Cradle Mag
Forschung und Wissen

Forschung und Wissen

Sustainable Design und Nachhaltigkeit in der Forschung − verständlich erklärt. Publikationen von Universitäten und NGO's veröffentlichen wir kostenlos, wenn sie mit ihrem nachhaltigen Ansatz zu CRADLE passen: Schreiben Sie uns gerne an!

Cradle Mag
Forschung und Wissen
Baustein für die Klimawende: Heizen mit Wasserstoff

Baustein für die Klimawende: Heizen mit Wasserstoff

Foto: Adobe Stock

Wasserstoff ist ein interessanter und wichtiger Baustein, wenn es um emissionsfrei erzeugte Energie geht. Seine Rolle für die nachhaltige Versorgung unserer Häuser mit Energie wird stetig wachsen. Wie aber lässt sich sicherstellen, dass Wasserstoff auch wirklich nachhaltig ist?

In diesem Artikel geht es auch um die Frage, wie sich Wasserstoff als Speicher für CO₂-neutral erzeugte Energie im Einfamilienhaus nutzen lässt. Wasserstoff kann als Langzeitspeicher die in der eigenen Photovoltaikanlage erzeugte Sonnenenergie bis in die dunkle, kalte Jahreszeit vorhalten. Das ist keine Zukunftsmusik mehr, aber die breite Anwendung steht noch aus.

Ein Beitrag unserer Redaktion.

Der Energieträger Wasserstoff ist von nationaler Bedeutung für die Klimawende

Im Sommer 2022 trafen sich die Länder Norwegen und Deutschland in Hamburg zum ersten Deutsch-Norwegischen Wasserstoff-Forum (German-Norwegian Hydrogen Forum). Beide Länder schmiedeten einen Pakt zur stärkeren Zusammenarbeit bei der Erzeugung und Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. In der offiziellen Pressemeldung liest man den Grund für diese forcierte Zusammenarbeit: „Die Klimakrise und die aktuelle geopolitische Situation führen nun dazu, dass große Mengen an Wasserstoff benötigt werden, und zwar schnell und zu möglichst geringen Kosten.“

Offshore-Windpark — Grüner Wasserstoff kann beispielsweise mithilfe von Windenergie erzeugt werden.

Warum Norwegen, warum Norddeutschland? Die Erzeugung von Wasserstoff benötigt große Energiemengen. Länder mit der Möglichkeit, Energie aus nachhaltiger Windkraft oder Wasserkraft zu erzeugen, haben hier viele Möglichkeiten. Außerdem haben sowohl Norwegen als auch Deutschland ehrgeizige Pläne, die Nutzung erneuerbarer Energien voranzutreiben. Nicht erst seit der Energiekrise seien „die erneuerbaren Energien … zu einer Frage der nationalen Sicherheit geworden“, meldet das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Entsprechend ambitioniert sind die Ziele: Bereits im Jahr 2030 sollen mindestens 80 Prozent des verbrauchten Stroms in Deutschland aus erneuerbaren Energien stammen.

Weiterführende Leseempfehlung: In diesem Gastbeitrag haben wir die wichtigsten Erkenntnisse der Studie „Klimaneutrales Deutschland“ des Öko-Instituts, Prognos und des Wuppertal Instituts auf CRADLE zusammengefasst.

EEG 2023: Ausbau der Wasserstoff-Speicher-Technologie

Im Erneuerbare-Energien-Gesetz 2023 besitzt das Thema Wasserstoff einen wichtigen Stellenwert. Die Speicherung der durch die Erneuerbaren erzeugten Energie in Form von Wasserstoff spielt dabei eine große Rolle und wird durch Ausschreibungen entsprechend vorangetrieben: „Ausschreibungen für innovative Konzepte erneuerbarer Energien mit lokaler wasserstoffbasierter Stromspeicherung sollen den Markthochlauf der Wasserstofftechnologie befördern und zeigen, wie sich die fluktuierende Erzeugung aus erneuerbaren Energien verstetigen lässt. Hinzu kommen Ausschreibungen für sogenannte Wasserstoff-Sprinterkraftwerke. In diesen Kraftwerken wird grüner Wasserstoff oder das Folgeprodukt Ammoniak eingesetzt.“

Umfrage Energieträger — Die Zukunft gehört den erneuerbaren Energien: Gemäß einer aktuellen Umfrage des forsa-Meinungsforschungsinstituts im Auftrag der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) liegt Wasserstoff gleichauf mit Energie aus Windkraft.

