Wasserstoff-BHKW: Chancen und Möglichkeiten für die Energiewende

In Sachen nachhaltige Energiekonzepte spielen Erdgas und Biogas bereits ganz vorne mit. Doch es geht noch eine Stufe nachhaltiger – mit synthetischem Gas. Aktuell laufen bereits erste Projekte, Wasserstoff als Brennstoff in Blockheizkraftwerken einzusetzen. Ziel ist es, Erfahrungen mit dieser Art Synthese-Gas zu sammeln und die Technologien von Wasserstoff-BHKW zu testen.

Wie genau diese Wasserstoff-BHKW funktionieren, was die Vorteile dieser Technik sind und wie der aktuelle Stand der Forschung ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Diese Basics zum Element Wasserstoff sollten Sie kennen

Als erstes Element des Periodensystems hat Wasserstoff die Ordnungszahl 1 und ist das Element, welches im gesamten Universum am häufigsten vorkommt. Neben Wasser, Öl und Erdgas ist Wasserstoff in den meisten organischen Verbindungen zu finden. Im Unterschied zu Erdgas, das als Primärenergieträger zum Einsatz kommt, ist Wasserstoff nur als Sekundärenergieträger nutzbar. Grund dafür ist, dass dieser in der Natur nicht in reiner Form verfügbar ist, sondern erst hergestellt werden muss – auch wenn es seinen Einsatz als synthetisches Gas in einem Wasserstoff-BHKW finden soll.

Geht es um die Eigenschaften von Wasserstoff als Brennstoff in einem Wasserstoff-BHKW, ist es wichtig, zu wissen, dass er sich erheblich von anderen Energieträgern unterscheidet. Mit einem Heizwert von 3 kWh/m³ beinhaltet Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas (ca. 10 kWh/m³) jedoch um einiges weniger nutzbare Wärmemenge pro Kubikmeter Gas. Massebezogen ist Energie jedoch deutlich größer. Wasserstoff ist hochentzündlich. Gemische aus Luft und 4 bis 76 Vol.-% Wasserstoff sind brennbar. Ab einer Konzentration von 18 % in Luft ist das Gemisch explosiv (Knallgas). Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft, welcher die Energie aus erneuerbaren Quellen speichern soll um anschließend in den verschiedenen Sektoren seine Verwendung findet.

Wasserstoff als CO2-freier Brennstoff – das sind die Vorteile

Darüber hinaus kann Wasserstoff mit weiteren Aspekten hinsichtlich Nachhaltigkeit und Klimaschutz punkten. So liegt einer der größten Vorteile darin, dass bei der Verbrennung von Wasserstoff nahezu keine CO2-Emissionen anfallen. Denn bei diesem Prozess entsteht doch überwiegend Wasser. Hinzu kommt, dass sich Wasserstoff besonders gut als Speicher für überschüssige Energie aus Solar- oder Windkraftanlagen eignet. An Gas gebunden, lässt sich Strom aus erneuerbaren Energien auf diese Weise sowohl zeitversetzt als auch transportabel nutzbar machen. Dies ist ein weiteres Argument, dass für die Rolle von Wasserstoff als einem der wichtigsten Energieträger der Zukunft spricht.

Wie funktioniert Wasserstoff als Energiespeicher?

Im Zusammenhang mit dem Thema „Wasserstoff-BHKW“ und der Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien tritt zunehmend die Power-to-Gas-Technologie in den Vordergrund. Als Umwandlungstechnologie dient sie der Energiespeicherung – womit sich der Kreis zum Wasserstoff schließt. Denn bei einem chemischen Prozess durch Elektrolyse sowie gegebenenfalls durch eine nachgeschaltete Methanisierung und unter Zuhilfenahme von erneuerbarem Strom wird bei Power-to-Gas ein synthetisches Brenngas hergestellt. Das kann einerseits reiner Wasserstoff (H2) sein, welcher entweder direkt genutzt wird oder der bestehenden Gasinfrastruktur beigemischt wird. Des Weiteren kann es in einem nachgeschalteten Prozess noch zu Methan aufbereitet werden. In diesem Fall spricht man von der sogenannten Power-to-CH4-Methode. Bei dieser reagieren Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan (CH4) und Wasser (H2O).

