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Die Energie der Zukunft

Wasser­stoff könnte als sauberer Ener­gie­lie­fe­rant die Heiz­tech­nik­branche revo­lu­tio­nieren. Erste Expe­ri­mente laufen bereits und auch ebm-papst bereitet seine Gas-Luft-Verbund­sys­teme für Gasbrenn­wert­ge­räte auf den klima­neu­tralen Brenn­stoff vor.


Zu einer Zeit, als Kohle noch der Brenn­stoff Nr. 1 war und die Diskus­sion um erneu­er­bare Ener­gien in weiter Ferne lag, prophe­zeite Jules Vernes in seinem 1874 veröf­fent­lichten Roman „Die geheim­nis­volle Insel“: „Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elek­tri­schen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasser­stoff und Sauer­stoff, werden auf unab­seh­bare Zeit hinaus die Ener­gie­ver­sor­gung der Erde sichern.“ Knapp 150 Jahre nachdem der fran­zö­si­sche Schrift­steller diese Zeilen schrieb, hat sich seine Vision noch lange nicht erfüllt. Doch ange­sichts der Heraus­for­de­rungen durch den Klima­wandel und der Suche nach neuen Ener­gie­quellen erlebt Wasser­stoff als Ener­gie­lie­fe­rant in Politik, Wissen­schaft und Indus­trie eine immer größere Aufmerk­sam­keit. Der Vorteil liegt schließ­lich auf der Hand: Bei der Verbren­nung entsteht kein klima­schäd­li­ches Kohlen­stoff­di­oxid – nur Wasser.

Der Einsatz von Wasser­stoff für das Heizen kann einen wesent­li­chen Beitrag zum Klima­schutz leisten.

Der Nach­teil: Wasser­stoff kommt auf der Erde nahezu nur in gebun­dener Form vor. Um es zu gewinnen, benö­tigt man viel Energie. Wie schon von Jules Vernes umrissen, lässt sich das Element mittels Elek­tro­lyse gewinnen. Bei diesem Verfahren wird mittels Strom das Wasser in seine Bestand­teile Wasser­stoff und Sauer­stoff zerlegt. Klima­neu­tral bleibt der Brenn­stoff also nur, wenn auch die Elek­tri­zität aus umwelt­freund­li­chen Quellen stammt. Hier kommen erneu­er­bare Ener­gien ins Spiel.

Durch deren Ausbau wird es immer wich­tiger, über­schüs­sige Energie, die nicht sofort ins Netz einge­speist werden kann, auch über längeren Zeit­raum zu spei­chern. Wind und Sonne halten sich eben nicht an die Nach­frage. In soge­nannten Power to Gas-Anlagen lässt sich dieser klima­freund­liche Strom nutzen, um beispiels­weise Wasser­stoff zu produ­zieren. Da Haus­halte einen großen Anteil am CO2-Ausstoß haben, könnte der Einsatz von Wasser­stoff für das Heizen einen wesent­li­chen Beitrag zum Klima­schutz leisten. Noch ist die Herstel­lung recht kosten­in­tensiv, doch die Heiz­tech­nik­branche steht in den Start­lö­chern.

Wasser­stoff ist auf dem Vormarsch

Bild 1: Das Grund­prinzip der Brenn­wer­therme funk­tio­niert auch mit Wasser­stoff. Aber nur wenn die Kompo­nenten entspre­chend ange­passt werden. Der Wasser­stoff brennt anders als Erdgas. (Foto | ebm-papst)

Bereits heute ist es erlaubt, in Abhän­gig­keit von den Gaskenn­werten nach DVGW Arbeits­blatt G260 Erdgas mit 4 bis 10 % Wasser­stoff anzu­rei­chern. Doch wäre es möglich, ganz auf Wasser­stoff umzu­steigen? Momentan laufen mehrere Projekte, um genau das heraus­zu­finden. So hat die briti­sche Regie­rung mit „Hy4Heat“ ein Programm aufge­setzt, das prüfen soll, welche tech­ni­schen und logis­ti­schen Hürden zu nehmen sind, um den Wasser­stoff­an­teil nach und nach zu stei­gern. In Groß­bri­tan­nien ist mit 80 % der Anteil der Haus­halte, die auf Gas setzen, im inter­na­tio­nalen Vergleich beson­ders hoch, der posi­tive Effekt wäre damit beson­ders spürbar.

