz kommen. Ein weiteres Thema seien Brennstoffzellenheizgeräte. Die heute hierzulande angebotenen Geräte haben eine elektrische Leistung zwischen 0,7 und 1,5 kW. Es werde aber auch schon an Geräten mit einer höheren elektrischen Leistung von 10 bis 20 kW gearbeitet. Auch hier seien die bereits installierten Anlagen zumeist begrenzt in dem möglichen Wasserstoff-Einsatz. Ziel sei es aber, die zukünftigen Geräte flexibel mit unterschiedlichen Wasserstoff-Konzentrationen oder zumindest dann mit reinem Wasserstoff einsetzen zu können.

Bei der Betrachtung des Gerätebestands sei eine Wasserstoff-Beimischung von 20 Prozent im Gasnetz jedenfalls eine Grenze, die man aus Sicherheitsgründen nicht überschreiten sollte, stellte Albus klar. So empfehle es sich vielmehr, zusätzlich neue Strukturen für dann reine Wasserstoff-Netze aufzubauen. Um dies alles in der Praxis auch umsetzen zu können, müssten klare, verlässliche Rahmenbedingungen geschaffen werden. Das Thema der Dekarbonisierung des Gases und die Entwicklung des Systems in Richtung Wasserstoff seien jedenfalls für die Gasbranche von essentieller Bedeutung, resümierte Kehler zum Ende des Innovationsforums.

Aus Zukunft Erdgas wird Zukunft Gas

Ende November 2020 zog die Initiative der deutschen Gaswirtschaft auf ihrer Mitgliederversammlung denn auch schon eine nach außen sichtbare Konsequenz. Die Brancheninitiative hat sich zum Jahreswechsel umbenannt: Aus Zukunft Erdgas wurde Zukunft Gas. „Der neue Name zeigt die Ambitionen und Zukunftsfähigkeit der Gaswirtschaft klarer als zuvor“, erläuterte Kehler. Dabei gehe es nicht allein um das Thema Wasserstoff. Schon in der Vergangenheit habe Zukunft Erdgas den Weg in die Dekarbonisierung mit klimaneutralen Gasen, wie Biogas oder synthetisches Methan, geebnet. Mit der Umbenennung zum 1. Januar 2021 in Zukunft Gas vollzieht die Gaswirtschaft einen weiteren logischen Schritt. Denn die Transformation in Richtung Klimaneutralität und die aktive Gestaltung dieses Weges bilde sich nun auch im Namen ab. „Als Zukunft Gas können wir mehr denn je die Zukunftsfähigkeit der Branche vermitteln“, so Kehler. „Gas ist die zweite Säule der Energiewende und macht ein Viertel der Energieversorgung Deutschlands aus. Dieser Anteil wird in Zukunft noch steigen. Darüber hinaus ist die Gasinfrastruktur ein zentraler Baustein in diesem wichtigen Prozess.“ Dabei vergaß er auch nicht, nochmals darauf hinzuweisen, dass es zeitgemäßer Rahmenbedingungen, Technologieoffenheit und Innovationskraft bedarf, um Märkte für klimaneutrale Gase zu schaffen.

Lösungen für Wasserstoff im Wärmemarkt

Ebenfalls Ende November 2020 widmete sich Bosch Thermotechnik in ihrem „ExpertTalk: Hydrogen in the heat market“ dem Thema, wie Europa als erster Kontinent klimaneutral werden kann – so wie es die Europäische Kommission mit dem Green Deal beschrieben hat. Als Experten von Bosch Thermotechnik beleuchteten Philipp Woerner, Koordination Wasserstoff, Tom Collins, Leiter des Projektfeldes Wasserstoff, und Daniel Gosse, Leiter der industriellen Heizkessel-Akademie, in einem online abgehaltenen, internationalen Tagungsformat Lösungen für Wasserstoff im Wärmemarkt – ob in Wohngebäuden oder in der Industrie.

