Wie 100 Prozent Ökostromanteil geschafft werden kann.

Bild: 2G Energy; iStock, smirkdingo

Neuer BHKW-Brennstoff Wasserstoffbasierte Speicherkette geschlossen

29.08.2019

Die Stadtwerke Haßfurt meistern einen 100 Prozent Ökostromanteil mit einer Power-to-Gas-Anlage und einem neuartigen Wasserstoff-BHKW. Letzteres lässt sich auch mit einem Wasserstoff-Erdgas-Gemisch oder reinem Erdgas fahren.

„Die Energiewende fängt im Kleinen an“ – mit diesem Satz bringt Norbert Zösch, Chef der Stadtwerk Haßfurt, die Philosophie des Versorgers der rund 14.000 Einwohner zählenden Gemeinde Haßfurt im bayerischen Unterfranken auf den Punkt. Dabei wurde schon lange „groß“ gedacht, wenn es um die Transformation des Unternehmens und seiner Dienstleistungen für eine Energiezukunft auf Basis erneuerbarer Energien ging.

So weist die Strombilanz des Stadtwerks einen rasant ansteigenden Anteil an erneuerbarer Erzeugung aus. Belief sich dieser zunächst noch auf 29 Prozent, war 2015 schon die Marke von 100 Prozent erreicht. Im Jahr 2017 bilanzierte man bei rund 85.000 MWh einen Anteil von 208 Prozent. Wobei etwa 70.000 MWh aus Sonnen- und Windenergie resultierten. Im Sinne der Versorgungssicherheit stellte insbesondere der große Sprung der mit Windkraft erzeugten Strommenge von knapp 2.400 MWh in 2010 auf rund 61.000 MWh in 2017 die Haßfurter vor neue Herausforderungen.

Inbetriebnahme der PtG-Anlage

Bereits im Oktober 2016 nahm die Windgas Haßfurt – ein Gemeinschaftsunternehmen des Stadtwerks und der Hamburger Greenpeace Energy – eine Power-to-Gas-Anlage (PtG) in Betrieb. Herzstück ist ein containergroßer PEM-Elektrolyseur des Typs Silyzer 200 von Siemens mit 1,25 MW Spitzenleistung. Die hochmoderne Anlage am Mainhafen wandelt überschüssigen Strom aus dem nahen Bürgerwindpark Sailershäuser Wald sowie aus weiteren Windenergie- und Solaranlagen in erneuerbaren Wasserstoff um, auch Windgas genannt. Pro Jahr erzeugt der Elektrolyseur eine Million Kilowattstunden des Öko-Gases, das für die knapp 20.000 Prowindgas-Kunden von Greenpeace Energy in das Gasnetz eingespeist wird. Dort kann es prinzipiell auch über lange Zeiträume gespeichert und später wieder verstromt werden.

Reaktionsschnelle PEM-Technik

Damit sind Windgas-Anlagen wie in Haßfurt ein wichtiger Baustein für eine erfolgreiche Energiewende: Sie machen erneuerbare Energien in enormen Mengen langfristig speicherbar und gewährleisten so auch bei hohen Anteilen erneuerbarer Energien Versorgungssicherheit. Elektrolyseure auf Basis der PEM(Polymer Electrolyte Membrane)-Technologie wandeln überschüssigen Wind- und Solarstrom mit einem Wirkungsgrad von etwa 70 Prozent in Wasserstoff und sorgen so dafür, dass jede Kilowattstunde an grünem Strom tatsächlich genutzt werden kann und die Erneuerbaren-Anlagen nicht abgeregelt werden müssen, wenn das Stromangebot die Nachfrage übersteigt oder das Netz den Strom nicht aufnehmen kann.

Die PEM-Anlagen sind äußerst reaktionsschnell, denn der Elektrolyseur verändert binnen Millisekunden automatisch seine Leistung, um die Frequenz im Netz zu stabilisieren und so beispielsweise Blackouts durch Netzüberlastung zu verhindern. In Haßfurt bietet der Elektrolyseur diese Leistung über den Partner Next Kraftwerke als Teil eines „virtuellen Kraftwerks“ an, mit mehreren zusammengeschalteten Anlagen. Durch dieses „Regelleistungsangebot“ können Elektrolyseure über die Wasserstoffproduktion hinaus Einnahmen erwirtschaften. Die Anlage, für die es keine Förderung gab, hat circa zwei Millionen Euro gekostet. „Das Geschäftsmodell der Windgas Haßfurt beruht darauf, dass die Investitionskosten innerhalb von zehn Jahren erwirtschaftet werden“, erläutert Norbert Zösch die wirtschaftliche Grundlage für die Investition.

Politik beeinflusst die Wirtschaftlichkeit von PtG

Bei der Frage der Wirtschaftlichkeit spielt die Einordnung der PtG-Technologie in politische Rahmensetzungen und Fördermechanismen eine große Rolle. Die Haßfurter arbeiten mit zwei Szenarien, die als Kostenhochrechnung in einer dem Projekt vorangehenden Studie angelegt wurden: Die Produktionskosten für Elektrolysegas belaufen sich bei einer Einordnung als Sektorenkopplungstechnologie auf etwa 18 ct/kWh für eine heutige Anlage und einen ökologisch sinnvollen, netzdienlichen Betrieb mit rund 3.000 Vollbenutzungsstunden pro Jahr. Wenn dieselbe Anlage allerdings als „Endverbraucher“ eingeordnet wird, erhöhen sich die Produktionskosten auf 38 ct/kWh.