Die dritt­größte Stadt des Landes Leeds plant, einen Teil ihres Gasnetzes mittel­fristig auf 100 % Wasser­stoff umzu­stellen. Auch auf dem Fest­land, genauer gesagt in den Nieder­landen, gehen die Über­le­gungen in eine ähnliche Rich­tung. Dort kommt hinzu, dass die Ressourcen der Erdgas­felder bald ausge­schöpft sind. In Rozen­burg bei Rotterdam laufen bereits Feld­tests mit einer Wasser­stoff­an­rei­che­rung von 100 %. Deutsch­land wiederum ist führend, wenn es um Power-to-Gas-Anlagen geht. Die Forscher unter­su­chen in Test­an­lagen, wie sich mit mini­malem Ener­gie­ein­satz möglichst viel Wasser­stoff erzeugen lässt. Und es gibt diverse Studien zur Umwand­lung von Gaspipe­lines zu Wasser­stoff­pipe­lines. Kurz: Der Markt ist in Bewe­gung.

Heraus­for­de­rungen für Hersteller

Etliche Hersteller arbeiten daher daran, ihre Brenn­wert­ge­räte auf den sauberen Ener­gie­lie­fe­ranten vorzu­be­reiten (Bild 1). Ziel ist es, dies mit möglichst wenigen tech­ni­schen und konstruk­tiven Ände­rungen zu schaffen. Die gute Nach­richt: Das bishe­rige Funk­ti­ons­prinzip kann bestehen bleiben. Aufgrund der Eigen­schaften von Wasser­stoff müssen hier jedoch im Wesent­li­chen folgende Aspekte berück­sichtig werden: die Leckage-Anfor­de­rungen, die Mate­ri­al­ver­träg­lich­keit und vor allem das Brenn­ver­halten.

Stich­wort Leckage: Wasser­stoff ist das leich­teste aller chemi­schen Elemente mit der nied­rigsten Dichte, es besitzt eine höhere Permea­bi­lität als Erdgas durch Elas­to­mere und Kunst­stoffe hindurch und hat wegen der etwas klei­neren dyna­mi­schen Visko­sität eine gering­fügig höhere Leckage als Erdgas. Die Dich­tig­keit der Kompo­nenten in der Brenn­wert­therme muss entspre­chend ange­passt und mit entspre­chenden Prüf­ver­fahren kontrol­liert werden. Eben­falls gilt es, die Verträg­lich­keit der Mate­ria­lien zu über­prüfen.

Beson­dere Aufmerk­sam­keit erfor­dert das Brenn­ver­halten (siehe Tabelle). So ist die Flam­men­ge­schwin­dig­keit achtmal höher als bei Methan. Dementspre­chend können Hersteller nicht mit den bishe­rigen Bren­nern arbeiten, der Druck­ver­lust steigt und die Leis­tung der Gebläse muss opti­miert werden. Vor allem muss darauf geachtet werden, dass die Zündung nicht zu spät erfolgt. Wasser­stoff ist nämlich sehr reaktiv und zündet wesent­lich besser als Methan. Der Feue­rungs­au­tomat muss deshalb gerin­gere Zünd­zeiten berück­sich­tigen. Ein weiterer Knack­punkt ist, dass für die Kontrolle und Über­wa­chung der Verbren­nung die gängigen Flam­men­mess­ver­fahren mittels Ioni­sa­tion nicht möglich sind. Heiz­ge­rä­te­her­steller müssen also neue Sensoren oder Ther­mo­ele­mente erproben.

Tabelle: Vergleich der Stoff­daten von Wasse­ar­stoff, Methan und Propan.

