DVGW Seminarreihe Wasserstoff - Seminar 2: Erzeugung und Einspeisung von Wasserstoff
Im zweiten Teil der...
Wasserstoff kann einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leisten – als Kraftstoff für Autos, Rohstoff für die Industrie oder Brennstoff für Heizungen. Als vielseitiger Energieträger ist er in allen Sektoren einsetzbar und übernimmt somit eine Schlüsselfunktion in der Energiewende. In Power-to-Gas-Anlagen wird grüner Wasserstoff CO2-neutral aus Erneuerbaren Energien gewonnen, die sich so effektiv im Gasnetz speichern und transportieren lassen.
Wasserstoff – der Energieträger der Zukunft
Von der Erzeugung bis zur Anwendung – Unsere Grafik zeigt Ihnen die Versorgung mit Wasserstoff
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Für die Speicherung von Wasserstoff bestehen verschiedene Möglichkeiten, eine besonders vielversprechende ist die anteilige Einspeisung in das vorhandene Gasnetz. Bereits heute können bis zu 10 Prozent Wasserstoff in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. In einem nächsten Schritt soll diese Menge auf 20 Prozent erhöht werden und perspektivisch können Teilabschnitte, in denen Angebot und Nachfrage zusammentreffen, technisch auf den Transport von reinem Wasserstoff (100 Prozent) umgestellt werden.
Für größere Wasserstoffbeimengungen in das Gasnetz sind zunächst jedoch noch Anpassungen einiger Netzkomponenten, Geräte und Anlagen vonnöten, die höhere Wasserstoffanteile derzeit nicht tolerieren. Insbesondere in der Industrie können bereits geringe Schwankungen der Gasqualität negative Auswirkungen auf Produktionsprozesse und Technologien haben.
Der DVGW hat bereits das Startsignal für die gebündelte und umfassende Weiterentwicklung seiner Technischen Regeln für Erzeugung, Einspeisung, Beimischung, Transport, Verteilung und Speicherung von Wasserstoff in der Erdgasinfrastruktur gegeben. Die dazu notwendigen Lösungen werden im Rahmen praxisorientierter Forschungsprojekte erarbeitet. So wird die Gasinfrastruktur für eine schrittweise Erhöhung des Wasserstoffanteils fit gemacht unter Beibehaltung des gewohnt hohen Sicherheitsstandards.
In diversen Fachartikeln finden Sie hier laufend aktuelle Informationen rund um das DVGW-Regelwerk zu Wasserstoff.
Eine zentrale Herausforderung der Energiewende, also dem Umstieg von der fossilen auf eine erneuerbare Energieerzeugung, ist das Problem der Speicherung. Sonne und Wind, die beiden wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, stehen nicht gleichmäßig zur Verfügung und die Stromerzeugung schwankt je nach Wetter und Tageszeit.
Heute müssen Erneuerbare-Energien-Anlagen bzw. Windräder in windreichen Zeiten häufig abgeschaltet werden, weil das Stromnetz die anfallenden Strommengen nicht mehr aufnehmen kann. Dadurch entstehen enorme Kosten (Redispatching). Hinzu kommt, dass erhebliche Distanzen zwischen den meisten Windkraftanlagen (Nord-/Ostdeutschland) und den größten Verbrauchern (West-/Süddeutschland) überbrückt werden müssen. Der Strom muss also über weite Strecken transportiert werden, was einen umfangreichen Netzausbau zwingend erfordert.
Eine weitere Herausforderung entsteht während einer sogenannten Dunkelflaute, wenn die Sonne nicht scheint und kein Wind weht, was die Erzeugung der erneuerbaren Energien nahezu zum Erliegen bringt. Wollen wir unsere Energie überwiegend aus Wind und Sonne beziehen, brauchen wir also eine Möglichkeit, diese Energie langfristig zu speichern und effektiv zu transportieren. Die schwankende regenerative Stromerzeugung aus Wind und Sonne muss zeitlich und räumlich vom Energieverbrauch entkoppelt werden.
Wasserstoff kann das Speicherproblem bei den Erneuerbaren Energien lösen und bietet eine Chance, die bislang getrennten Sektoren Strom, Wärme und Mobilität zu verbinden. Durch Power-to-Gas ist es möglich, aus Wind- und Sonnenenergie via Elektrolyse grünen Wasserstoff zu gewinnen. Dieser lässt sich im Gegensatz zu Strom nicht nur über lange Zeiträume speichern, sondern auch über weite Strecken nahezu verlustfrei transportieren.