Bei der Elektrolyse wird Wasser in Sauerstoff – der in die Umgebungsluft abgelassen wird – und Wasserstoff mit einem hohen Reinheitsgrad aufgespaltet. Im PEM-Elektrolyseur in Haßfurt läuft der Vorgang bei einer Temperatur zwischen etwa 30 und 70 °C und bei einem Druck von 35 bar ab. Das Gas wird anschließend getrocknet, um ihm möglichst viel Feuchtigkeit zu entziehen. Eine Wasseraufbereitungsanlage entmineralisiert das eingesetzte Wasser, bevor es in die Elektrolyse-Stacks geleitet wird, in denen der eigentliche Prozess abläuft.

Inbetriebnahme des ersten Wasserstoff-BHKW

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme eines hochinnovativen Wasserstoff-Blockheizkraftwerks (H2-BHKW) zur Rückverstromung von regenerativ gewonnenem Wasserstoff im Juni 2019 wurde die PtG-Anlage erweitert. Beim installierten BHKW handelt es sich um ein Agenitor 406 SG von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 140 kW beim Betrieb mit Wasserstoff.

Das neue Blockheizkraftwerk ermöglicht – im Unterschied zur bisher praktizierten Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz mit Rückverstromung über konventionelle BHKW – einen Betrieb mit reinem Wasserstoff ohne fossile Brennstoffanteile. Mit diesem von der Bayerischen Landesregierung geförderten Vorhaben wurde so erstmals in der kommunalen Praxis eine wasserstoffbasierte und CO2-freie Speicherkette für regenerativen Strom umgesetzt. Diese führt von der Stromerzeugung aus Windenergie über die Umwandlung in Wasserstoff mittels Elektrolyse sowie die Speicherung in Drucktanks bis zur Rückverstromung über Kraft-Wärme-Kopplung. Der Wasserstoffspeicher erlaubt einen Dauerbetrieb des BHKW für rund 15 Stunden und steigert damit die Flexibilität des Gesamtsystems ganz erheblich.

Flexible Reaktion auf Stromüberschüsse 
oder Unterdeckungen

Norbert Zösch bewertet die Vervollständigung der Speicherkette als einen wichtigen Beitrag für den Ausgleich von Erzeugung und Bedarf: „Da sowohl die PtG-Anlage als auch das H2-BHKW eine hohe Dynamik aufweisen, können mit dem Gesamtsystem Elektrolyseur – Speicher –H2-BHKW Stromüberschüsse und Unterdeckungen aus der erneuerbaren Stromerzeugung im lokalen Bilanzkreis oder übergeordnet mit Regelenergie im Verteilnetz ausgeglichen werden.“

Das BHKW hat 2G Energy als anschlussfertige Containerlösung geliefert. Entwicklungsleiter Frank Grewe erwartet einen zunehmenden Bedarf an diesen Anlagen: „Nach der ersten Installation eines H2-BHKW bereits im Jahr 2012 am Flughafen BER in Berlin machen wir in Haßfurt den nächsten Schritt mit einem Standard-BHKW der agenitor-Baureihe, das für die wahlweise Nutzung von reinem Wasserstoff, einem Wasserstoff-Erdgas-Gemisch oder Erdgas kostengünstig angepasst wurde.“ Der sichere und flexible Betrieb im Rahmen einer künftigen breiten Nutzung von PtG-Konzepten mit BHKW bezeichnet er als einen wichtigen Eckpunkt für die Entwicklungsarbeit bei 2G.

Das Projekt wird wissenschaftlich-technisch durch das Institut für Energietechnik begleitet. Die Forscher erhoffen sich aus dem Vorhaben einerseits praktische Erkenntnisse und Langzeiterfahrungen zum Wasserstoffbetrieb von Blockheizkraftwerken, andererseits dient das Modul im Konsortium auch als Forschungsplattform für Weiterentwicklungen der H2-BHKW-Technologie und wurde daher mit speziellen Messtechnik-Zugängen ausgestattet.

Das H2-BHKW in Haßfurt verfügt über einen zweiten Gasanschluss für einen Wechsel in den Erdgasbetrieb, wobei dann die elek­trische Nennleistung 200 kW beträgt. Grewe sieht noch entwicklungstechnisches Potenzial für die Leistung von H2-BHKW im Vergleich zum Erdgasbetrieb: „Eine signifikante Erhöhung der Nennleistung im Wasserstoffbetrieb auf das Niveau der mit Erdgas betriebenen Maschinen ist ein kurzfristiges Entwicklungsziel. Damit steht, neben der sicheren Anlagenverfügbarkeit, die weitere Senkung der spezifischen Produktions- und Betriebskosten von H2-BHKW im Fokus unserer Entwicklungsarbeit.“

Bildergalerie

  • Das H2-BHKW Agenitor 406 SG von 2G dient zur Rückverstromung von Wasserstoff, der im Rahmen des PtG-Konzepts aus Windkraft mit Hilfe eines Elektrolyseurs gewonnen wird.

    Bild: 2G Energy

  • Die anschlussfertige Containerlösung des H2-BHKW verfügt über eine elektrische Leistung von 140 kW.

    Bild: 2G Energy

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