Das Besondere daran? Dank Power-to-Gas lässt sich eigentlich nicht speicherbarer Strom aus erneuerbaren Energien doch speichern. Und wird darüber hinaus auch noch sektorenübergreifend verfügbar gemacht. Damit ist diese Methode überall dort eine besonders gute Alternative, wo fossile Energieträger geschont oder Gas „grüner“ gemacht werden sollen. Auch hinsichtlich der Unterstützung oder aber der Entlastung erneuerbarer Energien kann Power-to-CH4 punkten. Das betrifft auch den Einsatz von Wasserstoff in einem BHKW.

Wasserstoff-BHKW – diese Möglichkeiten gibt es

Generell stehen zwei Optionen zur Auswahl, um ein Wasserstoff-BHKW zu betreiben: als reines Wasserstoff-BHKW oder bivalent betrieben mit einem Erdgas-Wasserstoff-Gemisch. Der Unterschied beider Betriebsarten liegt darin, dass ein reines Wasserstoff-BHKW, wie die Bezeichnung schon vermuten lässt, ausschließlich Wasserstoff als Brennstoff nutzt. Hierbei ist es notwendig, das BHKW technisch etwas umzurüsten. Bei einem bivalent betriebenen BHKW hingegen ist es möglich, dass dieses sowohl mit Wasserstoff als auch mit Erdgas laufen kann. Oder aber mit einer Mischung aus beiden Brennstoffen. Auch hierfür ist eine Umrüstung erforderlich. Denn um den Einsatz des Kraftstoffes Wasserstoff bewältigen zu können, müssen z.B. die Ventile, Dichtungen etc. des BHKWs anders bzw. robuster beschaffen sein.

Hinzu kommt, dass der Motor in einem Wasserstoff-BHKW eine andere Steuerungssoftware benötigt. Außerdem gilt es, sicherheitstechnische Anforderungen neu zu konzipieren. Erste Testläufe des Herstellers Innio (Jenbacher) haben zudem ergeben, dass ein Wasserstoff-BHKW für die Verbrennung von Wasserstoff bzw. von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen über eine spezielle Sensorik zur Optimierung der Motorsteuerung verfügen müssen. Weiter müssen die Aufladung im Turbolader und die Kolben angepasst und eigens angefertigte Wasserstoff-Einspritzventile installiert werden.

Wasserstoff im BHKW als Treiber der Energiewende

Fest steht, für den erfolgreichen Betrieb von Wasserstoff-BHKW ist einiges an Fachwissen erforderlich. Dennoch sind die Vorteile eines solchen Blockheizkraftwerks und dessen positive Auswirkungen auf die Umwelt immens. So ist bereits heute klar, dass Wasserstoff im BHKW einer der entscheidenden Treiber der Energiewende werden kann. Mit einer Technik, die heute schon möglich ist. Denn erst der Umstieg auf Synthese-Gase macht den Betrieb von BHKW- und auch KWK-Anlagen erst richtig nachhaltig und klimaschonend. Doch bis Wasserstoff-BHKW sich fest auf dem Markt etabliert haben, wird noch einiges an Zeit vergehen. Denn die Forschungen zum Thema stehen erst am Anfang. Ziel ist es, die erforderlichen Technologien wirklich erfolgreich und gewinnbringend einsetzen zu können. Dazu sind eingehende Untersuchungen und Testläufe mit die wichtigste Voraussetzung.

Best Practice: Ein Wasserstoff-BHKW mitten in Hamburg

Wie solch ein Wasserstoff-BHKW in der Praxis aussieht, zeigt ein gemeinsames Projekt von INNIO und HanseWerk. Im Zentrum von Hamburg steht seit 2020 ein Blockheizkraftwerk der 1-MW-Klasse. Es läuft mit grünem – d.h. aus überschüssiger Windenergie – erzeugtem Wasserstoff. Dieses Leuchtturmprojekt soll das Vorhaben von Hamburg und Schleswig-Holstein vorantreiben, Norddeutschland zum deutschen Zentrum der Wasserstoff-Technologie zu machen. Das BHKW wird mit dem ersten Jenbacher Gasmotor betrieben, der mit bis zu 100 Prozent Wasserstoff arbeiten kann.

Nach der erfolgreichen Abnahme beliefert das BHKW neben einigen Wohngebäuden zuverlässig das UCI-Kinocenter in Othmarschen. So stellt es die Weichen für eine grünere, sicherere und flexiblere Energieversorgung Hamburgs. Analog zu diesem erfolgreichen Projekt will die Stadt künftig weitere Gasmotorenanlagen umrüsten. Und sie möchte übergreifend grünen Wasserstoff für Abnehmer der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr bereitstellen.