Eine klima­neu­trale Zukunft ist nur dann möglich, wenn sich die Welt nach und nach von fossilen Brenn­stoffen verab­schiedet und durch saubere Ener­gie­träger ersetzt. Noch trägt das Heizen zu einem großen Teil zum welt­weiten CO₂-Austoß bei. Gas-Brenn­wert­thermen sind zwar bereits sehr effi­zient, doch mit einem grünen Brenn­stoff wie Wasser­stoff würde die Klima­bi­lanz besser ausfallen. Bis alle gasba­sierten Heiz­sys­teme voll­ständig auf Wasser­stoff umge­stellt sind, dauert es zwar noch, das ist aber nur eine Frage der Zeit.

Zwei Trends: Beimi­schung oder 100 Prozent H₂

Ange­sichts der langen Lebens­dauer von Gas-Brenn­wer­thermen von über 15 Jahren ist es daher sinn­voll schon heute zukunfts­fä­hige Lösungen zu entwi­ckeln. Groß­bri­tan­nien ist hier klar der Vorreiter: Ab 2025 müssen dort alle neu instal­lierten Gas-Boiler so konstru­iert sein, dass sie sich ohne nennens­werten Aufwand für einen hundert­pro­zen­tigen Wasser­stoff­be­trieb umrüsten lassen. Ein gewisser Zeit­druck ist also gegeben. Unvor­be­reitet ist die Branche aller­dings nicht. Schon seit einigen Jahren arbeiten Heiz­tech­nik­her­steller an Lösungen und es gibt euro­pa­weit verschie­dene Feld­tests, die den Wasser­stoff­ein­satz in lokalen Netzen erproben (siehe Kasten). Im indus­tri­ellen Maßstab steckt die Entwick­lung aber noch am Anfang.

Aktuell arbeitet der Markt in zwei Rich­tungen: Zum einen machen die Hersteller ihre Geräte fit für die Beimi­schung von Wasser­stoff zum konven­tio­nellen Erdgas. Zehn Prozent sind inzwi­schen problemlos möglich. Gerade etablieren sich 20 Prozent als der neue Stan­dard. In der Summe sind so erheb­liche CO₂-Einspa­rungen möglich. Zwar sind noch etwas höhere Beimi­schungen von etwa 30 Prozent beherrschbar, jenseits dieser Grenze sind weitere Stei­ge­rungen tech­nisch nicht sinn­voll. Deshalb geht die zweite Entwick­lungs­schiene dahin, Geräte zu bauen, die sowohl mit Erdgas als auch zu hundert Prozent mit Wasser­stoff betrieben werden können.

H₂-Heiz­kessel für Tiny House

Intergas entwi­ckelte einen Boiler für ein Tiny House, das mit 100 % Wasser­stoff heizt (Foto | ebm-papst, Miquel Gonzales)

Wie die Zukunft des Heizens aussehen könnte, hat der nieder­län­di­sche Heiz­tech­nik­her­steller Intergas im Kleinen schon erprobt. Für ein Tiny House hat das Unter­nehmen einen Boiler entwi­ckelt, der ein Tiny House mit hundert Prozent Wasser­stoff heizt.

Die Spezia­listen von ebm-papst haben das Projekt von Anfang an mit ihrem Know-how begleitet und auch Kompo­nenten beigesteuert. Gasventil und Gebläse sorgen dafür, dass der Betrieb sicher ist. Auch bei der Zerti­fi­zie­rung durch die nieder­län­di­sche Prüf­stelle Kiwa konnte ebm-papst unter­stützen. Intergas reali­siert gerade schon das nächste Projekt: Ende 2022 sollen bei Groningen 33 Häuser an ein Wasser­stoff­netz ange­schlossen werden.

Was Wasser­stoff beson­ders macht

Prin­zi­piell können Hersteller in beiden Fällen das Funk­ti­ons­prinzip ihrer Brenn­wert­ge­räte beibe­halten. Aufgrund der Wasser­stoff­ei­gen­schaften sind jedoch vor allem drei Aspekte zu beachten. Wasser­stoff ist das leich­teste aller chemi­schen Elemente mit der nied­rigsten Dichte. Damit hat es eine höhere Permea­bi­lität als Erdgas und bei den Kompo­nenten in der Therme muss man beson­deres Augen­merk auf die Dich­tig­keit legen. Der zweite Aspekt betrifft die Wahl geeig­neter Mate­ria­lien. Entschei­dender ist jedoch das Brenn­ver­halten: Zum einen ist die Flamm­ge­schwin­dig­keit bei der Verbren­nung von Wasser­stoff achtmal höher als bei Methan und zum anderen zündet es sehr schnell.