Das vorhandene Gasnetz bildet einen riesigen Speicher, der die Stromnetze entlasten und somit stabilisieren kann. Auch der Ausbau des Stromnetzes kann dadurch reduziert werden. So lässt sich über die vorhandene Infrastruktur die Hälfte der deutschen Haushalte mit grünem Gas versorgen. Hier kann der aus Erneuerbaren Energien erzeugte Wasserstoff z. B. zum klimaneutralen Heizen oder in Brennstoffzellenheizungen rückverstromt werden.
Durch Power-to-Gas wird das Gasnetz zur grünen Batterie der Energiewende
Durch Power-to-Gas wird das Gasnetz zur grünen Batterie der Energiewende
© DVGW
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Wasserstoff ist das häufigste Element des Universums und steht somit auch an erster Stelle im Periodensystem. Auf der Erde kommt er hauptsächlich in gebundener Form, z. B. in Wasser, vor und ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Um ihn als Energieträger nutzen zu können, muss der Wasserstoff extrahiert werden. In ungebundener Form ist er dann ein farb- und geruchsloses Gas. Wie Erdgas kann Wasserstoff zusammengepresst und unter hohem Druck oder in flüssiger Form gespeichert und transportiert werden. In ihm ist dreimal so viel Energie enthalten wie in der gleichen Masse Benzin.
Wasserstoff kann über verschiedene Prozesse erzeugt werden. Die Energiequelle sowie Methode entscheiden darüber, wie viel CO2 eingespart werden kann.
Das häufigste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung, bei der Erdgas mit Hilfe von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) aufgespalten wird. Das anfallende CO2 wird in der Regel nicht weiterverwendet.
Es gibt jedoch erfolgreiche Verfahren, die verhindern, dass CO2 in die Atmosphäre gelangt, und somit die Klimabilanz des aus Erdgas hergestellten Wasserstoff erheblich verbessern. Dies ist möglich durch die Speicherung (Carbon Capture and Storage, kurz CCS) von CO2 z.B. in unterirdischen, erschöpften Gasfeldern oder durch die Verwendung (Carbon Capture and Utilisation kurz CCU) in der Industrie. Ein weiteres Herstellungsverfahren für Wasserstoff ist die Pyrolyse von Erdgas. Hierbei fällt der Kohlenstoff nicht als gasförmiges CO2 an, sondern er wird als Feststoff gebunden, der sich industriell verarbeiten lässt.
Völlig klimaneutral lässt sich Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser herstellen. Dieses als Power-to-Gas bezeichnete elektrochemische Verfahren nutzt Wind- und Sonnenenergie, um Wasserstoff aus Strom und Wasser herzustellen. Der erneuerbar produzierte Wasserstoff bietet erhebliches Potenzial für den Klimaschutz in einem zunehmend auf Erneuerbaren Energien beruhenden Energiesystem.
Wasserstoff wird insbesondere in der Industrie zur Herstellung etwa von Ammoniak oder Erdölprodukten (Benzin, Diesel, Kerosin) verwendet und spielt in der Stahlherstellung eine wichtige Rolle. Darüber hinaus wird er aber auch als Kraftstoff für Autos, Züge oder Schiffe mit Brennstoffzellenantrieb eingesetzt und dient als Treibstoff für Raketen.
Wasserstoff kann einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, um die Klimaschutzziele in der Wärmeversorgung zu erreichen. Die bestehende Gasinfrastruktur kann für den Betrieb mit Wasserstoff kostensparend und zeitnah umgerüstet werden und so Haushalte mit klimafreundlicher Energie versorgen.
Hohes Potenzial bietet außerdem die Verwendung von Wasserstoff in einer Brennstoffzellenheizung. Diese sehr effizienten Heizgeräte zeichnen sich dadurch aus, dass sie mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) nicht nur Wärme sondern gleichzeitig auch Strom produzieren. Dies geschieht durch einen chemischen Prozess in der Brennstoffzelle, in der Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren.
