Baustein für die Klimawende: Heizen mit Wasserstoff

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.“

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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.

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.

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• 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.

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Nachhaltig heizen mit Wasserstoff – geht das?

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

1. 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.

2. 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

Foto: Adobe Stock

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

Foto: Home Power Solutions

„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:

1. Hier befindet sich der Wechselrichter, der den Solarstom umwandelt und in eine 25-kWh-Batterie als Kurzzeitspeicherlösung einleitet.
2. Überschüssiger Strom wird in einen Elektrolyseur geführt, wo aus dem Strom Wasserstoff erzeugt wird.
3. 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.
4. 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.