Zukunft Wasserstoffheizung – Teil 3

Wasserstoff hat Zukunftspotential. Deswegen setzen immer mehr Länder auf Wasserstoff-Strategien – mit dem Ziel, den CO₂-Ausstoß weiter zu reduzieren und so ihre Klimaziele zu erreichen. In der Wärme- und Warmwasserversorgung bietet Wasserstoff, wie in den ersten beiden Teilen der Serie erläutert, zusätzlich zur Wärmepumpen-Technologie einen möglichen Hebel für eine konsequente Dekarbonisierung des Gebäudesektors. Alle großen Heiztechnik-Hersteller arbeiten an Technologien und Heizgeräten, die in der Lage sind, Wasserstoff sowohl in Form von Beimischung zu Erdgas als auch als Energieträger in Reinform zu nutzen.

Technisch können Heizgeräte bereits jetzt ein Gemisch von Erdgas und Wasserstoff verbrennen. Denn Wasserstoff ist letztendlich auch nur ein brennbares Gas. Und damit bleibt das technische Grundprinzip des Heizgerätes gleich. Beachtet werden müssen jedoch die abweichenden physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas.

„Nach unseren derzeitigen Tests bieten auch unsere älteren Gas-Brennwertgeräte die Möglichkeit, einen Wasserstoffanteil im Gasnetz störungsfrei zu verarbeiten“, so Sven Hanfland, Director Group R & D Wall Hung Appliances in der Vaillant Group. „Denn Wasserstoff hat einen vergleichbaren Wobbe-Index wie Erdgas. Je mehr Wasserstoff dem Erdgas beigemischt wird, desto höher steigt die Luftzahl im Gerät. Und genau hier liegt eine technische Besonderheit, denn wir müssen künftig mit einem fluktuierenden Anteil an Wasserstoff im Gasnetz rechnen. Im Hinblick auf Altgeräte in den Häusern und Wohnungen muss für die Wasserstoff-Beimischung geklärt werden, ob und bis zu welcher Grenze ein Betrieb der Geräte ohne technische Anpassungen möglich ist.“ Dies betrifft auch atmosphärische Gas-Heizgeräte, die noch im Bestand anzutreffen sind. Jedoch deuten die stattfindenden Versuchsreihen des Remscheider Unternehmens darauf hin, dass auch atmosphärische Gas-Heizgeräte eine Beimischung von Wasserstoff verarbeiten können.

Im Hinblick auf Altgeräte in den Häusern und Wohnungen muss für die Wasserstoff-Beimischung geklärt werden, ob ein Betrieb der Geräte ohne technische Anpassungen möglich ist und bis zu welcher Grenze.“ Dies betrifft insbesondere atmosphärische Gas-Heizgeräte, die noch im Bestand anzutreffen sind. Derzeit deuten die stattfindenden Versuchsreihen des Remscheider Unternehmens darauf hin, dass auch atmosphärische Gas-Heizgeräte eine Beimischung von Wasserstoff verarbeiten können.

Ungeklärt ist jedoch nach wie vor die Frage, wie hoch der Wasserstoffanteil im Erdgasnetz in Zukunft sein soll. Aktuell liegt die mögliche Beimischquote in Deutschland bei 10 %. Diese wird allerdings nicht ansatzweise ausgeschöpft. Hier sind die Gesetzgeber auf Länderebene und in der EU gefordert, eindeutige Regelungen zu treffen, die sowohl dem Ziel der Reduzierung von CO₂-Emissionen als auch der Gerätesicherheit dienen.

