Wasserstoff dezentral erzeugt: Mit Wärmenutzung zu bestem Wirkungsgrad und mehr

Der Bedarf an grünem Wasserstoff wird rapide steigen. Die heute von der Bundesregierung für 2030 geplanten Elektrolysekapazitäten von 10 GW reichen dafür aber nicht aus. Die Hersteller könnten nach Angaben des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verband e.V. (DWV) deutlich mehr Anlagen liefern, jetzt werden entsprechende Standorte gesucht. In diesem Zusammenhang gilt es, die Gesamteffizienz durch eine geschickte Integration der Elektrolyseure in dezentrale Energiekonzepte zu maximieren.

Der mittelfristige Umstieg von Erdgas auf Biogas, Biomethan und klimaneutralen Wasserstoff beginnt schon heute. Bei Energieversorgern und Kommunen werden Konzepte erdacht, wie die Energie- und Wärmewende in ihren Verantwortungsbereichen umgesetzt werden kann. Oft fällt dabei das Wort „Wasserstoff“: Dieser Energieträger verbrennt CO₂-frei und damit klimaneutral. Zu seiner Herstellung muss aber Energie aufgewendet werden und deren Menge reduziert den Systemwirkungsgrad.

Wärmewende mit Wasserstoff

Das historisch gewachsene System der Energieversorgung ist zentral organisiert. Dies hat dazu geführt, dass die in Großkraftwerken fernab der Städte freigesetzte Wärme nicht genutzt wurde und bis heute ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Der Wirkungsgrad liegt bei diesen Kraftwerken nur knapp über 40 %. Seit vielen Jahren werden im städtischen Bereich aber kompaktere Kraftwerke eingesetzt, die in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) arbeiten. Das heißt, sie geben die stets frei werden Wärme zur weiteren Nutzung z. B. in ein Wärmenetz ab. Durch die doppelte Nutzung des Brennstoffs werden in der KWK Gesamtwirkungsgrade von mehr als 90 % erreicht.

Die Erzeugung von Wasserstoff kann von den Erfahrungen mit der KWK profitieren. Marktgängige Wasser-Elektrolyseure auf Alkali- oder PEM-Basis setzen ca. 60 bis 75 % der eingesetzten elektrischen Energie in Wasserstoff um. Der Rest wird größtenteils als Abwärme abgegeben, allerdings auf einem recht niedrigen Temperaturniveau von ca. 60 bis 80 °C. Dennoch ergeben sich für die Abwärme aus Elektrolyseuren eine Reihe an Anwendungen:

• Nahwärmenetze in Neubaugebieten
• Niedertemperatur-Netze
• Sommerbetrieb in Fernwärmenetzen
• Rücklaufanhebung zur Effizienzsteigerung von Heizungstechnik (z. B. von 55°C auf 65°C)
• Wärmenetze im Bestand
• Erhöhung der Quelltemperatur für Wärmepumpen zur Verbesserung deren Effizienz

Dies Anwendungsvielfalt zeigt, dass das KWK-Prinzip auch für die Wasser-Elektrolyse anwendbar ist. Durch die Nutzung der Abwärme steigt auch hier der Gesamtwirkungsgrad über 90 %, so dass die exergetisch hochwertige, elektrische Energie deutlich besser ausgenutzt wird.

Dezentrale Elektrolyse in integralem Einsatz: 5 GW bis 2030 gefordert

Der dezentrale Einsatz von Elektrolyseuren kann im Leistungsbereich unter 5 MW_el zukünftig eine wichtige Rolle im Energiesystem übernehmen. Anlässlich der Präsentation einer entsprechenden Studie meldete des Reiner Lemoine Institut am 10. März 2022: „Dezentrale Elektrolyseure verbessern die Energieausbeute aus Wind- und Solaranlagen, machen unser Energiesystem resilienter und sparen Netzausbaukosten. [..] . Solche dezentral eingesetzten Elektrolyseure nutzen lokale Überschüsse aus Wind- und Sonnenstrom volkswirtschaftlich vorteilhaft für die Produktion von grünem Wasserstoff. Sie können in vielen Netzgebieten in ganz Deutschland wirtschaftlich betrieben werden.“ Der Zubau dezentraler Elektrolyseure werde vor allem von kleinen und mittelständischen, lokal verankerten Unternehmen getragen werden. Dies stärke die regionale Wertschöpfung und stifte volkswirtschaftlichen Nutzen.

Zur Meldung des RLI gelangen Sie über diesen Link. Dort finden Sie auch die vollständige Studie zum kostenlosen Download.

Dezentrale Elektrolyse mit Wärmenutzung: Heute schon da

Vor dem Hintergrund der Effizienzdebatte wurden schon früh Wege zur Steigerung des Wirkungsgrades bei der Wasser-Elektrolyse gesucht – und gefunden:

Augsburg: PtX-Einsatz bei der Sanierung eines Wohnkomplexes

Das erste Projekt, das in Deutschland eine PtX-Anlage in die Heizzentrale einer Wohnanlage integriert hat, wurde 2018 mit dem Innovationspreis der Deutschen Gaswirtschaft prämiert. Hier wird lokal Wasserstoff erzeugt und zusammen mit lokal erzeugtem CO₂ in einer speziellen Reaktionsanlage methanisiert. Die in diesen beiden Anlagen freiwerdende Wärme wird zur Bereitung von Heizwärme und Trinkwarmwasser genutzt.

Weitere Projektinformationen

Stuttgart: Neue Weststadt Esslingen

Auf einem ehemaligen Eisenbahngelände wird seit 2018 ein vollständig klimaneutrales Quartier gebaut. Heute zeigt es sich beinahe vollständig fertig gestellt und bewohnt. Alle Dächer sind mit Solarzellen ausgestattet, mit dessen Strom neben der Eigenversorgung ein alkalischer Elektrolyseur versorgt wird. Die Abwärme daraus geht in das lokale Gebäudenetz und der Wasserstoff wird an den ÖPNV veräußert. Für Zeiten der  Spitzenlast stehen ein wasserstofffähiges BHKW und eine wasserstofffähige Brennwertheizung für die Wärmeerzeugung bereit.

Weitere Projektinformation

Bosbüll: Wärmewende auf Nordfriesisch

Windkraftanlagen am Ende ihrer geförderten Lebenszeit gaben den Ausschlag: Seit 2021 versorgen sie nicht mehr das öffentliche Netz, sondern einen Elektrolyseur und Großwärmepumpen direkt mit Strom. Aus der Abwärme dieser Anlagen wird ein nebenstehender Schweinemastbetrieb versorgt und über eine Wärmeleitung ist der nahegelegenen Ort Bosbüll angeschlossen. Der erzeugte Wasserstoff steht dem lokalen ÖPNV sowie allen weiteren Nutzern von Wasserstoff-KFZ auf eigenen Tankstellen zur Verfügung.

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