Was ist Wasserstoff?

Eine Wasserstoff-Heizung verwendet einen katalytischen Brenner und Wasserstoff in gasförmigem Zustand. Der Oxidationsprozess des Wasserstoffs beginnt in einem speziell dafür vorgesehenen Reaktionskanal, dank der Wirkung eines selbstansaugenden Katalysators und ohne die Notwendigkeit von Strom. In Verbindung mit Luftsauerstoff erzeugt der Wasserstoff dann Wärmeenergie, die sofort im Heizsystem zur Erwärmung von Wasser und Wohnräumen genutzt wird. Das System kann durch den Einsatz von Strahlung-Klimaanlagen weiter verbessert werden, wodurch die Energieeffizienz maximiert wird.

Da Wasserstoff keinen Kohlenstoff enthält, wird bei den katalytischen Reaktionen kein Kohlendioxid (CO₂) freigesetzt. Die Verbrennung von Wasserstoff findet bei Höchsttemperaturen von ca. 300 °C statt, was auch die Bildung von Stickoxiden verhindert, die für die Ausdünnung der Ozonschicht und den sauren Regen verantwortlich sind. Wird der Wasserstoff durch Elektrolyse mit erneuerbaren Energien, z. B. Photovoltaik, erzeugt, wird er als "grüner Wasserstoff" bezeichnet.

Im Vergleich zu Erdgas ist Wasserstoff ein sehr effektives Gas für Heizzwecke, obwohl er aufgrund seiner geringen Dichte in deutlich größeren Mengen verbraucht werden muss. Er entweicht leicht, ist leicht entflammbar und kann Metalle korrodieren. Dies bedeutet, dass Erdgas in bestehenden Heizsystemen nicht einfach durch Wasserstoff ersetzt werden kann; daher werden Hybridlösungen eingesetzt. Die derzeitige Klasse der "Wasserstoff-20 %-Ready"-Systeme wird mit einer Mischung aus Erdgas und bis zu 20 % Wasserstoff betrieben. Diese Lösung ermöglicht den Transport von wasserstoffhaltigen Gemischen durch eine schrittweise Anpassung der Gasnetze mit dem Ziel, bis 2025 die ersten vollständig wasserstoffbasierten Systeme einzusetzen.

Brennstoffzellen erzeugen Strom mit Hilfe von Erdgas, wobei sie von den relativ niedrigen Gaspreisen und der Tatsache profitieren, dass die Energieerzeugung vor Ort billiger ist als der Kauf bei einem weit entfernten Lieferanten. Mit Methan betriebene Zellen arbeiten bei einer Temperatur von 350 - 500 °C hocheffizient und sicher, ohne Lärm oder gefährliche Emissionen; der einzige Nachteil ist der Platzbedarf des Systems. Brennstoffzellen extrahieren Wasserstoff aus dem Methanmolekül (CH₄) und nutzen ihn zur Erzeugung von Strom und Wärme, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht.

Das Gasgemisch tritt in den Kessel ein und verbindet sich mit Sauerstoff, bevor es durch den katalytischen Brenner erhitzt wird. Durch die Verbrennung gelangen die heißen Gase in den Wärmetauscher, dessen Rohre von kaltem Wasser umgeben sind. Während die heißen Gase durch die Rohre strömen, wird das umgebende Wasser erwärmt und zum Wasserhahn geleitet oder durch das Zentralheizungssystem zirkuliert. Die heißen Abgase werden mit minimalen NOx-Emissionen über den Schornstein abgeleitet.

Da Wasserstoff ein leichteres und brennbareres Gas ist, benötigen Heizkessel spezielle Brenner, um die Brandgefahr zu minimieren, falls zu viel Gas in das System gelangt. Wasserstoff brennt mit einer unsichtbaren Flamme, weshalb Heizkessel ein spezielles Flammenerkennungssystem benötigen.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, welche die chemische Energie des Wasserstoffs mithilfe Kathoden und Anoden in elektrische Energie umwandeln können. Sie kommen ohne den Zwischenschritt eines thermischen Kreislaufs aus: Dies ermöglicht eine höhere Umwandlungsleistung als bei herkömmlichen thermischen Maschinen.

Alle Brennstoffzellen haben das gleiche Funktionsprinzip: ein Energieumwandlungssystem, das durch eine Reaktion entsteht, bei der Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht werden, wobei Wasser entsteht und elektrischer Strom in den externen Stromkreis fließt. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich durch die Art des verwendeten Elektrolyten und die Betriebstemperatur unterscheiden. Brennstoffzellen speichern keine Energie, sondern wandeln sie um, solange genügend Reaktanten (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) vorhanden sind.

Die Umstellung der Heizungsanlagen von Gas auf Wasserstoff ist ein langwieriger Prozess. Die Hersteller produzieren nur noch wasserstofftaugliche Systeme. Das bedeutet, dass die Heizungsanlagen weiterhin nur mit Erdgas betrieben werden können, aber irgendwann nur noch mit Wasserstoff.