Aktuelle Gas-Brennwertgeräte passen sich automatisch an Gasarten an

Die Wasserstoff-Beimischung bewirkt, dass durch die CO₂-freie Verbrennung des Wasserstoffanteils der CO₂-Ausstoß von Gas-Brennwertgeräten unmittelbar sinkt. Möglich ist dies, da moderne Gas-Brennwertgeräte mit einer Wasserstoff-Beimischung in der Regel keine Probleme haben. Denn sie verfügen über Technologien, die für eine automatische Anpassung auf Gasarten, -qualitäten und -zusammensetzungen sorgen. Auch die derzeit stattfindende Marktraumumstellung in West- und Norddeutschland von L- auf H-Gas hat für derartige Gas-Brennwertgeräte keine Auswirkungen. Sind hier bei älteren Geräten in der Regel Austausch- und Einstellungsarbeiten notwendig, adaptieren neue Gas-Brennwertgeräte einfach die Qualität des bereitgestellten Gases im Verbrennungsprozess.

Bestes Beispiel dafür sind die wandhängenden Gas-Brennwertgeräte „ecoTEC plus“ und „ecoTEC exclusive“ von Vaillant. Beide verfügen serienmäßig über die Verbrennungsregelung „IoniDetect“. Diese erkennt über den Ionisationsstrom Gasarten automatisch und gleicht Qualitätsschwankungen aus. Die kontinuierliche Anpassung des Gas-Luft-Gemisches sorgt für einen hocheffizienten Betrieb mit einer stets optimierten Energieausbeute. Das System arbeitet komplett automatisch. Diese Technologie funktioniert auch bei einer Beimischung von Wasserstoff sicher und effektiv. „Unsere Gas-Brennwertsysteme der neuesten Generation sind bereits heute in der Lage, Gas mit hoher Beimischung von Wasserstoff zu verbrennen. In unseren Laboren konnten wir sogar Beimischungen bis zu 30 % erfolgreich erproben“, so Sven Hanfland dazu.

Doch wie sieht es bei Gas-Brennwertgeräten aus, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden sollen? Realistisch könnte das schon mittelfristig sein, in geschlossenen H₂-Netzen, die regional betrieben werden. Nicht nur in Deutschland, sondern auch in Ländern der EU und in Großbritannien sind solche Wasserstoffinseln in der Planung. Hierbei stehen zunächst geschlossene Konzepte der Erzeugung von grünem Wasserstoff innerhalb von Wohnquartieren, Stadtteilen oder ganzen Städten und der direkte Verbrauch des dort produzierten grünen Wasserstoffs im Fokus. Hierfür werden mittelfristig Gas-Brennwertgeräte benötigt, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden können.

Bei der Entwicklung von Gas-Brennwertgeräten für reinen Wasserstoff stehen vor allem zwei Aspekte im Mittelpunkt: die Konstruktion des Brenners und die Flammenüberwachung. Im Vergleich zu Erdgas hat Wasserstoff eine fünf- bis zu siebenfach höhere Verbrennungsgeschwindigkeit. Wird unter diesen Voraussetzungen ein Brenner für Erdgas eingesetzt, gerät schnell das Gleichgewicht zwischen Ausström- und Flammengeschwindigkeit ins Wanken. Ziel ist es deswegen, wasserstofftaugliche Gasbrenner zu entwickeln und einzusetzen, die speziell für die Verbrennungsgeschwindigkeit von Wasserstoff geeignet sind und ebenso hohen Sicherheitsanforderungen genügen, wie reguläre Gas-Brennwertgeräte dies tun.

In puncto Flammenüberwachung sind derzeit erhältliche Gas-Brennwertgeräte zwar mit der bereits beschriebenen Ionisationstechnologie ausgerüstet. Beim Einsatz von reinem Wasserstoff ist der Ionisationsstrom aber um mehrere Zehnerpotenzen geringer als bei Erdgas. Im unteren Teillastbereich der Wärmeerzeugung tendiert er sogar fast gegen null. Die Konsequenz: Der Ionisationsstrom kann nicht zur Flammenüberwachung eingesetzt werden. Alternative technische Lösungen sind Bestandteil fortgeschrittener Entwicklungsprojekte. Der Heiztechnikspezialist Vaillant beispielsweise testet derzeit ein seriennahes Gerät für eine 100-%-ige H₂-Nutzung im Dauerbetrieb.