Kleine Wasserstoff-Farbenlehre

Der norwegische Wirtschaftsminister Jan Christian Vestre sagte: „Norwegen und Deutschland haben eine Energie-Partnerschaft. Jetzt wird sie mit deutlichem Fokus auf grünem Wasserstoff, aber auch auf blauem Wasserstoff … weiterentwickelt.“

Grüner und blauer Wasserstoff? Tatsächlich ist im Zusammenhang mit Wasserstoff immer wieder von solchen Farben die Rede, denn sie spielen eine große Rolle, wenn es um die ökologische Beurteilung des erzeugten Wasserstoffs geht. Natürlich ist das Gas selbst nicht farbig, sondern die Farbe ist ein Code, der die CO₂-Neutralität des Wasserstoffs beschreibt.

Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektrolyse. Dabei wird vom Ausgangsmedium Wasser mithilfe von Stromenergie das Sauerstoffatom abgespalten. Der Sauerstoff entweicht, übrig bleibt der Wasserstoff. Kommt als Energiequelle Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft zum Einsatz, ist das Verfahren CO₂-neutral und der Wasserstoff wird grün.

Pinker Wasserstoff entsteht wie grüner Wasserstoff. Die Energiequelle für die Elektrolyse ist jedoch Atomstrom – mit den dafür typischen Fragen zur Endlagerung der strahlenden Abfallprodukte. CO₂ wird hierbei allerdings nicht freigesetzt.
Grauer Wasserstoff nutzt als Energieträger Kohle, Erdgas oder Erdöl. Über ein Verfahren, dass sich Dampfreformierung nennt, wird der Wasserstoff aus den dabei entstehenden Kohlenwasserstoffen herausgelöst. Das Verfahren ist nicht CO₂-neutral, weil Kohlendioxid in die Atmosphäre entweicht.
Türkiser Wasserstoff benötigt Erdgas als Energiequelle. Die dabei verwendete Methanpyrolyse löst das Erdgas in die Komponenten Wasserstoff und festen Kohlenstoff auf. Kommt die eingesetzte Energie aus regenerativer Erzeugung, wird im Prozess kein CO₂ freigesetzt. Der Kohlenstoff muss allerdings eingelagert oder anderweitig genutzt werden. Auch ist natürlich die Förderung von Erdgas nicht vollkommen klimaunschädlich.
Blauer Wasserstoff wird genau wie grauer Wasserstoff erzeugt. Allerdings wird das Kohlendioxid nicht in die Atmosphäre abgegeben. Es wird über ein besonderes Verfahren (Carbon Capture and Storage – CCS) unterirdisch gespeichert oder industriell weitergenutzt.

Innovation aus Australien: Grüner Wasserstoff aus normaler Luft

Das Thema ist heiß. Entsprechend intensiv wird an der Herstellung von grünem Wasserstoff geforscht. In einer australischen Studie hat ein internationales Team Anfang September 2022 eine Technologie vorgestellt, mit deren Hilfe Wasserstoff aus normaler Luft hergestellt wird. Es wird also kein Trinkwasser oder entsprechend aufwendig aufbereitetes Salzwasser benötigt – auch eine endliche Ressource, deren Verfügbarkeit in vielen Regionen der Welt gar nicht sichergestellt ist.

Das Verfahren benötigt Luft mit einer minimalen Feuchtigkeit von nur vier Prozent – deshalb wären durchaus auch Wüstenregionen dafür geeignet. Die sogenannte „Direkte Luft-Elektrolyse“ (Direct Air Electrolysis, DAE) besitzt einen erstaunlichen Effizienzgrad von bis zu 95 Prozent. Die Energie für den Prozess kommt aus Wind- oder Sonnenenergie.

Baum und Sonnenstrahlen — Wenn Wasserstoff nachhaltig erzeugt wird, ist er eine grüne Energiequelle.

Nachhaltig heizen mit Wasserstoff – geht das?

Wasserstoff kann heute im Einfamilienhaus bereits in unterschiedlichen Varianten genutzt werden.

Sogenannte H2-Ready-Heizgeräte können Erdgas verbrennen, das mit 20 Prozent Wasserstoff versetzt wurde. Der Nachteil: Hier wird immer noch eine sehr große Menge Erdgas benötigt. Nachhaltig ist das nicht. Und es fördert auch nicht die Gas-Unabhängigkeit.

