12. Februar 2024

Wasserstoffheizung: Nur ein Experiment oder eine ernsthafte Alternative?

Im Neubau hat die Wärmepumpe ohne Frage alle anderen Heizungen längst verdrängt. Und auch im Baubestand setzt sich die Wärmepumpe aufgrund neuer Technologien immer schneller durch. Doch das GEG spielt die Karte der möglichen Technologieoffenheit aus. Nur – mit welchen Produkten? Ist hier die Wasserstoffheizung eine machbare Alternative? Informationen zum technischen Stand der Dinge.

Bei der Wärmepumpe ist in puncto Beliebtheit bei Haus- und Wohnungseigentümern nach einem kontinuierlichen, jahrelangen Wachstum der Marktanteile im Zuge der Gaskrise spätestens 2022 ein tiefgreifender Bewusstseinswandel erfolgt. Hier hatte sich die Wärmepumpe ohne Frage als der einzige Wärmeerzeuger positioniert, der das Zeug dazu hatte, die bisherigen Heizkonzepte abzulösen. Dann kamen politische Querelen rund um die Novelle des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und mit ihr zusammen eine Verunsicherung in der Bevölkerung, die bis heute nachhallt. Doch sicherlich ist unstrittig, dass diese Entwicklung mittel- und langfristig die Wärmewende von fossilen Energieträgern hin zur Wärmepumpe nicht aufhalten, aber doch verzögern kann. 

Mit der mittlerweile beschlossenen Novelle des GEG ist zudem der schon im Koalitionsvertrag vereinbarte Umstieg auf das Heizen mit erneuerbaren Energien eingeleitet worden. Ebenfalls soll das GEG mit dem noch zu verabschiedenden Wärmeplanungsgesetz für Kommunen (WPG) verknüpft werden. Das WPG soll ab Januar 2024 gelten. Sobald eine kommunale Wärmeplanung vorliegt, muss jede neu eingebaute Heizung künftig mindestens 65 Prozent erneuerbare Energie nutzen. Der Anteil erneuerbaren Energien soll laut GEG technologieoffen erreicht werden.

Eine mögliche Alternative könnten deswegen in der Zukunft neben Wärmepumpen theoretisch auch Heizgeräte sein, die zu 100 % mit Wasserstoff arbeiten. Warum? Ganz einfach: Kommt Wasserstoff mit dem Sauerstoff in der Luft in Kontakt und wird gleichzeitig die erforderliche Zündenergie zugeführt, verbrennt er quasi ohne Reststoffe. Es entsteht lediglich Wasserdampf und eine geringe Menge Stickoxid durch die Verbindung mit dem Stickstoff in der Luft.

Verbrennung ohne CO₂-Emissionen
Damit hätte Wasserstoff prinzipiell das Potenzial fossile Energieträger vollständig abzulösen. Genau wie Erdgas handelt es sich um ein brennbares Gas mit hohem Energiegehalt – nur die schädlichen „Risiken und Nebenwirkungen“ in Form von CO₂–Emissionen treten nicht auf. Dementsprechend zahlreich sind die Bestrebungen, Projekte mit Wasserstoff umzusetzen. Denn vorhandene Infrastruktur sowie industrielle Verfahren und Technologien könnten weiter genutzt werden. Heizungen in Gewerbe und Privathaushalten, die noch auf fossile Energieträger setzen, ließen sich künftig alternativ mit Wasserstoff betreiben. Eine Win-win-Situation im großen Maßstab. 

Dabei muss man wissen, dass dieses Konzept bereits aus dem vorletzten Jahrhundert stammt. „Wasserstoff und Sauerstoff werden die Energieversorgung der Erde sichern“ – das schrieb der französische Autor Jules Verne bereits 1874. Wie so oft war er mit diesem Gedanken seiner Zeit weit voraus. Heute steht die „Kohle der Zukunft“ – so Verne – vor dem Durchbruch.

