Blockheizkraftwerke

Brennraum statt Zelle

Von Lukas Weber
02.08.2020
, 12:00
Blockheizkraftwerke können mit Gas und auch mit Wasserstoff aus Überschussstrom betrieben werden. Im Vergleich mit der Brennstoffzelle ist diese Kraft-Wärme-Kopplung deutlich billiger.

Was seit Jahrzehnten nicht recht in Gang kommt, wollen Bundesregierung und EU nun mit einem strammen Programm beflügeln: Wasserstoff als sauberer Energieträger der Zukunft. Das leichte Gas soll dazu in großen Mengen durch Elektrolyse aus elektrischem Strom hergestellt werden, der von erneuerbaren Energien erzeugt wird, also vor allem aus Wind und Sonne und bevorzugt dann, wenn die elektrische Energie gerade nicht für andere Zwecke gebraucht wird. Der Plan ist, den Wasserstoff zu speichern und ihn in Zeiten des hohen Bedarfs wieder zurück in Strom zu verwandeln.

Gegner der Strategie wenden vor allem ein, dass mit jedem Prozessschritt der Wirkungsgrad schwindet und dass das gesamte Ensemble zu hohe Kosten verursacht, denn fast alle Komponenten sind teuer. Eine solche Anlage besteht meist aus Windrädern, dahinter geschaltet sind Elektrolyseure, die mittels Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, Kompressoren, die den Wasserstoff verdichten, und schließlich Speicher. Für die Rückverstromung bietet sich die Brennstoffzelle an, das technische Gegenstück zum Elektrolyseur. Die ist, trotz in den vergangenen Jahren gesunkener Kosten, ebenfalls ein dicker Brocken in der Gesamtbilanz – solange es nicht mit zufriedenstellendem Wirkungsgrad und kurzer Reaktionszeit gelingt, den Elektrolyseur als Brennstoffzelle rückwärtslaufen zu lassen.

Doch es geht auch billiger und sogar mit altbekannter Technik. Das Unternehmen 2G, ein börsennotierter Mittelständler, spezialisiert auf gasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) von 20 kW bis zwei MW, hat Blockheizkraftwerke entwickelt, die nicht mit Gas oder in seltenen Fällen Öl, sondern mit Wasserstoff betrieben werden. Basis ist der Block eines Verbrennungsmotors, der auf den Betrieb mit Wasserstoff umgerüstet ist, er treibt ganz konventionell einen Generator an. Die Abwärme des Motors wird zum Heizen genutzt, daher ist der Gesamtwirkungsgrad hoch. In der vor einem Jahr in Betrieb genommenen Pilotanlage in Haßfurt zum Beispiel wird der Windstrom über den Elektrolyseur mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent zu Wasserstoff, den die KWK-Anlage nach Angabe des Unternehmens zu 85 Prozent verwertet, mit Brennwert-Technik sollen sogar mehr als 90 Prozent möglich sein. 2G hat bisher fünf Wasserstoff-Anlagen eingerichtet, zum Beispiel steht eine in Rostock und auch eine in Dubai, alle laufen mit grünem Strom.

Der technische Aufwand für die Umrüstung eines Erdgasmotors auf den Betrieb mit Wasserstoff hält sich offenbar in Grenzen. Die Klopffestigkeit des Wasserstoffs ist aber viel geringer als die von Methan, erklärt Frank Grewe, der Technikvorstand von 2G. Angepasst werden deshalb unter anderem die Kolbengeometrie und die Einspritzung sowie der Turbolader. Die Anlagen sind dennoch für den Betrieb sowohl mit Wasserstoff als auch mit Erdgas oder einem Gemisch eingerichtet, ältere können umgerüstet werden, da sie aber auf einen Energieträger optimiert sind, mit Effizienzverlusten. Wegen der niedrigeren Verdichtung zum Ausgleich der geringeren Klopffestigkeit ist die Leistung im Wasserstoffbetrieb geringer; die Anlage in Haßfurt liefere bis zu 200 kW elektrisch, mit Methan sind es 250, sagt Grewe. Bei gleicher Leistung ist deshalb ein mit Wasserstoff betriebenes Blockheizkraftwerk teurer.