Ein entschei­dender Punkt ist zudem: Wasser­stoff hat zwar einen gerin­geren Heiz­wert als Methan, der für den Austausch von Brenn­gasen wich­tige Wobbe­index ist jedoch annä­hernd gleich hoch. Um eine opti­male Vermi­schung im Venturi zu reali­sieren, muss der Gas-Luft-Verbund­regler entspre­chend ange­passt werden. Dem Zusam­men­spiel von Gasge­bläse, Venturi und Gasventil kommt dementspre­chend eine wich­tige Bedeu­tung zu.

NRV 118 bereit für H2

Bild 2: Der „NRV 118 – Hydrogen“ ist für den Wasser­stoff­ein­satz bestens geeignet. (Foto | ebm-papst)

Der NRV 118 (Bild 2) von ebm-papst ist ohne Ände­rungen bereits für den Einsatz mit einem Wasser­stoff­an­teil von bis zu 10 % ausge­legt. Die Inge­nieure des Lands­huter Stand­orts haben das etablierte Verbund­system NRV 118 nun in mehreren Unter­su­chungen und ersten Feld­tests auf die Wasser­stoff­taug­lich­keit über­prüft. Das Ergebnis: Mit einigen Ände­rungen lässt sich das Verbund­system auf den Einsatz mit 100 Prozent Wasser­stoff anpassen. Das betrifft beispiels­weise die Dich­tig­keit von Gasventil und Gebläse, für die die Anfor­de­rungen erhöht wurden. Die verwen­deten Kunst­stoffe und Metalle wurden auf ihre Eignung über­prüft.

Ein weiterer Plus­punkt: Dank spezi­eller Vormi­sch­ein­rich­tung ist der NRV 118 bestens für den Wasser­stoff­ein­satz geeignet. Das „pre-fan-mix“-Gasgebläse kompen­siert den nied­ri­geren Wobbe­index und Heiz­wert von Wasser­stoff im Saug­be­trieb. Kompli­zierte Steu­er­lei­tungen sind nicht erfor­der­lich. Zudem können höhere Modu­la­tionen gefahren werden, da sich das Gasventil durch den Unter­druck optimal ansteuern lässt.

Bild 3: Noch ist es eine Vision. Aber Wasser­stoff könnte in Zukunft das Erdgas ablösen und als klima­neu­traler Brenn­stoff die Wärme­er­zeu­gung über­nehmen. (Illus­tra­tion | ebm-papst)

Unterm Strich können Hersteller damit auch bei einem Einsatz von 100 % Wasser­stoff auf den „NRV 118 Hydrogen“ setzen. Es wird noch einige Zeit dauern, bis der saubere Brenn­stoff flächen­de­ckend zum Heizen einge­setzt werden kann (Bild 3). Aber wenn die Entwick­lungen in Wissen­schaft, Politik und Indus­trie so weiter­gehen, könnte Jules Vernes Vision in nicht allzu ferner Zukunft aus dem Reich der Fiktion in die Realität treten. 

Was für Hersteller von Brenn­wert­thermen bei der Umstel­lung auf Wasser­stoff wichtig ist

  1. Die Flam­men­ge­schwin­dig­keit ist achtmal höher als bei Methan. Die Gebläse müssen auf den höheren Druck­ver­lust der Brenner ange­passt werden.
  2. Wegen der gering­fügig nied­ri­geren dyna­mi­schen Visko­sität muss auf die Leckage geachtet werden.
  3. Wasser­stoff hat eine hohe Permea­bi­lität. Es müssen geeig­nete Elas­tomer-Werk­stoffe verwendet werden.
  4. Flammen-Mess­ver­fahren mittels Ioni­sa­tion ist bei 100% Wasser­stoff nicht möglich. Hersteller müssen andere Sensoren oder Ther­mo­ele­mente erproben.
  5. Zünd­be­las­tungen und Zünd­zeiten müssen bei reinem Wasser­stoff möglichst niedrig gehalten werden.
  6. Der Heiz­wert von Wasser­stoff ist im Vergleich zu Methan geringer. Umso wich­tiger ist ein perfekt abge­stimmter Gas-Luft-Verbund.

 

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