Das einzige Problem dabei: Für die Industrie und industrielle Prozesse oder den Verkehr verwertbarer Wasserstoff kommt in der Natur nicht vor, sondern er muss erzeugt werden. Dabei geht es nicht um eine „Förderung“ oder einen „Abbau“, wie bei fossilen Energieträgern, sondern um die chemische Aufspaltung des wichtigsten Rohstoffes, der Wasserstoff enthält: Wasser mit der chemischen Formel H₂O. Wasser steht quasi unbegrenzt zur Verfügung. Und auch bei der Produktion von Wasserstoff ist es möglich, dass keine CO₂-Emissionen entstehen. Damit hat Wasserstoff in jeder Hinsicht das Potenzial für eine klimaneutrale Energieversorgung.

Künftig soll Wasserstoff in erster Linie durch Großanlagen zur Elektrolyse gewonnen werden. Dabei ist das technische Prinzip – egal ob die Wasserstoffgewinnung im kleinen oder großen Maßstab stattfindet – immer gleich. An zwei beschichtete Elektroden wird Gleichstrom angelegt. Zwischen den Elektroden befindet sich ein sogenannter Elektrolyt – zumeist leitfähige Kalilauge. Eine Elektrode ist positiv (Anode), eine negativ geladen (Kathode). Durch das Zuführen elektrischer Energie gibt die Kathode Elektronen an die wässrige Lösung ab. Das Wasser wird chemisch aufgespalten und es bilden sich Wasserstoff und Hydroxid-Ionen. Dafür, dass sich die einmal gebildeten Elemente nicht wieder vermischen, sorgt eine Membran. Dieser Prozess wird auch als Power-to-Gas bezeichnet. Das heißt: Es wird elektrische Energie investiert, um das Wasserstoff als Gas zu gewinnen.

Power-to-Gas gilt als das umweltschonendste Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff. Die Idee dahinter ist so einfach wie bestechend. Denn der für Power-to-Gas benötigte Strom soll künftig ausschließlich aus erneuerbaren Quellen stammen. Dessen Anteil an der Gesamt-Stromerzeugung in Deutschland steigt kontinuierlich weiter an. Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen ist jedoch äußerst volatil. Denn Strom lässt sich im größeren Maßstab kaum direkt als elektrische Energie speichern. An windreichen Tagen in norddeutschen Windparks könnte künftig jedoch einfach die Power-to-Gas Produktion hochgefahren werden, anstatt Windkraftanlagen abzuschalten, weil die Stromnetze nicht genug elektrische Energie aufnehmen können. Denn durch diese „Zwangsabschaltung“ von Windkraftanlagen gehen in Deutsch-
land jährlich rund 5 TWh umweltfreundlicher Strom verloren, weil er erst gar nicht produziert wird.

„Überschüssigen“ Strom aus erneuerbaren Quellen für die Wasserstofferzeugung nutzen
Wird „überschüssiger Strom“ aus erneuerbaren Energiequellen im Power-to-Gas-Verfahren genutzt, um Wasserstoff zu erzeugen, lässt sich der Strom in Form von Wasserstoff im Gasnetz zwischenspeichern und für alle angeschlossenen Verbraucher – sei es aus Industrie und Gewerbe oder Privathaushalt – umwelt- und klimafreundlich nutzen. Vergleicht man die umweltfreundlichen Energieträger „grüner Wasserstoff“ und „Ökostrom“ wird schnell eines deutlich: Grüner Wasserstoff ist bei Bedarf jederzeit verwendbar – weil er sich anders als Ökostrom einfach speichern lässt. Beispielsweise innerhalb des Gasnetzes, das nicht nur aus dem Leitungsnetz, sondern auch riesigen Gasspeichern und Kavernen besteht. Zudem ist Wasserstoff flexibel einsetzbar. Mit ihm können Kraftfahrzeuge genauso arbeiten wie Turbinen zur Stromerzeugung, Raketen und Flugzeuge fliegen oder Stahl produziert und Heizungen betrieben werden. 