Interessant sind die Abgase: Wasserstoff verbrennt zusammen mit dem Luftsauerstoff zu reinem Wasser, eine Brennstoffzelle macht das mit chemischer Reaktion, sie ist bis auf die abgegebene Feuchtigkeit frei von Emissionen. Sauberer geht es nicht, da aber ein Verbrennungsmotor im Gegensatz zur Brennstoffzelle mit hohen Temperaturen arbeitet, entstehen im Brennraum in Reaktion mit dem Stickstoff in der Luft Stickoxide. Der Wasserstoffmotor von 2G arbeitet mit hohem Luftüberschuss (Lambda-Wert 2 bis 5,5), der den Brennraum kühlt. „Der Stickoxidausstoß liegt deshalb nahe der Nachweisgrenze, er ist viel geringer als im Erdgasmotor“, erklärt Grewe.

Aus Überschussstrom erzeugter Wasserstoff kann auf verschiedene Weise verwendet werden

Die im Vergleich zur Brennstoffzelle deutlich niedrigeren Kosten – laut 2G sind sie mit rund 2000 Euro je kW elektrischer Leistung, Tendenz fallend, im Vergleich zur Brennstoffzelle nur etwa halb so hoch – könnten den wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor sogar für die Autohersteller wieder interessant machen. Denn das Tankstellennetz soll in Deutschland zügig ausgebaut werden, Brennstoffzellenfahrzeuge, die es von einigen Herstellern gibt, kosten aber mindestens das Doppelte vergleichbarer Autos mit Diesel- oder Benzinmotor. Einigermaßen erfolgreiche Versuche von BMW gab es schon in den 1990er Jahren, damals machten allerdings die Tanks Probleme, die heute als gelöst gelten. Deshalb wurde einst das Projekt eingestellt. Nicht recht befriedigend war angeblich auch das Ansprechverhalten des Wasserstoffmotors bei Lastwechseln. Für Blockheizkraftwerke, die nicht in Bruchteilen von Sekunden reagieren müssen, ist das eine leicht lösbare Aufgabe.

Hinsichtlich des stationären Einsatzes ist 2G davon überzeugt, dass für eine breite Verwendung des Wasserstoffs nicht auf die Brennstoffzelle gewartet werden muss. Denn der Verbrennungsmotor sei eine in industriellem Maßstab etablierte und zuverlässige Technik, die skalierbar zur Verfügung stehe. Für die Anlagen gebe es keine langwierigen Genehmigungsverfahren und Umweltauflagen. Ein zusätzlicher Vorteil: Der Verbrennungsmotor verdaut auch nicht ganz reinen Wasserstoff.

Aus Überschussstrom erzeugter Wasserstoff kann allerdings auf verschiedene Weise verwendet werden, so lässt er sich in kleiner Menge dem Gasnetz zumischen, wegen der viel geringeren Energiedichte bezogen auf den Kubikmeter im Vergleich zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, bekommt der Kunde dann weniger Heizwert. Oder er wird mit zusätzlichen Kosten und weiterem Wirkungsgradverlust in Methan umgewandelt und lässt sich dann unbegrenzt einspeisen. Speichern und in Blockheizkraftwerken bei Bedarf wieder zu Elektrizität umwandeln entlastet das Leitungsnetz; da die Anlagen in wenigen Sekunden reagieren, kann der Strom als Regelenergie vermarktet werden. Die Methode hat aber nur dann Sinn, wenn die dabei entstehende Abwärme Abnehmer findet. Denn der elektrische Wirkungsgrad erreicht etwa 40 Prozent, etwas mehr steht als Wärmeleistung zur Verfügung, der Rest ist Verlust. Zum Vergleich: Der elektrische Wirkungsgrad der Niedertemperatur-Brennstoffzelle liegt mit 50 bis 60 Prozent nicht wesentlich höher. In Haßfurt ist unstet anfallende Abwärme kein Problem, sie wird ins Nahwärmenetz eingespeist.

Quelle: F.A.Z.
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Lukas Weber
Redakteur im Ressort „Technik und Motor“.
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