Neuer Wasserstoffmix im Gasnetz

Eine weitgehend CO2-neutrale Gesellschaft ist ohne den Einsatz von grünem Wasserstoff kaum zu realisieren. Nicht nur in Fahrzeugen, sondern auch in Gasheizungen und Blockheizkraftwerken soll das energiereiche Gas künftig genutzt werden. Das vorhandene Erdgasnetz bietet sich hierbei für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff an. Fast jeder zweite Haushalt in Deutschland wird über dieses Netz mit Energie zur Wärmeerzeugung versorgt; die bestehende Infrastruktur könnte den Wasserstoff als Beimischung zu Erdgas oder als aus Wasserstoff erzeugtes E-Methan flächendeckend verteilen. Zudem bietet das Erdgasnetz erhebliche Speicherkapazitäten: 220 TWh Gasspeicher stehen nur 0,04 TWh gegenüber, die mit Stromspeichern möglich wären. Forscher vom Deutschen Verein des Gas- und Wasserfachs (DVGW) sowie des Instituts für Kolbenmaschinen am Karlsruher Institut für Technik untersuchen in diesem Projekt, wieviel Wasserstoff dem Methan im Gasnetz zugemischt werden kann und wie das bestehende Gasnetz angepasst werden beziehungsweise ausgelegt werden müsste. Ein Projektpartner führt überdies Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit durch.

» Grüner Wasserstoff wird erheblich zu nachhaltiger Mobilität beitragen, ob in Reinform oder weiterverarbeitet zu einem kohlenstoffhaltigen Kraftstoff wie E-Methan. «
Dr.-Ing. Ulrich Kramer (Ford-Werke GmbH)

Die zukünftige Rolle von Gas und Wasserstoff in einer kohlenstoffarmen Wirtschaft wird sich im Gasmarktdesign widerspiegeln, da es für eine stärkere Integration zwischen Gas- und Strommärkten ausgelegt sein muß. Es sollte daher die Zusammenarbeit mit anderen Sektoren wie dem Verkehr fördern und Innovationen wie erneuerbare Gase und Power-to-Gas-Technologie unterstützen. Auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft untersucht ein Kooperationsprojekt von FVV und DVGW, wie das Gas in die bestehende Erdgas-Infrastruktur eingespeist werden kann.

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Potenzial der Gasinfrastruktur in Deutschland (2020)
In Power-to-Gas-Anlagen wird mit Strom aus erneuerbarer Energie Wasserstoff und Methan erzeugt - speicherbar und transportfähig. Die »grünen Gase« können auch über die vorhandene Gasinfrastruktur genutzt werden: Es stehen 510.000 km Hoch-, Mittel- und Niederdruckleitungen sowie 850 Tankstellen zur Verfügung. Insgesamt beträgt die Speicherkapazität im deutschen Gasnetz und der Gasinfrastruktur 220 TWh. Bis zu 20% Wasserstoff kann die Infrastruktur bereits heute befördern.

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Wasserstoffprüfstand am Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)

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Motivation

Wasserstoff gilt als wichtiger Pfeiler der nachhaltigen Energieversorgung. In Power-to-Gas-Anlagen wird schon heute grüner Wasserstoff aus regenerativen Quellen produziert, wenn auch zunächst noch in geringen Mengen. Künftig soll Wasserstoff jedoch importiert werden, etwa aus Nordafrika. Doch das Gas besitzt andere Eigenschaften als Methan, daher muss die Gasinfrastruktur für höhere H2-Konzentrationen geeignet sein. Gleiches gilt für Heizungen und Verbrennungsmotoren, denn mit dem Wasserstoff-/Erdgas-Gemisch erhalten Verbraucher einen völlig neuen Energieträger, mit dem ältere Heizungen oder Motoren nicht kompatibel sein könnten.

» CO2-neutrale Mobilität mit verbrennungsmotorischen Lösungen ist sehr gut darstellbar. Durch Forschungsprojekte wie diesem kommen wir dem Ziel näher. «
Prof. Dr. sc. techn. Thomas Koch (IFKM | Karlsruher Institut für Technologie)

Methodik

Am Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) führen die Forscher eine Risiko- und Zustandsanalyse durch. Wasserstoff ist extrem leicht entzündlich und korrosiv, er greift Gummi- und Kunststoffteile sowie hochlegierte Stähle an. Untersucht wird, wie sich unterschiedliche Wasserstoffkonzentrationen auf den Betrieb von Verbrennungsmotoren auswirken und welche technischen Änderungen nötig sind. Auf der Gasnetzseite untersuchen die Forscher vom DVGW unter anderem die Kompatibilität des Gasnetzes, wie sich Wasserstoff an der Tankstelle wieder vom Erdgas separieren lässt und mit welchen Systemkosten bei verschiedenen Szenarien zu rechnen ist.

» Um CO2-Emissionen auch im Mobilitätssektor spürbar zu senken, brauchen wir neben der Elektromobilität weitere Lösungen. Dieses Projekt trägt dazu bei, den Lösungsraum zu erweitern. «
Dr. Dietrich Gerstein (DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfachs)

Ergebnis

Das Projekt wird im Dezember 2021 abgeschlossen sein. Die entsprechenden politischen Rahmenbedingungen vorausgesetzt, rechnen die Forscher damit, dass innerhalb von fünf Jahren in Deutschland eine nennenswerte Wasserstoffproduktions-Infrastruktur aufgebaut werden könnte. Dann ließen sich auch Erdgasfahrzeuge mit dem H2-/CH4-Gemisch betanken, sofern die Tanks der Fahrzeuge für höhere H2-Konzentrationen zugelassen sind. Der Wasserstoff ließe sich zudem an der Tankstelle vom Erdgas separieren und speichern; dann stünde er auch Brennstoffzellenfahrzeugen zur Verfügung.

Da im Gasnetz erheblich mehr Energie gespeichert werden kann als in Stromspeichern, und weil man neue Stromleitungen bauen müsste, um die gleiche Menge Energie zu transportieren, würde sich die Umstellung voraussichtlich auch wirtschaftlich lohnen. Der Projektpartner Frontier Economics führt dazu detaillierte Berechnungen durch.