Uneinigkeit besteht darüber, ob das auf absehbar lange Zeit knappe Gut „grüner Wasserstoff“ überhaupt für die Wärmeversorgung von Gebäuden eingesetzt werden soll. Viel wichtiger – so die Argumentation der Gegner – sei die Verwendung von Wasserstoff dort, wo eine Substitution durch alternative Technologien kaum oder nur unter extrem erschwerten Bedingungen möglich ist, wie im Güter-, Schiffs- oder Flugverkehr. Auch die Stahlindustrie sei mit ihrem derzeit erheblichen CO₂-Ausstoß ein viel wichtigerer Kandidat als der Gebäudesektor und mit ihm die Heizung. Bei Gebäuden hingegen würden sich insbesondere Wärmepumpen anbieten, um eine Dekarbonisierung gewährleisten zu können.

Wasserstoff wird also zu einem weltweit begehrten (knappen) Gut. So rechnen beispielsweise Deutschland, Japan und Südkorea damit, künftig große Mengen an Wasserstoff zu importieren. Im Fokus dafür stehen Regionen, die über eine dauerhaft kalkulierbare, hohe Sonneneinstrahlung und viel Fläche für den Aufbau von Solarkraftwerken verfügen. Ideal dafür eignet sich u. a. der nordafrikanische Wüstengürtel. Durch den Aufbau riesiger Solarkraftwerke würden hier nicht nur Brachflächen genutzt, sondern auch Einnahmequellen für die nordafrikanischen Staaten entstehen. 

Mit Strom aus diesen Solarkraftwerken könnte man dann theoretisch in küstennahen Elektrolyseanlagen grünen Wasserstoff aus Meerwasser gewinnen. Dieser Wasserstoff müsste für den Transport verdichtet und ähnlich wie verflüssigtes Erdgas mit Tankschiffen transportiert werden. Ein erstes Abkommen mit Marokko zum Aufbau einer Elek­trolyseanlage ist bereits unterschrieben. Wie interessant derartige Kooperationen sein könnten, zeigt das ehemalige Forschungsprojekt „HySolar“ aus den 80er-Jahren, das gleichzeitig ein Muster für die heutigen Noch-Ölexportländer des Nahen Ostens und Afrika für die „Zeit nach dem Erdöl“ sein kann. So ergab das Projekt, dass Saudi-Arabien auf nur einem Prozent seiner Landfläche genauso viel Wasserstoff aus Solarenergie herstellen kann, wie die geförderte und exportierte Energie aus Erdöl. Doch seinerzeit bewegten sich die Kosten für eine kWh Photovoltaikstrom (PV) noch bei rund 50 Cent. Heute lässt sich PV-Strom in Nordafrika bereits für 1 bis 2 Cent / kWh produzieren.

Dass die Lösungen zur Umsetzung dieser Strategie vorhanden sind, ist unstrittig –
sei es in Form der bereits vorhandenen und quasi umgehend vollständig nutzbaren Infrastruktur als auch den Heizgeräten, die Wasserstoff verwenden können. Dabei haben aufwendige Testreihen von namhaften Heiztechnik-Herstellern wie beispielsweise Vaillant ergeben, dass auch ältere Gas-Brennwertgeräte einen Wasserstoffanteil von 20 vol. % problemlos verarbeiten können. Denn Wasserstoff hat einen vergleichbaren Wobbe-Index wie Erdgas. Je mehr Wasserstoff dem Erdgas beigemischt wird, desto höher steigt aber die Luftzahl im Gerät. Und genau hier liegt eine technische Besonderheit, denn es muss künftig mit einem fluktuierenden Anteil an Wasserstoff im Gasnetz gerechnet werden. 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.