Bei einer Beimi­schung von bis zu 20 Prozent Wasser­stoff hat das Brenn­ver­halten noch eine unter­ge­ord­nete Bedeu­tung. Aller­dings gilt es trotzdem, ein beson­deres Augen­merk auf die Verbren­nung zu richten. Wasser­stoff hat einen gerin­geren Heiz­wert als Erdgas und der für den Austausch von Brenn­gasen wich­tige Wobbe­index ist eben­falls nied­riger. Somit ist es notwendig nach­zu­steuern, damit das System genauso effi­zient ist, wie im Erdgas­be­trieb. Für die Effi­zienz der Brenn­wert­ge­räte ist es daher umso entschei­dender, dass die Kompo­nenten des Gas-Luft-Verbunds perfekt aufein­ander abge­stimmt sind.

Denn nur mit einem opti­malen Mischungs­ver­hältnis von Erdgas, Wasser­stoff und Luft, ist die Ener­gie­aus­beute perfekt. Die System­lö­sungen CleanEco (pneu­ma­ti­scher Verbund) und Clean­Vario (elek­tro­ni­scher Verbund) bestehend aus Gebläse, Venturi, Gasventil und Steu­er­ein­heit von ebm-papst sind für den Einsatz von 20 Prozent Wasser­stoff bereits vorbe­reitet und zerti­fi­ziert. So sind die meisten Gasge­bläse in den verschie­denen Leis­tungs­klassen vom DVGW (Deut­scher Verein des Gas- und Wasser­fa­ches e. V.) geprüft und für die H₂-Beimi­schung zuge­lassen (Kopf­bild des Arti­kels). Dasselbe gilt für die Gasven­tile von ebm-papst. Die Gebläse sorgen in jedem Betriebs­zu­stand für das opti­male Misch­ver­hältnis von Luft und Gas (weitere Produkte s. Kasten am Ende des Texts).

Bei der Beimi­schung kann insbe­son­dere das elek­tro­ni­sche Verbund­system Clean­Vario seine Vorteile ausspielen, weil es gasad­aptiv ist und sich an unter­schied­liche Brenn­stoffe anpassen kann. Die für den schad­stoff­armen und zugleich effi­zi­enten Betrieb ideale Mischung von Brenn­stoff und Luft ist dann gegeben, wenn das Verbren­nungs­luft­ver­hältnis bei einem λ-Wert zwischen 1,2 und 1,3 liegt. Um zu prüfen, ob die Verbren­nung optimal verläuft, misst bei Clean­Vario eine Elek­trode direkt an der Flamme den Ioni­sa­ti­ons­strom. Je nachdem wie hoch oder niedrig dieser ist, wird das Gasventil elek­tro­nisch ange­steuert, um den Gasfluss zu erhöhen oder zu dros­seln. Somit ist es möglich die Verbren­nung unab­hängig vom Brenn­stoff zu steuern. Hierbei ist es uns gelungen, durch die intel­li­gente Verknüp­fung aller Aktoren und Sensoren die Zuver­läs­sig­keit des Systems über den Stand der Technik weiter­zu­ent­wi­ckeln. Bis zu einer Beimi­schung von 30 Prozent Wasser­stoff funk­tio­niert die Ioni­sa­ti­ons­tech­no­logie zuver­lässig. Bei 100 Prozent aller­dings nicht. Der Ioni­sa­ti­ons­strom ist dann kaum messbar.

Sichere Zündung, sicherer Betrieb

Bild 2: Die Grafik zeigt die Flamm­ge­schwin­dig­keit in Abhän­gig­keit von der Luft­kon­zen­tra­tion. Wasser­stoff (grüne Linie) zündet vor allem bei hoher Konzen­tra­tion deut­lich schneller als Methan (oran­gene Linie). (Grafik | ebm-papst)

Beim Betrieb mit 100 Prozent Wasser­stoff bekommt das Brenn­ver­halten eine entschei­dende Bedeu­tung. Wegen der hohen Flamm­ge­schwin­dig­keit und der Reak­ti­ons­freu­dig­keit des Elements beschäf­tigt die Heiz­technik­branche vor allem das Thema Sicher­heit. Wer das Brenn­ver­halten jedoch genau kennt, kann die Verbren­nung von Wasser­stoff sicher beherr­schen.