Der Umgang mit Wasserstoff ist nicht gefährlicher als mit anderen Energieträgern. Da sich Wasserstoff durch eine geringe Dichte auszeichnet, wird er üblicherweise gasförmig unter sehr hohem Druck oder in flüssiger Form bei niedriger Temperatur gespeichert.
Da Wasserstoff seit geraumer Zeit sicher sowie vielseitig eingesetzt wird und langjährige Erfahrungswerte vorliegen, ist das Risiko bei seiner Nutzung äußerst gering. In der Gaswirtschaft garantiert das DVGW-Regelwerk seit vielen Jahrzehnten effiziente Best-Practice-Lösungen und bietet ein Höchstmaß an Sicherheit. Um größere Mengen Wasserstoff als bislang in die Gasinfrastruktur einspeisen zu können und gleichzeitig die strengen Sicherheitsstandards beizubehalten, entwickelt der DVGW die Technischen Regeln auf der Grundlage von praxisorientierter Forschung fortlaufend weiter.
Das heimische Erzeugungspotenzial aller erneuerbaren Gase (grüner Wasserstoff, synthetisches Methan, Biomethan) liegt mit
rund 414 TWh etwa bei der Hälfte des heutigen Erdgasabsatzes in Deutschland. Auch in einer dekarbonisierten Welt wird Deutschland in großem Umfang Energie importieren müssen, um den Verbrauch decken zu können. Der Import grüner Energie wie z. B. erneuerbarem Wasserstoff aus sonnenreichen Ländern bietet Chancen für einen klimaschonenden Technologietransfer in andere Regionen der Welt. Zusätzlich kann CO2-neutraler / -freier Wasserstoff in den benötigten Mengen hergestellt werden.
Die Klimaziele und die gesetzlichen Vorgaben zur CO2-Reduktion können nur mit der Gasinfrastruktur in Kombination mit Power-to-Gas im industriellen Maßstab erreicht werden. Die Speicherung erneuerbarer Energieträger als grüne Gase wie Wasserstoff und die sektorenübergreifende Bereitstellung sind die wirksamsten Beiträge, die Deutschland zur weltweiten Treibhausgasneutralität leisten kann.
Prof. Dr. Gerald Linke, Vorstandsvorsitzender des DVGW
Wasserstoff kann auch über die Elektrolyse von Wasser hergestellt werden. Wenn der für die Elektrolyse eingesetzte Strom aus Erneuerbaren Energien stammt, fallen keine CO2-Emissionen an. So wird Strom aus Wind- und Sonnenenergie in Gas umgewandelt. Power-to-Gas ist die vielversprechendste Technologie zur Erzeugung von klimaschonendem Wasserstoff, da als Nebenprodukt der Elektrolyse nur reiner Sauerstoff anfällt, der unbedenklich für die Umwelt ist. Weiterer Vorteil: Wasserstoff lässt sich überall herstellen, wo Wasser und erneuerbarer Strom zur Verfügung stehen.
In einem zweiten Verfahrensschritt kann Wasserstoff auch noch zu Methan (CH4) umgewandelt werden. Das so gewonnene synthetische Methan ist chemisch identisch mit Erdgas und kann deshalb problemlos und nahezu unbegrenzt in das Gasnetz eingespeist werden. Allerdings bedeutet Methanisierung einen weiteren Umwandlungsschritt, weshalb er nur erfolgen sollte, wenn der reine Wasserstoff nicht genutzt werden kann. Doch ob Wasserstoff oder daraus erzeugtes synthetisches Methan: In beiden Fällen kann jedweder nicht bedarfsgerecht erzeugte Strom nutzbringend eingesetzt werden.
Aktuell sind in Deutschland 34 Power-to-Gas-Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 30 Megawatt in Betrieb. Die meisten von ihnen sind Pilot- oder Demonstrationsprojekte in kleinem Maßstab und dienen zu Forschungszwecken. In Hamburg jedoch erzeugt bereits die erste Industrieanlage fünf Megawatt grünen Wasserstoff in einer Raffinerie, und zwei ehemalige städtische Versuchsanlagen sind in den dauerhaften Betrieb übergegangen. Weitere Anlagen sind in ganz Deutschland in Planung, darunter erstmals auch 100-Megawatt-Anlagen. Eine Übersicht über die Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland finden Sie in unserer Power-to-Gas-Karte.