100 % Wasserstoff-Heizgeräte sind in der Feldtestphase
Doch wie sieht es bei Gas-Brennwertgeräten aus, die ausschließlich mit Wasserstoff betrieben werden sollen? 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 es die aktuell erhältlichen Gas-Brennwertgeräte tun.

Alle anderen Komponenten bekannter Gas-Brennwertgeräte können jedoch in ihrer Größe und Dimensionierung auch bei reinen „Wasserstoffgeräten“ genutzt werden. Das betrifft den Gashahn 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.

Eines von mehreren Pilotprojekten zeigt dementsprechend die Möglichkeit der angesprochenen geschlossenen Wasserstoffnetze zur Quartiersversorgung auf. So wurde beispielsweise am 14. September 2023 im innovativen Wasserstoffprojekt H2Direkt in Hohenwart / Landkreis Pfaffenhofen a. d. Ilm eine Einspeiseanlage für Wasserstoff in Betrieb genommen. In der aktuellen Heizperiode werden von dort aus zehn Haushalte und ein Gewerbebetrieb über ein umgewidmetes, bestehendes Gasnetz mit 100 % Wasserstoff versorgt. Als Teil des Forschungsvorhabens werden zudem Regularien für die Messung von Wasserstoff aufgestellt. Ein entsprechendes Messkonzept, das Energienetze Bayern und Thüga zusammen mit dem DVGW-EBI erstellt haben, ist vom Eichamt beziehungsweise Landesamt für Maß und Gewicht (LMG) für den Feldtest freigegeben.

Bestehende Gasnetze für Wasserstoff nutzen
„Damit haben wir einen wichtigen Meilenstein geschafft. Die Offenheit und das Interesse unserer Kunden am Thema Wasserstoff im Wärmebereich ist die Grundlage für unsere enge Zusammenarbeit“, erklärt Mathias Stierstorfer von Energienetze Bayern, der bei „H2-Direkt“ die Abstimmung mit den beteiligten Haushalten vor Ort koordiniert. „Wir freuen uns, dass wir aufgeschlossene Wasserstoff-Pioniere gefunden haben. Sie demonstrieren gemeinsam mit uns, dass eine klimaneutrale Wärmeversorgung mit Wasserstoff in bestehenden Gasnetzen funktioniert.“ Thüga-Innovationsmanagerin Béatrice Angleys ergänzt: „Unser Signal an die Politik: Eine effiziente Wärmewende und Versorgungssicherheit sind machbar, wenn wir die vorhandene Infrastruktur für erneuerbare Gase nutzen. Aktuell gibt es hierzulande kein vergleichbares Projekt.“

Doch wie funktioniert das Ganze und wie hoch ist der Aufwand dafür? In Hohenwart wurde ein Teil des Gas-Ortsnetzes vom Rest abgetrennt und entsprechend umgewidmet. Der grüne Wasserstoff wird in Trailern per LKW geliefert.  Vor Ort stehen eine Trailerstation mit Druckreduzierung und die Einspeiseanlage. Von dort gelangt der Wasserstoff zu den Kunden. In den Häusern wurden die bestehenden Heizgeräte gegen innovative 100 % H2-Brennwertgeräte von Vaillant ersetzt. Alle im Verteilnetzbereich sowie in den Heizungsräumen verbauten Komponenten wurden eingehend geprüft – sie waren einsatzbereit für 100 Prozent Wasserstoff und mussten nicht ausgetauscht werden. H2Direkt kommt also mit vergleichsweise wenigen baulichen Maßnahmen aus und wird als Teil des Leitprojekts TransHyDE mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. TransHyDE bewertet und testet Wasserstoff-Transportlösungen.