Jeder Heizkessel, der ab dem 1. Januar 2024 installiert wird, muss bis 2029 mit mindestens 15 Prozent klimaneutralem Gas (Biomasse oder Wasserstoff) betrieben werden. Ab 2035 müssen sie zu 30 Prozent und ab 2040 zu 60 Prozent mit klimaneutralem Gas betrieben werden. Letztendlich wird erwartet, dass alle Heizungssysteme zu 100 % mit klimaneutralem Gas betrieben werden, was jedoch aufgrund der erheblichen Entwicklungen, die im gesamten Netz und in der Infrastruktur erforderlich sind, einige Zeit in Anspruch nehmen wird.

Eine Brennstoffzellenheizung mit Wasserstoffheizkessel verringert die Schadstoffemissionen und spart im Vergleich zu einem Gaskessel etwa 30 % Energie. Allerdings gibt es auch einige Nachteile, von denen die Installationskosten am offensichtlichsten sind. Ein Wasserstoffkessel für ein Einfamilienhaus, der mit einer 20 %igen Wasserstoffeinspritzung arbeitet, kann leicht mehrere Dutzend Euro kosten, wenn er vollständig installiert und einsatzbereit ist. Ein ausgesprochen hoher Preis, der nur teilweise durch die Inanspruchnahme von Boni und Steuervergünstigungen reduziert werden kann.

Derzeit gibt es noch keinen konsolidierten Markt für Wasserstoffheizkessel, aber es ist davon auszugehen, dass die Kosten ähnlich hoch sind wie bei herkömmlichen Heizkesseln. Wie bei der herkömmlichen Gasheizung, umfasst die jährliche Wasserstoffheizungs-Wartung Kontrollen durch spezialisierte Techniker, die die Dichtheit der Rohre, die Sicherheit der Ventile und den Zustand der Brenner überprüfen. Außerdem müssen die Brennkammer und die Innenteile des Heizkessels regelmäßig gereinigt werden. Die Kosten hängen von der Größe der Anlage und den erforderlichen Reparaturen ab. In Anbetracht der Energieeffizienz von Wasserstoffheizkesseln könnten diese Kosten niedriger sein als bei herkömmlichen Heizkesseln und die Wartung könnte leichter und seltener sein.

Die Bundesregierung strebt das Ziel an, dass bis Ende 2024 65 % der neuen Heizungsanlagen mit erneuerbaren Energien betrieben werden. Deshalb bietet sie eine Förderung für die energetische Sanierung von Wohngebäuden an, die auch erneuerbare Energien einschließt. Die Förderung kann in Form von Steuererleichterungen, Zuschüssen oder zinsgünstigen Darlehen erfolgen.

Die meisten Industriebetriebe verwenden Gas für Heiz- oder Produktionszwecke. Für diese Unternehmen kann es daher praktischer sein, auf Wasserstoff umzusteigen als auf Wärmepumpen, da sie die vorhandene Infrastruktur nutzen können; gewisse Umrüstungen werden jedoch unvermeidlich sein.

Durch die Umstellung auf Wasserstoff kann die Industrie ihren CO₂-Fußabdruck erheblich verringern und gleichzeitig Energiekosten sparen. Dazu ermöglichen hochentwickelte Sensoren in Verbindung mit spezieller Software die Optimierung der Produktion und Verteilung von Wasserstoff in den Industrieanlagen. Die Speicherung jedoch bringt einige Herausforderungen mit sich, nicht zuletzt weil Wasserstoff leicht entflammbar ist und die Leitungen ständig auf Lecks überwacht werden müssen. Dies wird eine der ersten Herausforderungen für eine großflächige industrielle Verbreitung darstellen.

Wasserstoff bietet eine hohe Wärmeausbeute und verbrennt ohne unangenehme Nebenprodukte zu erzeugen. Gleichzeitig ist er hochentzündlich und verdampft leicht. Außerdem verbrennt er ohne sichtbare Flamme und kann in seinem reinsten Zustand Metalle angreifen. Dies bedeutet, dass das derzeitige Gasnetz schrittweise aufgerüstet werden muss, bevor Wohnungen und Fabriken vollständig mit Wasserstoff beheizt werden können. 

Eine interessante Alternative ist der Einsatz von Brennstoffzellen, mit denen alle Transportkosten und -probleme entfallen. Brennstoffzellen sind jedoch nicht immer die optimale Lösung, da sie kontinuierlich Energie erzeugen können, solange zwei Reagenzien (Sauerstoff und Wasserstoff) vorhanden sind, aber die erzeugte Energie nicht speichern können. Finden Sie heraus, welche Herausforderungen auf Ihre Wasserstoff-Projekte zukommen, und stöbern Sie in unserem Shop, um die passende Lösung zu finden.