Nur wenig Änderungen für das Fachhandwerk bei reinen Wasserstoff-Heiz-geräten

Alle anderen Komponenten bekannter Gas-Brennwertgeräte können jedoch in ihrer Größe und Dimensionierung auch bei reinen „Wasserstoffgeräten“ genutzt werden. Das betrifft die Gasarmaturen genauso wie beispielsweise die Abgassysteme oder die hydraulischen Anschlüsse. Auch die Gerätedimensionen und der Aufbau werden quasi 1:1 übertragbar sein, sodass sich hier im Alltagsgeschäft für das Fachhandwerk kaum Veränderungen in der Montage ergeben werden. Leitungen aus Kupfer oder Edelstahl, die heute das Erdgas transportieren, können nach jetzigem Kenntnisstand künftig ebenfalls Wasserstoff führen. Derzeit wird noch abschließend geprüft und bewertet, ob auch die verwendeten Dichtungen weiter genutzt oder durch alternative Materialien ersetzt werden müssen.

„Bei Vaillant fördern wir den Einsatz von Wasserstoff im Heizungssektor und arbeiten an 100 % wasserstoffbetriebenen Heizsystemen. Wir führen Testreihen zu wandhängenden Wasserstoff-Heizgeräten durch“, erläutert Michael Paul, Senior R & D Project Manager bei der Vaillant Group. „Eine Vaillant Wasserstoff-Heizung senkt nicht nur den CO₂-Ausstoß auf null, das Gerät lässt sich im Prinzip genauso betreiben und nutzen wie ein heute übliches Gas-Brennwertgerät. Es ist platzsparend, sicher und einfach in der Anwendung – und es bietet höchsten Komfort bei Heizung und Warmwasser. Voraussetzung für diese zukunftsweisenden Lösungen ist die ausreichende Verfügbarkeit von grünem Wasserstoff.“

Und genau an diesem Aspekt – der Verfügbarkeit von genug grünem Wasserstoff – hängt die weitere Entwicklung dieses umweltfreundlichen Energieträgers und damit auch die Möglichkeit, die Energiewende weiter zu beschleunigen. Viele Skeptiker argumentieren, dass dies bereits in der Vergangenheit das entscheidende Kriterium war, an dem die breite Nutzung von Wasserstoff mehrfach gescheitert ist. Doch im Vergleich zu diesen Situationen haben sich die Rahmenbedingungen entscheidend geändert. Nicht nur in der Politik und bei den Herstellern steht das Thema auf der Agenda. Auch die bisher den Energiemarkt dominierenden Ölförderländer beginnen damit, ihre Strategien und Einnahmequellen auf die Anforderungen der Zukunft und damit auf einen weltweiten Wasserstoffmarkt auszurichten. Insbesondere das bestehende Erdgasnetz kann mit seiner gigantischen Infrastruktur einen entscheidenden Anteil an dieser Energiewende haben – mit Möglichkeiten der Speicherung von Energie, was beim Strom derzeit nicht in großem Umfang umsetzbar ist.

Fazit

Unsere Serie zur „Zukunft Wasserstoffheizung“ hatte das Ziel, einen umfassenden und grundlegenden Überblick in die aktuellen Markt- und Branchentrends zum Thema Wasserstoff zu bieten. Dazu haben wir Grundwissen über Wasserstoff, seine Herstellung, Nutzungspotentiale sowie die politischen und strategischen Vorbereitungen für eine entstehende Wasserstoffwirtschaft gegeben. Insbesondere ein Einblick in die Entwicklung von Wasserstoff-Heizgeräten stand dabei im Fokus. Die Verwendung von Wasserstoff kann ein wichtiger Baustein für die Energiewende im Gebäudesektor sein und helfen, den CO₂-Ausstoß so weit zu reduzieren, dass die Klimaziele erreicht werden können. Hocheffiziente Brennwert-Heizgeräte in Kombination mit grünem Wasserstoff sowie die Nutzung der bestehenden Infrastruktur in Form von Gasnetzen und Gasspeichern bieten dafür alle Voraussetzungen.