Fazit
Technologieoffen soll der Umstieg auf eine CO2-freie Wärmeversorgung von Gebäuden in Deutschland stattfinden. Neben Wärmepumpen könnten deswegen auch Heizgeräte, die zu 100 % mit Wasserstoff arbeiten in der Zukunft eine wichtige Alternative bilden. Noch ist allerdings weder die Technik serienreif, noch sind die Wasserstoffnetze oder ausreichend grüner Wasserstoff verfügbar. Erste Projekte sollen deswegen zeigen, dass für den Einsatz das bestehende Gasnetz und damit eine sichere und verzweigte Infrastruktur ohne wesentliche Investitionen dafür genutzt werden kann. Notwendig sind nun Projekte zur Generierung von grünem Wasserstoff im großen Stil.

www.vai.vg/wasserstoff 

Technologieoffenheit im GEG 

§ 71 – Anforderungen an eine Heizungsanlage (Auszug)
(1) Eine Heizungsanlage darf zum Zweck der Inbetriebnahme in einem Gebäude nur eingebaut oder aufgestellt werden, wenn sie mindestens 65 Prozent der mit der Anlage bereitgestellten Wärme mit erneuerbaren Energien oder unvermeidbarer Abwärme nach Maßgabe der Absätze 4 bis 6 sowie der §§ 71b bis 71h erzeugt. Satz 1 ist entsprechend für eine Heizungsanlage anzuwenden, die in ein Gebäudenetz einspeist.

(2) Der Gebäudeeigentümer kann frei wählen, mit welcher Heizungsanlage die Anforderungen nach Absatz 1 erfüllt werden. Die Einhaltung der Anforderungen des Absatzes 1 in Verbindung mit den §§ 71b bis 71h ist auf Grundlage von Berechnungen nach der DIN V 18599: 2018-09 durch eine nach § 88 berechtigte Person vor Inbetriebnahme nachzuweisen. Der Gebäudeeigentümer ist verpflichtet, die Heizungsanlage nach den Anforderungen des Nachweises einzubauen oder aufzustellen und zu betreiben. Der Nachweis ist von dem ­Eigentümer und von dem Aussteller mindestens zehn Jahre aufzubewahren und der nach Landesrecht zuständigen Behörde sowie dem bevollmächtigten Bezirksschornsteinfeger auf Verlangen vorzulegen.

(3) Die Anforderungen des Absatzes 1 gelten für die folgenden Anlagen einzeln oder in Kombination miteinander als erfüllt, so dass ein Nachweis nach Absatz 2 Satz 2 nicht erforderlich ist, wenn sie zum Zweck der Inbetriebnahme in einem Gebäude oder der Einspeisung in ein Gebäudenetz eingebaut oder aufgestellt werden und den Wärmebedarf des Gebäudes, der durch die Anlagen versorgten Wohnungen oder sonstigen selbständigen Nutzungseinheiten oder des Gebäudenetzes vollständig decken:

1. Hausübergabestation zum Anschluss an ein Wärmenetz nach Maßgabe des § 71b, 
2. elektrisch angetriebene Wärmepumpe nach Maßgabe des § 71c,
3. Stromdirektheizung nach Maßgabe des § 71d,
4. solarthermische Anlage nach Maßgabe des § 71e,
5. Heizungsanlage zur Nutzung von Biomasse oder grünem oder blauem Wasserstoff einschließlich daraus hergestellter Derivate nach Maßgabe der §§ 71f und 71g,
6. Wärmepumpen-Hybridheizung bestehend aus einer elek-trisch angetriebenen Wärmepumpe in Kombination mit einer Gas-, Biomasse- oder Flüssigbrennstofffeuerung nach Maßgabe des § 71h Absatz 1 oder
7. Solarthermie-Hybridheizung bestehend aus einer solarthermischen Anlage nach Maßgabe der §§ 71e und 71h Absatz 2 in Kombination mit einer Gas-, Biomasse- oder Flüssigbrennstofffeuerung nach Maßgabe des § 71h Absatz 4.

Beim Betrieb einer Heizungsanlage nach Satz 1 Nummer 5 bis 7 hat der Betreiber sicherzustellen, dass die Anforderungen an die Belieferung des jeweiligen Brennstoffs aus § 71f Absatz 2 bis 4 und § 71g Nummer 2 und 3 eingehalten werden.