Brennstoffzellenheizungen erzeugen Wärme, elektrischen Strom und als Abfallprodukt Wasser. Dabei wird die oben beschriebene Elektrolyse umgekehrt: Der Wasserstoff wird einer „kalten Verbrennung“ zugeführt, einen chemischen Prozess der Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser umwandelt. Dabei entstehen Wärme und elektrischer Strom. Beides kann im Haus zum Heizen eingesetzt werden – über Wärmetauscher und als Stromlieferant für zum Beispiel eine Wärmepumpe. Unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten hat die Brennstoffzellenheizung üblicher Bauart allerdings einen Makel: Der Wasserstoff für die Brennstoffzelle wird aus Erdgas gewonnen, sodass man als Eigentümer wieder in der Abhängigkeit zu Erdgas ist.

Wie oben erwähnt, kann Wasserstoff aber auch eine ganz andere Funktion haben: Er kann als reiner Speicher für nachhaltig erzeugte Energie dienen. Eine Idealvorstellung wäre ein geschlossener Kreislauf aus

Stromerzeugung mittels Photovoltaikanlage,
Speicherung als Wasserstoff zur späteren Nutzung und
Rückverwandlung des Wasserstoffs in Strom – und zwar am besten direkt am Haus oder für eine Häuserzeile oder als Strom-Cluster in einem Straßenzug.

Wasserstoff kann – anders als die bisher genutzten Hausbatterien – dann nicht nur als Kurzzeitspeicher für den nachhaltig erzeugten Photovoltaikstrom dienen, sondern auch als Langzeitspeicher.

Wasserstoff selbst herstellen: in der Wasserstoff-Hausanlage mit Photovoltaik

Das immanente Problem der Solarenergie ist die Speicherung des erzeugten Stroms. Wasserstoff könnte ein Baustein zur Lösung sein – und zwar sogar im kleinsten Anwendungsfall: für ein einzelnes Haus. An der Umsetzung dieser Idee wird bereits gearbeitet.

Stellen Sie sich ein Haus vor, das im Sommer mit der eigenen Photovoltaikanlage große Stromüberschüsse produziert. Sogar so viel, dass der Kurzzeitspeicher nicht ausreicht, um diese Strommengen aufzunehmen. Hier würde der Wasserstoff als willkommene Speicherlösung dienen können – und zum Beispiel im Winter die Strom- und Wärmeversorgung des Hauses sicherstellen. Jahreszeitlich unabhängige Stromunabhängigkeit wäre die Folge.

Die Wasserstoffheizung ohne Gas fürs Eigenheim

kompakte-energiezentrale-im-eigenen-haus — Ein Schrank von einer Energiezentrale: Piceas Herz schlägt im Haustechnikraum.

„Picea“ ist das erste kompakte Solar-Wasserstoff-System, das sich direkt an die Besitzer von Einfamilienhäusern richtet.

Auf dem Dach sorgt die Photovoltaikanlage für den nachhaltig erzeugten Sonnenstrom. In einem wuchtigen Schaltschrank im Hauswirtschaftsraum steht die Energiezentrale von „Picea“. Sie vereint alle notwendigen technischen Geräte:

Hier befindet sich der Wechselrichter, der den Solarstom umwandelt und in eine 25-kWh-Batterie als Kurzzeitspeicherlösung einleitet.
Überschüssiger Strom wird in einen Elektrolyseur geführt, wo aus dem Strom Wasserstoff erzeugt wird.
Der Wasserstoff wird außerhalb des Hauses in Wasserstofftanks gespeichert. Diese können an den individuellen Stromverbrauch des Hauses angepasst werden. Diese Speicher können die Energie aus der „Sommersonne“ dann bis in den Winter aufbewahren.
Im Schaltschrank findet sich auch eine Brennstoffzelle zur Rückverstromung: Der Wasserstoff kann hier wieder in elektrische Energie und Wasser rückverwandelt werden. Die dabei entstehende Wärme wird ebenfalls zum Heizen genutzt. Ein Energiemanager sorgt für die Zusammenarbeit aller Komponenten.

wasserstoff-langzeitspeicher — Vorm Haus finden die Langzeitspeicher für den Wasserstoff ihren Platz.

Ein solches System ist von A bis Z vollkommen CO₂-neutral. Noch ist die Lösung sehr teuer, aber mit der Entwicklung der Technologie und der anhaltenden Energieknappheit werden sich bald weitere Innovatoren finden – und die Preise sinken.

Nachhaltigkeitspreis der DGNB: Wasserstoff selber herstellen mit Photovoltaik

Am 8. Juli 2022 wurde der Hersteller HPS Home Power Solutions mit dem Nachhaltigkeitspreis der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) ausgezeichnet. Der Preis in der Kategorie „Innovation“ geht an HPS für den Ganzjahres-Stromspeicher mit Wasserstoff „Picea“.

Text: Christian Mascheck