So wurde der Prototyp des „H2-Ready“-Heizkessels als klimaneutrale Alternative für den Gebäudebestand vorgestellt. Erste Prototypen des wasserstofffähigen Heizkessels mit 30 kW Wärmeleistung werden seit 2017 an Prüfständen betrieben. Sie können zunächst mit herkömmlichem Erdgas oder einer Wasserstoff-Beimischung von bis zu 20 Prozent betrieben werden. Die Arbeitsweise des „H2-Ready“-Heizkessels gleicht einem gewöhnlichen Gas-Brennwertkessel. Er kann auf wetter- und benutzerbedingt schwankende Heizanforderungen schnell reagieren und er hat vergleichbare Abmessungen. Sobald eine flächendeckende Netzumstellung auf 100 Prozent Wasserstoff vollzogen wurde, lässt er sich mit wenigen Anpassungen innerhalb einer Stunde auf die vollständige Nutzung des grünen Gases umstellen (Abb. 4).

Und für den Energiepark Wunsiedel im Fichtelgebirge hat Bosch Industriekessel (eine Tochter von Bosch Thermotechnik) einen neuen Heizkessel aus der UT-L-Serie mit bis zu 5 MW Wärmeleistung als „H₂-Ready“ geliefert. An dem Standort soll bis Ende 2021 eine Elektrolyseanlage von Siemens in Betrieb gehen und ausschließlich grünen Wasserstoff aus erneuerbaren Energien bereitstellen. Die Betreiberfirma des neuen Bosch-Heizkessels, die Gasversorgung Wunsiedel, setzt zunächst Erdgas ein, um das Sägewerk Gelo Timber mit Wärme zu versorgen. Ab Inbetriebnahme der Elektrolyse kann das Dienstleistungsunternehmen flexibel zwischen Erdgas- und Wasserstoff-Feuerung wechseln. Mit zunehmendem Ausbau der regenerativen Energien kann vermehrt auf Wasserstoff-Feuerung umgestellt werden – mit dem Ziel, die Wärmeerzeugung vollständig zu defossilisieren. Dazu hat Bosch den Wärmeerzeuger mit einem Zweistoffbrenner ausgestattet und seine Konstruktion auf den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt, um später einen schnellen Brennstoffwechsel zu verwirklichen. Anstelle von Kohlendioxid wird dann Wasserdampf als Abgas freigesetzt. Das Verfahren der Wasserstoffverbrennung ist gegenüber der Erdgasverbrennung deutlich komplexer, betont das Unternehmen. Dabei geht es neben der technischen Machbarkeit auch um erhöhte Sicherheitsanforderungen (Abb. 5).

Im Dezember 2020 unterstrich dann auch Viessmann Climate Solutions die Bedeutung von Wasserstoff für einen klimaneutralen Wärmemarkt. Mit dem Energieträger ließen sich sehr kurzfristig signifikante Erfolge bei der Verringerung der Kohlendioxid-Emissionen erzielen. Würden bei Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur dem Erdgas 20 Prozent Wasserstoff beigemischt, könnten die Treibhausgasemissionen um rund sieben Prozent pro Jahr verringert werden. „Ein schnell wirksamer und signifikanter Beitrag zum Klimaschutz.“

In einem Pilotprojekt im rheinland-pfälzischen Kaisersesch erprobe man ab Anfang 2023 „H2-Ready“-Brennwertgeräte im Praxisbetrieb. Basis der Geräte sind gasadaptive Wandgeräte für Erdgas mit einem vollvormischenden Oberflächen-Gasbrenner, berichtet das Unternehmen. Die gegenüber Erdgas deutlich abweichenden Verbrennungseigenschaften des Wasserstoffs erfordern insbesondere eine Neuentwicklung des Verbrennungs-, Flammenüberwachungs- und Regelsystems sowie eine Anpassung der Brenner-Komponenten. Voraussichtlich ab 2024 werden die Geräte in den Markt eingeführt. Sie sollen sich mit wenigen Handgriffen vom Betrieb mit Erdgas oder mit einem Erdgas/Wasserstoff-Gemisch auf den Betrieb mit reinem Wasserstoff umstellen lassen. Weitere Brennwertsysteme sowie Brennstoffzellen-Heizsysteme und Blockheizkraftwerke für die Nutzung von Wasserstoff seien derzeit in der Entwicklung (Abb. 6).