Beson­ders kritisch ist der Zünd­vor­gang. Die Gefahr ist, dass es dabei zu einem Flamm­rück­schlag kommt. In diesem Fall wandert die Flamme vom Brenner entgegen der Strom­rich­tung zurück Rich­tung Gas-Luft-Verbund. Das geschieht, wenn sich die Flamme nach der Zündung sehr schnell ausbreitet und ein derart hoher Druck entsteht, dass neues Brenn­stoff­ge­misch nicht schnell genug in den Brenner nach­strömen kann. Die Flamme sucht sich also selbst einen Weg, um sich weiter nähren zu können und wandert dem Brenn­stoff­ge­misch entgegen (Bild 2). Eine Möglich­keit die Zündung sicher zu machen, ist, den Luft­an­teil während des Start­vor­gangs zu erhöhen. Der Vorteil: Wasser­stoff zündet im Vergleich zu Erdgas schon bei sehr geringen Konzen­tra­tionen. Ist die kriti­sche Zünd­phase vorbei, geht das Gerät nach Sekun­den­bruch­teilen in den effi­zi­enten Regel­be­trieb zurück.

Zu einem Flamm­rück­schlag kann es aber auch bei laufendem Betrieb kommen, und zwar dann, wenn nied­ri­gere Leis­tungen abge­rufen werden. Grund ist die hohe Flamm­ge­schwin­dig­keit des Wasser­stoffs. Die Flamme kommt dort zum Stehen, wo die Flamm­ge­schwin­dig­keit genauso groß ist, wie die Ausström­ge­schwin­dig­keit. Bei Nenn­leis­tung geschieht das in ausrei­chendem Abstand zur Bren­ner­ober­fläche. Verrin­gert sich die Leis­tung, nimmt die Ausström­ge­schwin­dig­keit ab, die Flamme wandert Rich­tung Bren­ner­ober­fläche (Bild 3). Ab einem bestimmten kriti­schen Niveau besteht die Gefahr, dass die Flamme in den Brenner hinein­ge­langt und strom­auf­wärts wandert. Es muss also sicher­ge­stellt werden, dass auch bei nied­rigen Heiz­leis­tungen eine bestimmte Ausström­ge­schwin­dig­keit nicht unter­schritten wird.

Bild 3: Bei voller Leis­tung (a) sind die Ausström­ge­schwin­dig­keit und die Flamm­ge­schwin­dig­keit gleich groß. Die Flamme stabi­li­siert sich in einem ausrei­chenden Abstand zur Bren­ner­ober­fläche. Ist die Ausström­ge­schwin­dig­keit bei nied­riger Leis­tung (b) zu gering, kann es geschehen, dass die Flamme in den Brenner wandert und es zu einem Flamm­rück­schlag kommt. (Grafik | ebm-papst)

Gas-Luft-Verbund für 100 Prozent Wasser­stoff

Um den Flamm­rück­schlag zu verhin­dern, arbeitet ebm-papst an einem neuen Betriebs­kon­zept. Da für den elek­tro­ni­schen Verbund erst noch wirt­schaft­liche und genauso lang­le­bige Alter­na­tiven zur Ioni­sa­ti­ons­tech­no­logie gefunden werden müssen, ist Stand jetzt eine pneu­ma­ti­sche Lösung am sinn­vollsten. Für gewöhn­lich ist der pneu­ma­ti­sche Verbund bei der Instal­la­tion für ein bestimmtes Brenn­stoff­luft­ver­hältnis einge­stellt. Aller­dings gibt das System keine Auskunft darüber, wie hoch der Gemisch­vo­lu­men­strom ist, der in den Brenner gelangt. Um den Flamm­rück­schlag im Betrieb sicher zu verhin­dern, ist es aber wichtig, die Ausström­ge­schwin­dig­keit genau zu steuern. Aktuell arbeitet ebm-papst an einem elek­tro­nisch-pneu­ma­ti­schen Verbund, der genau das kann und zum Beispiel auch über ein ange­passtes Start­ver­halten auf die Anfor­de­rungen vorbe­reitet ist.

Bereit für die Zukunft

Wie genau die Zukunft des Heizens aussieht ist schwer zu prognos­ti­zieren. Sicher ist jedoch, dass Wasser­stoff eine bedeu­tende Rolle einnehmen wird, damit die Welt­ge­mein­schaft ihre Klima­ziele errei­chen kann. Für eine Über­gangs­zeit ist die Beimi­schung von etwa 20 Prozent zum normalen Erdgas wahr­schein­lich. Die Kompo­nenten von ebm-papst sind für diesen Einsatz vorbe­reitet. Das werden sie auch sein, wenn 100 Prozent Wasser­stoff in die Thermen strömt.