§ 71f – Anforderungen an Biomasse und Wasserstoff einschließlich daraus hergestellter Derivate (Auszug)
(1) Der Betreiber einer mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen beschickten Heizungsanlage hat sicherzustellen, dass mindestens 65 Prozent der mit der Anlage bereitgestellten Wärme aus Biomasse oder grünem oder blauem Wasserstoff einschließlich daraus hergestellter Derivate erzeugt wird. Satz 1 ist nicht anzuwenden, soweit der Nachweis nach § 71 Absatz 2 Satz 4 einen geringeren Anteil der mit der Anlage bereitgestellten Wärme aus Biomasse oder grünem oder blauem Wasserstoff einschließlich daraus hergestellter Derivate erlaubt.

(2) Der Betreiber der Heizungsanlage hat sicherzustellen, dass die eingesetzte flüssige Biomasse die Anforderungen an einen nachhaltigen Anbau und eine nachhaltige Herstellung der Biomassestrom- Nachhaltigkeitsverordnung vom 

2. Dezember 2021 (BGBl. I S. 5126) in der jeweils geltenden Fassung erfüllt.

(3) Der Betreiber der Heizungsanlage hat sicherzustellen, dass bei der Nutzung von Biomethan die Voraussetzungen des § 22 Absatz 1 Satz 1 Nummer 2 Buchstabe c und d eingehalten werden. Bei der Nutzung von biogenem Flüssiggas sind die Anforderungen des § 22 Absatz 1 Satz 1 Nummer 3 Buchstabe c einzuhalten. Bei der Nutzung von grünem oder blauem Wasserstoff einschließlich daraus hergestellter Derivate, die über ein netzgebundenes System geliefert werden, muss die Menge des entnommenen grünen oder blauen Wasserstoffs oder daraus hergestellter Derivate im Wärmeäquivalent am Ende eines Kalenderjahres der Menge von grünem oder blauem Wasserstoff oder daraus hergestellter Derivate entsprechen, die an anderer Stelle in das Netz eingespeist worden ist, und es müssen Massebilanzsysteme für den gesamten Transport und Vertrieb des grünen oder blauen Wasserstoffs oder daraus hergestellter Derivate von seiner Herstellung über seine Einspeisung in das Netz, seinen Transport im Netz bis zu seiner Entnahme aus dem Netz verwendet worden sein. Bei der sonstigen Nutzung von grünem oder blauem Wasserstoff muss die Menge des entnommenen grünen oder blauen Wasserstoffs oder daraus hergestellter Derivate am Ende eines Kalenderjahres der Menge von grünem oder blauem Wasserstoff oder daraus hergestellter Derivate entsprechen, die an anderer Stelle hergestellt worden ist, und es müssen Massebilanzsysteme für den gesamten Transport und Vertrieb des grünen oder blauen Wasserstoffs oder daraus hergestellter Derivate von seiner Herstellung über seine Zwischenlagerung und seinen Transport bis zu seiner Einlagerung in den Verbrauchstank verwendet worden sein.

Volltext des GEG im Bundesgesetzblatt Nr. 280 (Ausgabe vom 19. Oktober 2023):

www.recht.bund.de/bgbl/1/2023/280/VO.html

Anmerkung der Redaktion: Das ist ein Artikel aus dem brandneuen Sonderheft „Gebäudeenergiegesetz 2024“. Die 100-seitige Publikation gibt es als Printversion für 15,00 Euro und als E-Paper auf ikz-select.de für 9,99 Euro. Premium- und Complete-Kunden haben freien Zugriff auf das E-Paper (hier jeweils eine direkte Verlinkung zum Heft setzen). Die gedruckte Ausgabe kann unter leserservice@strobelmediagroup.de angefordert werden.